CN113588045A - 一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统及方法，用于检测电缆充油终端的油位高度，系统包括：采集装置，用于采集内腔内的油位信息，采集装置设于内腔的顶端，采集装置包括超声波单元，超声波单元朝向绝缘油设置；接收装置，与采集装置无线信号连接，能够接收采集装置检测并传送的信号，判断油位高度是否低于预设高度。上述技术方案中所提供的检测系统及检测方法，采用超声波检测的方法对绝缘油的油位进行隔空检测，避免电缆充油终端上的高压击穿采集装置；本发明将采集装置和接收装置分开设置，只将功耗小的采集装置设置在电缆充油终端的内腔顶端，利用无线的方式进行采集装置和接收装置之间的数据通讯。

Description

一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统及方法

技术领域

本发明涉及电力监测技术领域，特别是涉及一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统及方法。

背景技术

随着我国对经济建设的大力投资，电力需求不断攀升，电力建设迅猛发展，特别目前高压及超高压电网的建设，110kV及以上电压等级的交联聚乙烯绝缘电力电缆的需求日益增多，同时也促进了电缆附件的迅速发展。电缆户外终端是主要的电缆附件，通过它把地下的电缆和高压输电塔上的高压输电线可靠联接。

目前的电缆终端产品包括全预制干式硅橡胶户外终端和充油式终端，广泛使用的为充油式终端。而充油式终端故障大部分是由于终端内部注油流失，造成的终端耐压故障。现阶段尚无比较好的方法检测终端头油位的技术手段。主要原因在于：电缆终端属于高压电缆的核心设备，其顶端和末端有10万伏以上的高压，不能使用常规的检测技术进行测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的不能对电缆终端内的绝缘油油位进行检测的缺陷，从而提供一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统，用于检测电缆充油终端的油位高度，所述电缆充油终端包括绝缘套管、底座以及电缆，所述绝缘套管与所述底座固定连接，所述绝缘套管具有内含绝缘油的内腔，所述电缆从所述底座穿入所述内腔并贯穿所述绝缘套管；所述系统包括：

采集装置，用于采集所述内腔内的油位信息，所述采集装置设于所述内腔的顶端，所述采集装置包括超声波单元，所述超声波单元朝向所述绝缘油设置；

接收装置，与所述采集装置无线信号连接，能够接收所述采集装置检测并传送的信号，判断油位高度是否低于预设高度。

优选地，所述超声波单元包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，所述超声波发射传感器和所述超声波接收传感器分别位于所述电缆的两侧；所述采集装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述超声波单元电连接。

优选地，所述超声波单元还包括传感器底座，所述传感器底座环绕所述电缆设置，所述超声波发射传感器和所述超声波接收传感器安装在所述传感器底座上并电连接；所述绝缘套管顶部具有盖体，所述盖体与所述绝缘套管的内部空腔形成密封的内腔，所述传感器底座安装在所述盖体朝向所述内腔的一面。

优选地，所述超声波发射传感器、所述电缆和所述超声波接收传感器的安装中心在同一条直线上。

优选地，所述采集装置还包括取电单元，所述取电单元包括开环式取电环、控制电路和储能电容；所述取电单元与所述超声波单元电连接。

优选地，所述接收装置设置在接地端或地面，包括无线通讯单元、运算单元和电源单元，所述无线通讯单元与所述采集装置无线通讯连接；所述运算单元对所述采集装置发送的信号进行计算，判断油位高度变化；所述电源单元与所述无线通讯单元和所述运算单元连接。

本发明还提供一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测方法，包括：

提供用于采集电缆充油终端内腔内的油位信息的采集装置，将所述采集装置设置在所述内腔的顶端，设置所述采集装置中的超声波单元朝向绝缘油；

提供与所述采集装置无线信号连接的接收装置；

通过所述采集装置进行油位检测，并将检测到的信号向所述接收装置传送；

通过所述接收装置接收所述采集装置检测并传送的信号，判断油位高度是否低于预设高度。

优选地，所述超声波单元包括超声波发射传感器和超声波接收传感器；

将所述采集装置设置在所述内腔的顶端的步骤包括：

将所述采集装置中的超声波发射传感器设置在电缆的一侧，将所述采集装置中的超声波接收传感器设置在所述电缆的另一侧；

所述采集装置包括温度传感器；

将所述采集装置设置在所述内腔的顶端的步骤包括：

将温度传感器与所述超声波单元电连接，通过所述温度传感器检测所述内腔中的温度。

优选地，所述超声波单元还包括传感器底座；

将所述采集装置设置在所述内腔的顶端的步骤还包括：

将所述超声波发射传感器和所述超声波接收传感器安装在所述传感器底座上并电连接；将所述传感器底座安装在所述内腔顶部并环绕所述电缆，使所述超声波发射传感器和所述超声波接收传感器位于所述电缆两侧；

