与屏蔽双绞线电缆的天线连接

技术领域

本发明总体上涉及射频天线连接，并且更具体地，涉及使用屏蔽双绞线布线来传送多个天线信号，包括用于电力资产的局部放电监测信号。

背景技术

天线连接通常使用同轴电缆。在同轴电缆中，外导体通常连接到壳体接地。对于同轴电缆，当存在共模信号时，电缆的外导体实际上是天线。该天线将共模信号注入系统，并可能导致射频干扰(RFI)问题。因此，同轴电缆的共模RFI抗扰性较差。当环境涉及大量干扰时，尤其是运行电动机、发电机和快速开关电路的环境下，此RFI通常很高。除RFI之外，同轴电缆还传输共模信号和来自连接不良的设备或天线的某些反射信号，从而导致电磁辐射发射合规性问题。

例如，用于在电力系统中进行感测的无线传感器系统具有受共模RFI注入限制的本底噪声。对于电力资产中使用的电缆长度，同轴电缆的外导体充当共模天线，从而导致RFI的其他问题。当电缆连接发电厂和其他电力应用中的不同设备时，共模信号非常常见。

经常对电力资产来监测局部放电。可以以多种方式确定局部放电事件，包括在用于检测的UHF信道上。这种局部放电变得很难在本底噪声上检测到，这会受到同轴电缆不良的共模RFI抗扰性以及诸如天线将共模信号注入系统的这种电缆的外导体的操作的负面影响。还经常使用无源无线传感器监测电力资产中高压导体的温度。无源的无线表面声波(SAW)传感器受益于极低的本底噪声，并将受益于此类电缆改进的RFI抗扰性。硅RFID传感器受益于无需接触即可激励RFID元件的高效发射器功率。

同轴电缆也不适合在传感器接口内使用多种传感器，也不能在天线内使用多个馈电点。

发明内容

在一个实施例中，一种用于电力资产的传感器系统包括：传感器仪器，能够耦合到与电力资产相关联的传感器，以从传感器接收传感器信号；以及天线连接电缆，耦合到传感器仪器。天线连接电缆包括：电缆护套；以及多个双绞线信号载体，包含在电缆护套内以传送从电力资产接收的传感器信号。多个双绞线信号载体的第一子集传送天线信号，并且多个双绞线信号载体的第二独立子集传送用于局部放电监测的信号。

实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。传感器系统中双绞线信号载体的第一子集包括外部仪器和电力资产的天线之间的平衡射频天线信号。传感器系统中双绞线信号载体的第一子集传送允许外部仪器与电力资产的天线之间进行分集天线操作的信号。传感器系统中双绞线信号载体的第一子集的每个信号载体在外部仪器和电力资产的天线的不同馈电点之间传送信号。传感器系统中双绞线信号载体的第一子集的每个信号载体在外部仪器与针对电力资产的天线馈送不同频带的天线之间传送信号。传感器系统中双绞线信号载体的第一子集的每个信号载体在外部仪器和电力资产的天线之间传送具有不同极化的信号。传感器系统中双绞线信号载体的第一子集的每个信号载体使用电力资产的天线的不同谐振来传送信号。传感器系统中双绞线信号载体的第一子集的每个信号载体传送来自用于电力资产的天线的不同类型辐射器的信号。传感器系统中传感器仪器包括用于到电力资产的不同连接的不同类型的耦合器。传感器系统中双绞线信号载体的第二子集的至少一个双绞线传送来自电力资产的光电局部放电监测器的光电检测信号。传感器系统中双绞线信号载体的第二子集的至少一个双绞线传送来自电力资产的基于麦克风的局部放电监测器的音频信号。传感器系统中双绞线信号载体的第二子集的至少一个双绞线传送湿度信号。传感器系统中双绞线信号载体的第二子集的至少一个双绞线传送环境温度信号。

