便携式多功能电缆巡检装置设计

国网江西省电力有限公司景德镇供电分公司 杨丹青 刘 宇 彭 峰 宁定业 李西猷 南昌大学信息工程学院 陈乐飞

随着电力电缆在城市和大中型企业的供电系统中占比越来越大，电缆的运行状态正影响着电力系统的稳定和安全[1]。而电力电缆的运行环境较差，随着电缆线路运行时间的增加，难免会出现电缆老化现象[2]。为避免电缆线路故障的发生，需要对电力电缆实施巡检，及时发现并消除电缆缺陷和异常，保证电缆设备正常运行[3]。

电缆巡检需要对电缆温度和局部放电情况进行检测。文献[4-6]使用物联网、分布式光纤等技术对电缆进行在线巡检，但是这些远程在线检测技术在检测到故障之后仍需人工巡检确认故障。文献[7-8]利用巡检机器人对输电管廊进行巡检，但巡检机器人存在成本过高、场景适应性较差等问题，因此，现有的智能化巡检设备无法完全替代人工巡检。

当前，人工巡检一般需要对电缆的温度和局部放电故障进行检测，通常采用高频电流法[9]、震荡波法[10]检测局部放电，使用红外测温仪[11]检测电缆温度。但老式高频电流检测装置体积较大，难以适应巡检需求；震荡波法检测装置需要在断电条件下使用，增加了巡检人员的工作量。此外，红外测温与局部放电检测使用不同的装置，需要多人操作，装置功能单一。因此亟需研发一种便携的多功能的电缆巡检装置辅助电缆巡检人员工作。

国内外专家学者对多功能的电缆巡检装置已开展了一定的研究。文献[2]设计了一种多参量带电检测装置，将超声波法和特高频法用于电缆巡检。文献[12]通过超声波和紫外光信号对电缆头局放进行检测。文献[13]基于高频电流法、特高频法和超声法对电缆状态进行评估。但以上研究都只是将多种检测方法机械的融合在一个装置中，并没有考虑多种检测方法之间的互补性。

针对上述问题，本文设计了一种基于红外成像、高频电流、超声波、特高频等技术的多功能一体化电缆巡检装置，实现对电缆管廊的巡检。该装置充分考虑了不同技术之间的互补性，从而提高检测装置的灵敏度与实用性。并具备取证标识识别、自动报表生成等智能辅助服务功能，可降低巡检人员技术要求。该装置小巧便携、使用灵活、安全可靠，可有效提升现场作业效率，降低人力物力和时间成本。

1 巡检装置总体设计

本装置为应对输电管廊的巡检要求，主要分为传感器模块、信号调理模块、处理器和输出模块四个模块，具备红外测温、局部放电检测、局部放电故障定位、数据存储与数据传输功能，巡检装置设计主要由硬件与软件两部分组成。

1.1 检测装置硬件设计

巡检装置的总体设计如图1所示，整个装置主要由传感器模块（光电、红外、超声波、特高频、高频电流）、信号调理模块、处理器和输出模块（无线通信、数据存储、人机交互、GPS 定位）组成。其中红外探测器和光电传感器安装在手持终端，其余传感器通过外接端口使用连接线与手持终端连接，根据具体的使用需求选择合适的传感器。传感器模块将所检测的信号发送给信号调理模块，信号调理模块将所接收的信号转换成能被处理器接收的电信号，信号在经过处理器处理后发送给输出模块，其中人机交互模块用于方便巡检人员获得相关信息，GPS 定位模块用于确认故障位置，存储模块用于临时存储检测数据。

图1 检测装置硬件总体设计

1.1.1 外接传感器

外接传感器主要有高频电流传感器、超声波传感器和特高频传感器。

高频电流传感器。高频电流传感器主要通过高频磁芯来检测局部放电。高频磁芯耦合局部放电发生时产生的局放电流，在线圈二次侧产生感应电压，感应电压作用在电阻上转化成用于检测的感应电流，检测频带为3MHz～50MHz。高频电流传感器在使用的过程中可直接钳在电缆中间接头、本体或者终端上，不需要改变电缆的运行状态。高频电流传感器原理如图2所示。