设置所述超声波发射传感器、所述电缆和所述超声波接收传感器的安装中心在同一条直线上。

优选地，将所述采集装置设置在所述内腔的顶端的步骤还包括：

提供取电单元，所述取电单元包括开环式取电环、控制电路和储能电容，将所述取电单元与所述超声波单元电连接；

提供与所述采集装置无线信号连接的接收装置的步骤还包括：

将所述接收装置设置在所述电缆充油终端的接地端或地面；

所述接收装置包括无线通讯单元、运算单元和电源单元；

设置所述无线通讯单元与所述采集装置无线通讯连接；通过所述运算单元对所述采集装置发送的信号进行计算，判断油位高度变化；设置所述电源单元与所述无线通讯单元和所述运算单元连接。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的检测系统及检测方法，基于电缆充油终端及绝缘油的特性，采用超声波检测的方法对绝缘油的油位进行隔空检测，避免电缆充油终端上的高压击穿采集装置；

另外，本发明将采集装置和接收装置分开设置，只将功耗小的采集装置设置在电缆充油终端的内腔顶端，同时，利用无线的方式进行采集装置和接收装置之间的数据通讯，避免电缆充油终端上的高压击穿检测系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例的检测系统的结构示意图。

图2为图1中的A处放大图，其中，角B为超声波发射传感器的反射角。

图3为图1所示的检测系统的部分结构示意图，其显示了在绝缘油油位下降后的超声波反射路径。

图4为本发明实施例的采集装置的示意图。

图5为本发明实施例的开环式取电环的结构示意图。

图6为本发明实施例的接收装置的结构示意图。

附图标记说明：

10、电缆充油终端；11、绝缘套管；12、盖体；13、内腔；14、绝缘油；15、底座；16、电缆；17、接地端；

20、采集装置；21、传感器底座；22、超声波发射传感器；23、超声波接收传感器；24、取电单元；241、开环式取电环；242、电感线圈；243、控制电路；244、储能电容；

30、接收装置；31、无线通讯单元；32、运算单元；33、电源单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1所示，为本发明的电缆充油终端油位检测系统的一个实施例的结构示意图。该检测系统用于检测电缆充油终端10的油位高度。一般情况下，电缆充油终端10包括绝缘套管11、底座15以及电缆16，绝缘套管11与底座15固定连接，绝缘套管11具有内含绝缘油14的内腔13，电缆16从底座穿入内腔13并贯穿绝缘套管11，该种电缆充油终端10的内外绝缘分别处理，绝缘套管11为外绝缘，可采用瓷套管或复合绝缘套管11，内绝缘采用预制应力锥控制电场，绝缘油14可采用硅油或聚异丁烯类液体绝缘油14，绝缘套管11与底座密封安装，形成密封的内腔13，绝缘油14位于内腔13中，起到进一步绝缘作用。而在一些恶劣环境中，绝缘套管11本身或与底座的密封处出现裂缝，导致内腔13中的绝缘油14流失，造成终端耐压故障。

系统包括：采集装置20，用于采集内腔13内的油位信息，采集装置20设于内腔13的顶端，采集装置20包括超声波单元，超声波单元朝向绝缘油14设置；接收装置30，与采集装置20无线信号连接，能够接收采集装置20检测并传送的信号，判断油位高度是否低于预设高度。

户外的电缆充油终端10一般具有100KV以上的高压，对于内腔13中的绝缘油14油位检测，绝缘油14液面和传感器之间只能采用隔空检测的形式，隔空的检测方式一般为超声波或光波检测，而绝缘油14一般为透明材质，光波测量容易出现较大误差，因此，用于采集内腔13内的油位信息的采集装置20包括超声波单元，具体的，采集装置20整体位于内腔13的顶端，处于同一高度，避免出现电压差，超声波单元朝向绝缘油14设置。