在另一实施例中，用于电力资产的天线包括耦合到传感器仪器的天线连接电缆。天线连接电缆包括：电缆护套；以及多个双绞线信号载体，其包含在电缆护套内以在电力资产和外部传感器接口之间传送传感器信号。多个双绞线信号载体的第一子集传送天线信号，并且多个双绞线信号载体的第二独立子集传送用于局部放电监测的信号。

实现方式可以包括以下一个或多个特征。该天线可以与用于电力资产的传感器系统一起使用，该传感器系统包括用于电力资产的环境信号和局部放电监测中的至少一个的至少一个集成传感器，所述至少一个集成传感器与所述双绞线中的至少一个双绞线连接。集成传感器还包括湿度或环境温度传感器，并且天线连接电缆在多个双绞线信号载体的第二独立子集的各个双绞线上传送湿度或环境温度传感器的湿度或环境温度信号。天线其中在双绞线信号载体的第二子集的至少一个双绞线传送来自电力资产的光电局部放电监测器的光电检测信号。天线其中双绞线信号载体的第二子集的至少一个双绞线传送来自电力资产的基于麦克风的局部放电监测器的音频信号。该天线还包括用于电力资产的传感器系统，包括用于电力资产的环境信号和局部放电监测中的至少一个的至少一个集成传感器，该至少一个集成传感器使用耦合到至少一个双绞线的至少一个天线元件进行无线通信。天线中双绞线信号载体的第一子集包括用于电力资产的天线的平衡射频天线信号。

在另一实施例中，一种监测电力资产的局部放电的方法包括：在具有多个双绞线信号载体的多对屏蔽双绞线电缆上接收局部放电信号。接收包括在多个双绞线信号载体的第一子集上接收局部放电射频发射信号。监测方法还包括在多个双绞线信号载体的第二个独立子集上传输控制信号并接收用于局部放电监测的传感器信号。

实现方式可以包括一种方法，其中传输天线信号还包括：传输用于电力资产的天线的平衡射频天线信号，以允许电力资产的天线的分集天线操作。

附图说明

图1A是实践了本发明的实施例的屏蔽双绞线电缆的剖视图。

图1B是实践了本发明的实施例的另一屏蔽双绞线电缆的剖视图。

图2是示出各种电缆的功率/频率曲线的图。

图3是根据本发明的实施例的传感器系统的图。

图4是根据本发明的另一实施例的系统的局部电路图。

图5是根据本发明的另一实施例的系统的局部电路图。

图6是根据本发明的另一实施例的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了多对屏蔽双绞线(STP)电缆以及传感器套件，该传感器套件用于监测经由天线信号询问的传感器以及用于通过天线信号或通过导电耦合传感器对电力资产进行局部放电监测。传感器套件可以包括射频天线信号，包括使用多个馈电点、不同的极化等。传感器套件还可以包括局部放电检测传感器，诸如紫外线光电二极管和/或超声麦克风。所有信号都以单个多对STP捆绑进行传送。天线信号可以针对甚高频(VHF)或超高频(UHF)局部放电检测进行无源监测，或者可以是用于询问传感器套件中的无源无线传感器的收发器信号。

屏蔽双绞线(STP)电缆将良好的RFI抑制与不属于信号传输路径一部分的屏蔽组合。这与同轴电缆形成对比。此外，STP电缆的信号损耗比类似横截面的典型低损耗同轴电缆小。多STP电缆中双绞线之间的串扰也很小。在不是传输路径一部分的屏蔽内提供低损耗和平衡信号的STP的示例仅通过举例而非限制地包括CAT7A和更好的STP电缆。

STP电缆允许在单根电缆中使用多个独立的信号，而同轴电缆无法使用。通过单根电缆提供多个射频(RF)和宽带信号的能力改善了采用此类电缆的系统中的局部放电分析。

STP电缆提供超过1GHz的传输带宽，损耗为433MHz，这比相当的每个信号横截面的低损耗同轴电缆低10％以上。降低的损耗为小信号检测提供了更好的噪声系数和更好的灵敏度。在给定的传导功率限制下，它们还提供增加的辐射功率，并为无源无线传感器提供更好的读取范围。即使在不使用屏蔽的情况下，在使用双绞线布线的电缆的仪器侧使用巴伦变压器(balun transformers)可提供平衡线路，从而显著降低共模干扰。使用不是传输电路一部分的屏蔽可进一步改善共模干扰的降低。