图2 高频电流传感器结构

特高频传感器。特高频传感器由信号检测天线与信号放大电路组成。用于感应局部放电所激发出的特高频电磁波，其采用微带天线结构，检测频带为300MHz～1500MHz。UHF 传感器在使用过程中放置在电缆终端环氧套管处或者电缆外部屏蔽层，同时可通过放置多个UHF 传感器，根据时差定位原理x=(L-v×Δt)/2计算出故障源位置，用于局放故障定位。特高频传感器结构如图3所示。

图3 特高频传感器结构

超声波传感器：超声波传感器可将超声波信号转换成电信号，通过图像显示和音频输出等方式供巡检人员分析。超声波检测是一种非电检测方法，可以避免受到电信号的干扰。超声波传感器在使用过程中可直接贴在电气设备表面，检测的原理如图4所示。

图4 超声波传感器原理图

1.1.2 信号调理模块

传感器所检测的信号需要对信号进行放大、调制解调、电信号转化为数字信号、滤波、A/D 转化等步骤以便于信号的传输与处理。不同处理方法的作用如表1所示。

表1 信号调理对应问题

1.1.3 手持终端

巡检过程需要全程对电缆进行红外测温，将红外探测器集成在手持终端可以避免传感器的频繁安装切换，同时也为局部放电和温度同时检测提供了可能。手持终端可通过人机交互界面显示从传感器收集的各项数据，并进行数据的整理与发送。

红外探测器：红外传感器可以检测到物体的热辐射，将检测到的信号通过数模转换使信号转变成可识别的图像信号。结合摄像头接收的可见光图像通过双视融合技术融合，呈现出物体表面的温度分布图像，使巡检人员可以更加直观的发现异常热源位置。其测量温度范围在-20～1500 ℃， 温度校准范围为5-90。红外检测原理如图5所示。

图5 红外检测原理图

人机交互界面：人机交互界面将设备信息与检测信息直观的显示在界面方便巡检人员查看，巡检人员可以直接在人机交互界面进行检测方式的替换、测量量程的更改、数据的存储与发送等行为。

嵌入式CPU：采用高工作稳定性、功耗小、环境适应度较强的嵌入式CPU Freescale iMX257，具备数据存储与保护、多任务处理、多通道信号采集等功能，并能根据需求对CPU 进行更新和扩展。该设计可有效降低设备体积，减少测量过程中的人工操作，以提高其在现场使用的实用性。

1.2 检测装置软件设计

1.2.1 软件架构

本装置采用模型－视图－控制器（MVC）架构，其具有耦合性低、重用性高、生命周期成本低、可维护性高等特点。

模型：模型中包含着数据，巡检过程中检测到的局放数据通过控制器输送到模型中，也可以从模型中调用历史数据进行数据比对。

视图：视图是与用户进行信息交互的界面，将手持终端的设备状态和探测器检测到的数据在人机交互界面显示，通过图像曲线和数值的形式观察检测数据。

控制器：检测人员通过控制器去调用模型中的数据和改变视图的显示，是模型层与控制层的连接媒介。

1.2.2 智能辅助服务

智能辅助服务流程如图6所示，巡检人员通过光电传感器识别取证标识，确认电缆型号后从云端下载电缆终端技术规范与电缆历史检测数据，辅助判断电缆巡检状态。通过检测装置进行巡检后，故障位置、检测图像与检测数据会通过无线网络上传到云端进行数据处理与数据管理，自动生成检测报表并归档保存。

图6 智能辅助服务流程

2 检测方式互补性处理

2.1 装置模式设计

局放检测方式的特征如表2所示。

表2 不同局放检测方式的特征

通过观察特征可发现高频电流法虽然可以直接检测出是否有局放现象，但无法确认故障位置，而特高频超声波检测虽然可以进行局放故障定位，但由于其检测距离较短，需对电缆进行多次检测才能完成巡检任务，因此可采用高频电流法判断是否存在局放现象，用特高频和超声波检测进行局放定位。