另外，本发明实施例将采集装置20和接收装置30分开设置，只将功耗小的采集装置20设置在电缆充油终端10的内腔13顶端，同时，利用无线的方式进行采集装置20和接收装置30之间的数据通讯，避免电缆充油终端10上的高压击穿检测系统。

如附图2和附图3所示，超声波单元包括超声波发射传感器22和超声波接收传感器23，超声波发射传感器22和超声波接收传感器23分别位于电缆的两侧，利用超声波在绝缘油14表面反射使超声波接收传感器23可以接收到超声波发射传感器22发出的超声波。现有的超声波传感器主要采用直接反射的检测模式，一般为将发射端和接收端结合的单头传感器，或将发射端和接收端并排设置在同一侧；超声波传感器具有声波发射角，比如附图2和附图3上的角B，一般的声波发射角在60°至120°，有一些传感器具有较窄的6°声波发射角，而对于绝缘套管11内的狭小的内腔13来说，声波发射角会使发出的超声波与内腔13壁还有电缆16发生反射，接收端会接收到狭小腔体的两臂反射的超声波，从而导致测量距离失败。因此，本实施方式将超声波传感器的发射端和接收端分离，采用超声波发射传感器22和超声波接收传感器23，并分别设置在电缆16的两侧，超声波发射传感器22发出的超声波部分被电缆16隔绝，只有被绝缘油14表面反射的超声波才可被电缆另一侧的超声波接收传感器23接收，不存在被电缆或内腔壁反射的超声波被超神波接收传感器23接收到的情况。本实施方式的超声波接收传感器和超声波发射传感器可为声波发射角B在60°左右的传感器。

优选地，如附图2和附图3所示，超声波发射传感器22、电缆16和超声波接收传感器23的安装中心在同一条直线上，只有经由绝缘油14表面反射的超声波才能被超声波接收传感器23接收。

为方便安装超声波发射传感器22和超声波接收传感器23，超声波单元还包括传感器底座21，传感器底座21可为弧形或圆环形结构，环绕电缆16设置；超声波发射传感器22和超声波接收传感器23安装在传感器底座21上并电连接，此处电连接为有线电连接，连接方式较为简单，加工难度低。当传感器底座21为弧形时，超声波发射传感器22和超声波接收传感器23分别位于传感器底座21的两端，位于电缆16的两侧。当传感器底座为圆环形时，电缆穿过传感器底座中间的通孔。传感器底座21上还可设置传感器控制电路243、无线通讯芯片、取电单元24中的一种或多种，使采集装置20的各个部件的高度基本一致。本实施方式的系统采用的无线通讯技术为相关领域中的已知技术，在此不再赘述。

具体的，绝缘套管11顶部具有盖体12，盖体12与绝缘套管11的内部空腔形成密封的内腔13，传感器底座21安装在盖体12朝向内腔13的一面，传感器底座21可采用绝缘材料制成，通过塑料螺钉或卡扣与金属材质的盖体12固定，也可以采用粘接的方式固定在盖体12朝向内腔13的一面。

位于内腔13中的采集装置20需要供电，而内腔13空间较小，无法安装较大电源，无法满足长时间监控的需求，因此，如附图4和附图5所示，本实施方式的取电单元24包括开环式取电环241、控制电路243和储能电容244；取电单元24与超声波单元电连接，此处的电连接为有线连接，由于处于同一高度，没有电压差。开环式取电环241包括内置磁钢的互感器，互感器表面缠绕有电感线圈242，利用电缆的磁场取电，控制电路243包括整流滤波电路、MPPT控制保护电路、稳压输出电路，储能电容244可设置在控制电路243上，也可独立设置，与控制电路243电连接。整流滤波电路的输入端连接开环式取电环241的输出端，整流滤波电路的输出端接MPPT控制保护电路，可以实现全波整流和滤波功能，将开环式取电环241输出的交流电压转换成直流电源。

