TWI542105B - 感測裝置及應用該感測裝置之輸電線路監測系統 - Google Patents

Description

感測裝置及應用該感測裝置之輸電線路監測系統

本案係有關一種感測裝置及輸電線路監測系統，特別是一種應用在超高壓輸電線路上的感測裝置及應用該感測裝置之輸電線路監測系統。

隨著科技的進步及工商業蓬勃的發展，人們對於電力的需求日以遽增，而電力確實為工商業發展不可或缺的動力之一。若有發生停電或輸電不穩的情形時，人民日常生活的一般用電或是具有高用電量需求的商業廠房均會受到嚴重的影響。另外，地形落差大且複雜的區域大多採電塔架空的方式來進行電力傳輸，以克服地形落差之問題，故輸電線路於傳輸過程中可能會途經郊區、山區與沿海區域。除了地形因素外，若發生地震或豪雨則可能造成超高壓電塔之塔基附近土壤流失，而有地基滑動與傾斜倒塌等意外；或因強風吹拂造成輸電線路發生晃動，而有危害輸電安全之疑慮；或因高濕度及高鹽度的氣候導致輸電線路及電塔元件機構容易老化，進而有可能發生危害超高壓輸 電線網路安全性的事件；或因超高壓輸電線路過熱產生垂降問題，易接觸到超高壓輸電線路下方的樹木，發生接地短路而造成故障。上述狀況一旦發生，除了對人民生活造成影響外，工業廠房因無電力而陷入停擺所造成的經濟損失更是難以估計。

為了防止上述問題所產生之風險，現有超高壓輸電線路安全性監測與維護上多採人力方式以巡視超高壓電塔之塔基及輸電線路。然而，若電塔和線路位於山區或郊區以人力方式將無法即時得知塔基及輸電線路的現況。即便增加許多電塔巡視員的數量，以翻山越嶺的方式，進行塔基及輸電線路的維護及巡視，仍存在耗時、費工、高成本及無法即時回報或預警的缺點。

至此，實有必要提供一種能即時感測超高壓輸電線路之周圍環境參數之裝置及其系統，以解決現有技術的問題。

鑒於上述之問題，本案之目的在於提供一種感測裝置及應用該感測裝置之輸電線路監測系統，使其能透過無線網路將感測參數傳回後端進行分析，不必以人工方式進行超高壓電塔及輸電線路之檢測，並能達到大範圍的監測區域、降低人力調查成本、兼顧輸電安全性且有效提升輸電效率之功效。

為達到前述目的或其他目的，本案係提供一種感測裝置，設於兩電塔間的超高壓輸電線路上，包含：溫度感測模組，係感測該超高壓輸電線路之線路導體溫度或環境溫 度，以產生對應之溫度感測訊號；振動感測模組，係感測該超高壓輸電線路之振動狀態，以產生對應之振動感測訊號；光照度感測模組，係感測該超高壓輸電線路之周圍的光照度，以產生對應之光照度感測訊號；處理器，係耦接該溫度感測模組、該振動感測模組及該光照度感測模組，用以處理該溫度感測訊號、該振動感測訊號及該光照度感測訊號以產生感測資訊，並透過無線通訊模組將該感測資訊傳送至閘道器；以及電力模組，係供應電力予該感測裝置，包含：至少一感應電力單元，係藉由該超高壓輸電線路運作時產生的磁場進行感應而產生電力；及充電單元，用以儲存該感應電力單元所產生的電力。

本案復提供一種應用前述感測裝置的輸電線路監測系統，其包括複數個該感測裝置、複數個閘道器以及監測中心，該些感測裝置所產生之感測資訊係透過無線傳輸協定傳送至該些閘道器，而該些閘道器係透過無線網路將該感測資訊傳送至該監測中心，並將該感測資訊儲存在該監測中心的資料庫中。

藉由本案所提供之前述裝置及系統，能有效收集超高壓輸電線路及周圍環境之感測資訊，亦能透過感應的方式產生電力並提供給裝置進行運作之用，不僅不需人力親臨現場，且能減少因電力問題而必須維護該裝置的次數，並能達到大範圍的監測區域、降低人力調查成本、即時預警、提高輸電安全性及效率等功效。