2.2 巡检流程设计

为充分利用检测装置的互补关系，提高巡检效率，考虑电缆中间接头和电缆本体两种检测情况，设计了巡检装置的巡检流程。此外，为满足巡检流程的需要，设计了如图7巡检装置的检测模式巡检流程，其中常规检测模式用于电缆本体的巡检，手动模式用于必要时的单项检测。

图7 巡检装置检测模式

2.2.1 电缆中间接头巡检流程

在巡检电缆中间接头时，将装置调整到手动模式选择红外测温功能，使用手持终端检测电缆中间接头温度。由于电缆中间接头没有铠装层和屏蔽层的信号屏蔽，在测温完成之后选择超声波检测功能，将超声波传感器与装置连接，对中间接头进行局放检测。

2.2.2 电缆本体巡检流程

对电缆本体巡检时，将装置调整到常规检测模式。将高频电流传感器通过连接线连接到手持终端，对电缆进行局部放电检测，根据是否检测到局部放电现象来选择下一步操作。

若未检测到局部放电，将装置切换至红外测温模式对电缆全程进行温度检测；

若检测到局部放电，则需要对剩余电缆进行温度检测的同时，确定局部放电位置。将装置切换至特高频—红外检测模式，将特高频传感器通过连接线连接到手持终端，以特高频检测的量程（10米）为长度对电缆进行分段检测。在每一次分段检测之间，使用手持装置对电缆进行测温，使得检测人员可以同时进行电缆测温和局放检测，避免对电缆全程进行局放检测后再原路返回对电缆全程进行测温。特高频检测到局放信号后，可进行粗略的局放定位，之后将装置切换至超声波—红外检测模式，检测人员一手持设备对电缆进行红外测温，另手持外接的超声波探测器，对局放进行精确定位。在确认局部放电位置后，可切换回手动模式下的红外测温模式对剩余电缆进行温度检测。

2.3 多数据显示

为实现特高频—红外和超声波—红外检测功能，需要根据数据的之间的联系合理的安排各种数据的显示。如图8所示，将设备状态、红外图像和局放图像分层显示，使得巡检人员可以在检测线缆温度的同时定位局部放电位置，可有效避免检测功能的频繁切换和电缆重复巡检。

图8 检测信号耦合处理

3 装置测试

3.1 巡检流程测试

本文巡检装置和常规巡检装置的巡检流程对比如图9所示，设置四种模式进行对比。

图9 巡检装置流程对比

场景一：使用常规巡检装置进行巡检。

场景二：使用本文巡检装置进行巡检，不考虑本文巡检流程。

场景三：使用本文巡检装置进行巡检，考虑本文巡检流程。

由场景一、二对比可以发现，本文巡检装置由于加入了特高频检测与超声波检测，考虑了各个检测方法的互补特性，可精确定位局放点故障位置，但由于没有使用本文的巡检流程，在定位局放故障点后，需要对之前局放检测的电缆再进行检测，巡检路程增加了一倍。由场景二、三对比可以发现，由于使用了本文的巡检流程，在特高频检测之间进行红外测温，当特高频检测检测到局放信号后，切换至超声波—红外检测模式对故障进行定位，在完成局放定位和电缆测温任务的同时，使得巡检路程减少了一半。

3.2 装置功能测试

装置外观如图10所示，装置前部可拆卸进行传感器模块的切换，红外探测器在装置上方，显示图像通过数据线连接移动设备并在移动设备中显示。

图10 装置外观

装置测试由于考虑了多数据显示，可以在一个界面同时观察电缆超声波图像和红外检测图像，实现了电缆局放温度同时检测。

4 结论

本文设计了一种便携式多功能电缆巡检装置，装置具有多种传感器，可单机实现温度和局放检测巡检目标。

本文考虑了多种检测方法的互补特性，设计了装置的巡检流程，并考虑了多检测数据显示。经测试对比，发现采用本文巡检流程可将巡检路程缩短一半，有效的提高了巡检效率。

通过智能辅助服务，有效降低了巡检人员的培训成本。