如附图6所示，接收装置30设置在接地端17或地面，包括无线通讯单元31、运算单元32和电源单元33，无线通讯单元31与采集装置20无线通讯连接；运算单元32对采集装置20发送的信号进行计算，判断油位高度变化；具体的判断过程为：超声波从超声波发射传感器发出，到绝缘油液面，再到超声波接收传感器的路径L＝t*V，t为超声波发射传感器到发送到超声波接收传感器接收到信号的时间间隔，V为声音的速度，采集装置发送的信号包括超声波发射传感器到发送到超声波接收传感器接收到信号的时间间隔t和路径L，设定该路径L除以2为绝缘油液面到内腔顶端的距离，当发生绝缘油泄露，液面高度下降，超声波发射传感器到发送到超声波接收传感器接收到信号的时间间隔变长，对应的路径L也变长，计算出绝缘油液面到内腔顶端的距离变大，若超出设定阈值，则发送警报。在检测系统组装好后，可实验当绝缘油液面的高度等于设定阈值时，时间间隔t的对应值，从而将绝缘油液面到内腔顶端的距离阈值与时间间隔阈值对应。

由于不同温度对超声波的传播速度有影响，为校准超声波单元的检测结果，采集装置还可包括温度传感器(未画出)，用于检测内腔中的温度。声音传播速度公式v＝(331.4+0.607T)，代入上述路径L的公式。由于内腔为密闭环境，其内湿度较为稳定，暂不考虑湿度变化对声音传播速度的影响。

电源单元33与无线通讯单元31和运算单元32连接。此时接收装置30与采集装置20无线通讯，不存在电压差，电源单元33可为大型蓄电池，或接收装置30直接接入市电。

本实施方式基于上述的检测系统，还提供了一种基于超声波测距的电缆充油终端10油位检测方法，包括：

提供用于采集电缆充油终端10内腔13内的油位信息的采集装置20，将采集装置20设置在内腔13的顶端，设置采集装置20中的超声波单元朝向绝缘油14，利用超声波单元进行测距；

该步骤包括：将采集装置20中的超声波发射传感器22设置在电缆的一侧，将采集装置20中的超声波接收传感器23设置在电缆的另一侧；

该步骤还包括：将温度传感器(未画出)与所述超声波单元电连接，通过所述温度传感器检测所述内腔中的温度；

该步骤包括：将超声波发射传感器22和超声波接收传感器23安装在传感器底座21上并电连接；将传感器底座21安装在内腔13顶部并环绕电缆，使超声波发射传感器22和超声波接收传感器23位于电缆两侧；优选地，该步骤还包括：设置超声波发射传感器22、电缆和超声波接收传感器23的安装中心在同一条直线上，超声波发射传感器22发出的超声波部分被电缆隔绝，部分被绝缘油14表面反射，被绝缘油14表面反射的超声波可被电缆另一侧的超声波接收传感器23接收。

该步骤还包括：提供取电单元24，取电单元24包括开环式取电环241、控制电路243和储能电容244，将取电单元24与超声波单元电连接，为采集装置20供电。

提供与采集装置20无线信号连接的接收装置30；具体的，该步骤包括：设置无线通讯单元31与采集装置20无线通讯连接，解决了接收装置30和采集装置20之间的电压差问题，设置电源单元33与无线通讯单元31和运算单元32连接，为接收装置30供电。

通过采集装置20进行油位检测，并将检测到的信号向接收装置30传送；

通过接收装置30接收采集装置20检测并传送的信号，判断油位高度是否低于预设高度，判断过程如上文所述；

信号的内容包括超声波发射传感器到发送到超声波接收传感器接收到信号的时间间隔t和温度传感器检测到的内腔温度信息，从而计算和判断油位高度，并与设定阈值比较，判断油位高度是否低于预设高度，若结果为是，则发送警报。

该步骤包括无线通讯单元31与采集装置20无线通讯连接；通过运算单元32对采集装置20发送的信号进行计算，判断油位高度变化。运算单元可采用常规的运算芯片，满足运算要求就可。

本实施方式的检测方法具体为：

安装好上述系统，将采集装置的传感器底座固定在内腔顶部，确定超声波发射传感器、超声波接收传感器、温度传感器、取电单元等的位置，在对内腔注油完成15小时后才能测量绝缘油的液面高度。超声波发射传感器发送超声波，只有被绝缘油液面反射的超声波才能被电缆另一侧的超声波接收传感器接收，获取时间间隔t，结合温度传感器检测到的温度，判断当前声音传播速度V，计算超声波从超声波发射传感器发出，到绝缘油液面，再到超声波接收传感器的路径L，从而判断绝缘油液面到内腔顶端的高度，若绝缘油发生泄露，则采集装置检测到的时间间隔t变长，路径L变长，从而判断绝缘油液面到内腔顶端的高度发生变化，若接收装置接收的信息中，判断采集装置检测到的时间间隔t大于设定时间阈值，计算出绝缘油液面到内腔顶端的高度低于设定距离阈值，则接收装置判断绝缘油发生泄露，接收装置可通过无线通讯单元对外发送警报，提醒工作人员及时检查。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统，用于检测电缆充油终端的油位高度，所述电缆充油终端包括绝缘套管、底座以及电缆，所述绝缘套管与所述底座固定连接，所述绝缘套管具有内含绝缘油的内腔，所述电缆从所述底座穿入所述内腔并贯穿所述绝缘套管；其特征在于，所述系统包括：