1‧‧‧感測裝置

11‧‧‧溫度感測模組

12‧‧‧振動感測模組

13‧‧‧光照度感測模組

14‧‧‧處理器

15‧‧‧電力模組

151‧‧‧感應電力單元

1511、1512‧‧‧半環鐵芯

1513‧‧‧繞組

1514、1515‧‧‧墊片

152‧‧‧充電單元

153‧‧‧保護電路單元

16‧‧‧無線通訊模組

17、4‧‧‧閘道器

18‧‧‧殼體

181‧‧‧套筒

182‧‧‧空洞

2‧‧‧輸電線路監測系統

31、32、33‧‧‧電塔

5‧‧‧監測中心

51‧‧‧資料庫

6‧‧‧超高壓輸電線路

第1圖係為本案之感測裝置之功能方塊圖；第2圖係為本案之感測裝置設於兩電塔間的超高壓輸電線路上之示意圖；第3圖係為本案之感測裝置內之感應電力單元架設於超高壓輸電線路上之示意圖；第4圖係為本案之感測裝置第一實施例之示意圖；第5圖係為本案之感測裝置第二實施例之示意圖；以及第6圖係為應用本案之感測裝置之輸電線路監測系統之架構示意圖。

以下即配合圖式，詳細揭露說明本案之感測裝置及應用該感測裝置之輸電線路監測系統之實施例。

參閱第1圖及第2圖，第1圖係為本案之感測裝置之功能方塊圖，第2圖為本案之感測裝置設於兩電塔間的超高壓輸電線路上之示意圖。本案之感測裝置1係設於兩電塔間的超高壓輸電線路上，如第2圖所示，電塔31、32、33之間係架設有數條超高壓輸電線路6，而每一條超高壓輸電線路6上設有感測裝置1。該感測裝置1包含溫度感測模組11、振動感測模組12、光照度感測模組13、處理器14以及電力模組15。該溫度感測模組11係用以感測該超高壓輸電線路6的線路導體溫度或環境溫度，以產生對應之溫度感測訊號。該溫度感測模組11具體為紅外線溫度感測器。一般常見的溫度監測方法有接觸式的光纖監測法 以及非接觸式的紅外線監測法。接觸式的光纖監測法必須將光纖嵌入超高壓輸電線路6中，才能進行溫度的量測作業。此種方式不僅施工不易且安裝時會承受極大的風險，且超高壓輸電線路6上承載的電流相當高，因此，本案的溫度感測模組11採紅外線監測法的溫度感測器，以間接的方式量測超高壓輸電線路6上的表面線路導體溫度，並產生溫度感測訊號。本案之溫度感測模組11能針對感測裝置1所在的環境進行環境溫度的測量，並產生對應之溫度感測訊號。

振動感測模組12，係感測該超高壓輸電線路6之振動狀態，以產生對應之振動感測訊號。該振動感測模組12具體為三軸加速度感測器，三軸加速度感測器能偵測來自三度空間的加速度值，因此在裝設有三軸加速度感測器之物品在三度空間移動時，能很輕易的得知物品在三度空間的移動狀態。感測裝置1係裝設在超高壓輸電線路6上，在強風吹拂、豪雨或地震而造成超高壓輸電線路6的劇烈晃動時，即能藉由感測裝置1內的振動感測模組12來得知超高壓輸電線路6的移動狀態。另外，本案感測裝置1的振動感測模組12，不僅能用在前述超高壓輸電線路6劇烈晃動之情況，亦能使用在評估超高壓輸電線路6的線路垂降程度。超高壓輸電線路6因經常處於高電流作業之情況，故會累積大量的熱能。又超高壓輸電線路6係處於戶外，必須面臨氣候所帶來的溫度變化，例如夜晚溫度降低、季節變換等，因此，當超高壓輸電線路6長期受到熱脹冷 縮效應的影響而有弛張、延展的情形，再加上本身的重量影響，故即便溫度回復，超高壓輸電線路6因弛張、延展所造成線路下垂的情形並不會獲得改善。而藉由感測裝置1的振動感測模組12所產生之振動感測訊號，能估計目前超高壓輸電線路6的位移狀況，即可得知目前線路垂降的程度為何。

光照度感測模組13用以感測該超高壓輸電線路6之周圍的光照度，以產生對應之光照度感測訊號。光照度感測模組13具體為環境光感測器，能用來偵測環境的照度。本案的光照度感測模組13係用來偵測太陽光的照度而產生光照度感測訊號，並將其搭配氣象資料，以對因長期受太陽曝曬使得超高壓輸電線路6或感測裝置1之溫度上升程度來進行估測。

處理器14係耦接溫度感測模組11、振動感測模組12以及光照度感測模組13，由於溫度感測模組11、振動感測模組12及光照度感測模組13所使用的操作電壓及溝通介面皆有不同，故必須透過整合電路將溫度感測模組11、振動感測模組12以及光照度感測模組13串接至處理器14。 處理器14係接收溫度感測模組11所產生之溫度感測訊號、振動感測模組12所產生之振動感測訊號，以及光照度感測模組13所產生之光照度感測訊號後，進行處理及整合作業，以產生感測資訊。此感測資訊能透過無線通訊模組16來進行傳送，例如可傳送至電塔附近的閘道器17。而無線通訊模組16與閘道器17之間的溝通，係採無線傳輸協 定，於一實施例中，該無線傳輸協定具體為Zigbee協定，亦可為其他如Wi-Fi、IEEE 802.11x標準等之協定，本案並不以此為限。

由於感測裝置1架設在超高壓輸電線路6上，其高度及環境實難利於維護人員經常維護，且電力來源更是一大考驗，且超高壓輸電線路6所承載的電壓過高，無法直接提供電力給感測裝置1使用。因此，本案的感測裝置1還包含有電力模組15，能提供感測裝置1內的各模組運作的電力。而電力模組15包含至少一感應電力單元151及充電單元152。該充電單元152具體為能再充電重複使用的二次電池，例如鎳鎘電池(Ni-Cd)、鎳氫電池(Ni-MH)、鋰離子電池(Li-ion)或鋰高分子電池(Li-polymer，又稱鋰聚合物電池)等等。該感應電力單元151藉由該超高壓輸電線路6運作時產生的磁場，透過感應產生電力，並將該電力儲存至充電單元152，以隨時提供感測裝置1電力。 而該充電單元152之設計目的，係先利用該感應電力單元151感應產生的電力對該充電單元152進行充電，接著才透過該充電單元152放電給感測裝置1內的各模組使用。 如此一來，即便輸電線路停電或發生事故，亦藉由充電單元152的蓄電能力，來增加感測裝置1運作的續航力，並能在事故發生時進行感測參數的收集或警報發布作業。該電力模組15復包含保護電路單元153，耦接在感應電力單元151及充電單元152之間。保護電路單元153係為了防止電擊突波以及電擊電壓與電流過載的等不穩定的情形。 若有電擊、突波或有其他可能導致影響電路效果的情況發生時，保護電路單元153即能發揮保護機制，以防範電壓與電流過載情況，並保護感測設備1內位於保護電路單元153後方之各模組及單元不受到損害。

請參考第3圖，該感應電力單元151具體包含兩個半環鐵芯1511、1512，以及繞接在該些半環鐵芯1511、1512上的繞組1513。該些半環鐵芯1511、1512係相對應組成環狀並環設於該超高壓輸電線路6上，感應電力單元151必須為兩個半環鐵芯1511、1512之設計，才能在現有的超高壓輸電線路6上，以兩個半環組成一個環形的方式，環設在超高壓輸電線路6上，並使得超高壓輸電線路6能夠通過兩個半環鐵芯1511、1512所組成環形的中心。在超高壓輸電線路6之電流通過後，組成環狀的半環鐵芯1511、1512之中心便會產生感應電動勢，透過匹配電路加掛負載，即可汲取電流以供使用。而為使感應電力單元151能夠利用超高壓輸電線路6承載高電流作業衍生的強大磁場進行感應電力，且在不影響線路輸電作業、該感應電力單元亦不受超高壓及高載流影響之情況下，該些半環鐵芯1511、1512最佳為具有高導磁率的材質，於一實施例中，具體可為錳鋅合金，其導磁率為5500H/m。當然，該些半環鐵芯1511、1512亦可為其他材質及其他導磁率，本案並不以此為限。 此外，感應電力單元151感應產生的電力必須足夠整個感測裝置1內的各模組使用，故繞組1513所纏繞的線圈匝數必須在一定數量以上，例如1000匝數、3000匝數，該匝 數可視裝設環境進行調整，以能提供足夠的電力為目的，但本案並不限定線圈匝數之數量。