采集装置，用于采集所述内腔内的油位信息，所述采集装置设于所述内腔的顶端，所述采集装置包括超声波单元，所述超声波单元朝向所述绝缘油设置；

接收装置，与所述采集装置无线信号连接，能够接收所述采集装置检测并传送的信号，判断油位高度是否低于预设高度。

2.根据权利要求1所述的基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统，其特征在于，所述超声波单元包括超声波发射传感器和超声波接收传感器，所述超声波发射传感器和所述超声波接收传感器分别位于所述电缆的两侧；所述采集装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述超声波单元电连接。

3.根据权利要求2所述的基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统，其特征在于，所述超声波单元还包括传感器底座，所述传感器底座环绕所述电缆设置，所述超声波发射传感器和所述超声波接收传感器安装在所述传感器底座上并电连接；所述绝缘套管顶部具有盖体，所述盖体与所述绝缘套管的内部空腔形成密封的内腔，所述传感器底座安装在所述盖体朝向所述内腔的一面。

4.根据权利要求2或3所述的基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统，其特征在于，所述超声波发射传感器、所述电缆和所述超声波接收传感器的安装中心在同一条直线上。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统，其特征在于，所述采集装置还包括取电单元，所述取电单元包括开环式取电环、控制电路和储能电容；所述取电单元与所述超声波单元电连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的基于超声波测距的电缆充油终端油位检测系统，其特征在于，所述接收装置设置在接地端或地面，包括无线通讯单元、运算单元和电源单元，所述无线通讯单元与所述采集装置无线通讯连接；所述运算单元对所述采集装置发送的信号进行计算，判断油位高度变化；所述电源单元与所述无线通讯单元和所述运算单元连接。

7.一种基于超声波测距的电缆充油终端油位检测方法，其特征在于，包括：

提供用于采集电缆充油终端内腔内的油位信息的采集装置，将所述采集装置设置在所述内腔的顶端，设置所述采集装置中的超声波单元朝向绝缘油；

提供与所述采集装置无线信号连接的接收装置；

通过所述采集装置进行油位检测，并将检测到的信号向所述接收装置传送；

通过所述接收装置接收所述采集装置检测并传送的信号，判断油位高度是否低于预设高度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超声波单元包括超声波发射传感器和超声波接收传感器；

将所述采集装置设置在所述内腔的顶端的步骤包括：

将所述采集装置中的超声波发射传感器设置在电缆的一侧，将所述采集装置中的超声波接收传感器设置在所述电缆的另一侧；

所述采集装置包括温度传感器；

将所述采集装置设置在所述内腔的顶端的步骤包括：

将温度传感器与所述超声波单元电连接，通过所述温度传感器检测所述内腔中的温度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述超声波单元还包括传感器底座；

将所述采集装置设置在所述内腔的顶端的步骤还包括：

将所述超声波发射传感器和所述超声波接收传感器安装在所述传感器底座上并电连接；将所述传感器底座安装在所述内腔顶部并环绕所述电缆，使所述超声波发射传感器和所述超声波接收传感器位于所述电缆两侧；

设置所述超声波发射传感器、所述电缆和所述超声波接收传感器的安装中心在同一条直线上。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

将所述采集装置设置在所述内腔的顶端的步骤还包括：

提供取电单元，所述取电单元包括开环式取电环、控制电路和储能电容，将所述取电单元与所述超声波单元电连接；

提供与所述采集装置无线信号连接的接收装置的步骤还包括：

将所述接收装置设置在所述电缆充油终端的接地端或地面；

所述接收装置包括无线通讯单元、运算单元和电源单元；

设置所述无线通讯单元与所述采集装置无线通讯连接；通过所述运算单元对所述采集装置发送的信号进行计算，判断油位高度变化；设置所述电源单元与所述无线通讯单元和所述运算单元连接。

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