請一併參閱第3、4圖，第4圖係為本案之感測裝置第一實施例之示意圖。半環鐵芯1511、1512係分別裝設於殼體18的上、下半部中，殼體18的上、下半部的內部設有套筒181，該套筒181之外型係能使殼體18的上、下半部組合後，套筒181能夠通過兩半環鐵芯1511、1512所組成環形之中心，且套筒亦能作為固定半環鐵芯1511、1512於殼體18中之用。套筒181內部具有空洞182，能提供超高壓輸電線路6穿過。如第3圖即揭示超高壓輸電線路6穿設於套筒181中之情形。簡言之，套筒181係設於半環鐵芯1511、1512及超高壓輸電線路6之間。套筒181是為了防止半環鐵芯1511、1512直接與超高壓輸電線路6接觸。 另為了防止感應電力生成的耗損，於一實施例中，套筒181之材質為鋁，亦可為鐵、白鐵、鑄鐵、中碳鋼或塑膠材質。 惟鐵、白鐵、鑄鐵、中碳鋼或塑膠材質對於感應電力損耗影響較鋁為多，且亦考慮到重量問題，故套筒181材質最佳為鋁。鋁雖較符合感測裝置1之需求，但本案並不限定套筒之材質。於本實施例中，感測裝置1中的其他模組及單元，可放置在殼體18下方的空間。在該些兩半環鐵芯1511、1512在環設於超高壓輸電線路6上後，兩半環鐵芯1511、1512相對應組成環狀之接縫處，能以用兩墊片1514、1515分別填充兩半環鐵芯1511、1512組成環形後的接縫處，而形成一完整的環形。所謂的接縫處，即是兩半環鐵 芯1511、1512相對應組合時，接面並無法完全密合，因此能使用墊片1514、1515來使兩半環鐵芯1511、1512組合後無任何間隙。而使用墊片1514、1515最主要的目的，若兩半環鐵芯1511、1512之間有間隙，則易受到空氣的影響，降低感應生成電力的能力。而墊片1514、1515之材質，最佳係相同於該些半環鐵芯1511、1512之材質，例如為導磁率5500H/m的錳鋅合金，墊片1514、1515之材質亦可為鐵、壓克力等，本案並不以此為限。

請同時參閱第5圖，第5圖為本案之感測裝置第二實施例之示意圖。殼體18為圓柱體，且可分為上、下半部，圓柱體之外型可較前述第一實施例中的殼體外型大幅降低風阻影響。半環鐵芯1511係裝設於殼體18的上半部中，另一半環鐵芯(圖未示)係裝設於殼體18之下半部中，在殼體18之上、下半部組成圓柱體時，兩半環鐵芯能組成環形。該些半環鐵芯上分別具有繞組1513。半環鐵芯可為多組，於本實施例中，係以4組來作說明，即感應電力單元151有4組，但本案並不以此為限。透過多組的半環鐵芯並聯，以增強感應電力外，亦能作為備援使用。若是當中有一組鐵芯損壞，尚能透過其他組的鐵芯感應生電，以提供感測裝置1電力及維持各模組的運作。而這樣的設計，更能將感測裝置1使用在較低負載的線路上。殼體18之上、下半部組成圓柱體時，兩半環鐵芯之間設有墊片1514、1515，墊片1514、1515作用如前所述。於本實施例中，感測裝置1之其他模組及單元，則可放置在半環鐵芯 之外的其他空間中。殼體18內部設有套筒181，套筒181具有空洞182，空洞182能提供超高壓輸電線路6穿過。 因此，在殼體18之上、下半部組成圓柱體時，即是將超高壓輸電線路6設置於殼體18內空洞182中，令殼體18之上、下半部將該超高壓輸電線路6夾置在中間，兩半環鐵芯的中心即有超高壓輸電線路6通過，俾使兩半環鐵芯藉由超高壓輸電線路6衍生的強大磁場進行感應生電作業。

本案的感測裝置亦能應用於輸電線路監測系統，請一併參閱第6圖及第1圖感測裝置1之功能方塊圖。該輸電線路監測系統2包括前述之複數個該感測裝置1、複數個閘道器4以及監測中心5。該些感測裝置1分別裝設在電塔31、32、33之間的超高壓輸電線路6上。由於感測裝置1中的無線通訊模組16係採無線傳輸協定來進行溝通，因此，該些感測裝置1形成無線傳輸標準的網狀拓撲網路，並透過無線網狀拓撲網路架構，能降低資料遺失率，並能具備更彈性的佈建範圍，此處所述之無線傳輸協定，於一實施例中具體可為ZigBee協定，亦可為其他如Wi-Fi、IEEE 802.11x標準等協定，本案並不以此為限。而該些感測裝置1所產生的感測資訊，亦透過無線傳輸協定傳送到其通訊範圍內的閘道器4上。閘道器4可於各電塔下方各放置一個，或是距離電塔一定距離內來設置皆可，本案並不以此為限。閘道器4則能透過無線網路，將這些感測資訊傳送到較遠的監測中心5，監測中心5可為電腦、伺服器，並將其儲存在監測中心5的資料庫51中，以便後續能進行分 析作業。而閘道器4所使用的無線網路，可採用符合遠距無線傳輸之標準通信協定，因此不論是資料傳輸量、傳輸距離，皆有著較大的彈性空間。

藉由本案之感測裝置及應用該感測裝置之輸電線路監測系統，能夠有效收集電塔間超高壓輸電線路及周圍環境的感測資訊，並透過無線通訊的方式，將此些感測資訊傳送到遠端的監控中心，以進行分析作業。此些感測資訊不僅可即時反應超高壓輸電線路當時刻的運作狀態，亦可使操作人員依據此些感測資訊進行安全評估。因此，本裝置及系統不僅不需人力親臨現場，能降低人力調查成本，且能達到大範圍之監控區域以及現況即時回報或預警之功效。此外，本案之感測裝置在裝設於超高壓輸電線路上後，透過超高壓輸電線路產生的強大磁場，以感應方式產生電力並提供給感測裝置使用，減少因電力不足所導致的維護問題。

上述僅為本案之較佳實施例，並非用以限制本案之實質技術內容的範圍。本案之實質技術內容係廣義地定義於下述之申請專利範圍中。若任何他人所完成之技術實體或方法與下述之申請專利範圍所定義者為完全相同，或是為一種等效之變更，均將被視為涵蓋於本案之申請專利範圍之中。

1‧‧‧感測裝置

11‧‧‧溫度感測模組

12‧‧‧振動感測模組

13‧‧‧光照度感測模組

14‧‧‧處理器

15‧‧‧電力模組

151‧‧‧感應電力單元

152‧‧‧充電單元

153‧‧‧保護電路單元

16‧‧‧無線通訊模組

17‧‧‧閘道器

Claims (8)

1. 一種感測裝置，設於兩電塔間的超高壓輸電線路上，包含：溫度感測模組，係感測該超高壓輸電線路之線路導體溫度或環境溫度，以產生對應之溫度感測訊號；振動感測模組，係感測該超高壓輸電線路之振動狀態，以產生對應之振動感測訊號；光照度感測模組，係感測該超高壓輸電線路之周圍的光照度，以產生對應之光照度感測訊號；處理器，係耦接該溫度感測模組、該振動感測模組及該光照度感測模組，用以處理該溫度感測訊號、該振動感測訊號及該光照度感測訊號以產生感測資訊，並透過無線通訊模組將該感測資訊傳送至閘道器；以及電力模組，係供應電力予該感測裝置，包含：至少一感應電力單元，係藉由該超高壓輸電線路運作時產生的磁場進行感應而產生電力；及充電單元，用以儲存該感應電力單元所產生的電力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中，該溫度感測模組為紅外線溫度感測器，該振動感測模組為三軸加速度感測器，且該充電單元為二次電池。
3. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中，該無線通訊模組與該閘道器之間的通訊係採ZigBee協定。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中，該感應電力單元包含兩半環鐵芯及繞接於該些半環鐵芯上之繞組，該些半環鐵芯係相對應組成環狀且環設於該超高壓輸電線路上。
5. 如申請專利範圍第4項所述之感測裝置，其中，該感應電力單元復包含兩墊片，係分別設於該些半環鐵芯相對應組成之環狀之接縫處。
6. 如申請專利範圍第4項所述之感測裝置，其中，該感測裝置復包含殼體，該殼體內部設有套筒，該套筒係設於該些半環鐵芯與該超高壓輸電線路之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中，該電力模組復包含保護電路單元，係耦接在該感應電力單元及該充電單元之間，用以偵測電擊或突波，且防範電壓與電流過載並保護該感測裝置。
8. 一種應用如申請專利範圍第1項所述之感測裝置的輸電線路監測系統，其包括複數個該感測裝置、複數個閘道器以及監測中心，該些感測裝置所產生之感測資訊係透過無線傳輸協定傳送至該些閘道器，而該些閘道器係透過無線網路將該感測資訊傳送至該監測中心，並將該感測資訊儲存在該監測中心的資料庫中。