相对较低的屏蔽双绞线电缆损耗还可以为无线电接收器提供更低的噪声系数(NF)和更高的灵敏度，在给定的传导功率限制下提供更高的有效辐射功率(ERP)，降低电缆的杂散发射水平，增进读取范围，以及为硅RFID提供更好的询问可靠性。

屏蔽双绞线电缆允许密集收集多种信号类型，包括无线电发射器、无线电接收器、单静态和双静态无线电收发器、模拟信号和数字信号。

图1A是示出多对STP电缆100的方框图，示出了非屏蔽双绞线104、106、108和110，并具有外箔电缆屏蔽102。这种多双绞线电缆被称为F/UTP(箔外/非屏蔽双绞线)电缆。CAT8/8.1电缆通常使用F/UTP构造。

图1B是多对STP电缆150的方框图，示出了双绞线154、156、158和160，其分别具有箔屏蔽155、157、159、161，并且具有外编织电缆屏蔽152。这种多双绞线电缆称为S/FTP(编织屏蔽外层/箔屏蔽双绞线)电缆。外屏蔽为箔的电缆有时称为F/FTP。CAT7A和CAT8.2电缆通常使用S/FTP构造或F/FTP构造。每种电缆类型均适用于本发明的实施例，前提是电缆的总体水平为CAT7A或更高。S/FTP电缆有望更好地屏蔽线对之间的串扰，并提供线对之间的保护，以免受某些能量有限的高压瞬变影响，诸如静电放电和电快速瞬变。

在本发明的一个实施例中，这种多对STP电缆允许用于诸如电力资产之类的资产的天线使用单根电缆，同时在天线连接电缆内提供分集天线操作。这极大地简化了传感器套件的安装并减少了接线错误。在一个实施例中，这种分集天线操作包括使用多个独立连接的馈电点。在一个实施例中，通过使不同的馈电点访问频谱的不同部分，这类多个馈电点允许改善整体带宽。可替代地，多对的多对STP可以用于驱动不同极化的电磁波，从而提供分集特性来克服金属封闭的电力资产中常见的驻波零点。在又一实施例中，一对或多对STP电缆可用于传送用于局部放电监测的替代信号，诸如超声传感器信号的紫外光电二极管信号。这类附加信号允许在诸如局部放电监测之类的某些应用中使用更完整的传感器套件，所有这些都在单根电缆内。在又一实施例中，一对或多对STP电缆可用于传送替代信号以监测环境条件，诸如空气温度和湿度。

使用具有多个双绞线的STP电缆可以使替代传感器信号与天线电气隔离。STP具有非常好的电磁兼容性。因此，在某些应用中需要的线对线保护可以降低到STP水平，或甚至消除。此外，在一个实施例中，线对地共模电涌要求也降低到在诸如IEC61000-6-5之类的标准中的不对称线的要求的一半。

图2是示出了CAT7A、CAT8和同轴LMR-100电缆的功率与频率的关系的图表200。曲线202示出了CAT7A STP布线的性能。曲线204示出了CAT8 STP布线的性能。曲线206示出了LMR-100同轴电缆的性能。曲线208和210分别示出了CAT8和LMR-100电缆的功率。为了提高性能，长度为10米的CAT7A电缆在433MHz下的损耗比LMR-100同轴电缆低1dB，而在1600MHz下的损耗比LMR-100同轴电缆低2dB。CAT8电缆的性能与CAT7A电缆相似，但可在2GHz或更高的频率下进行操作。在RF下从外部平衡线转换为典型的电子电路的不平衡线(诸如用巴伦)可减少到电路中的共模传导干扰或离开电路的不必要的共模发射。

在图3中以方框图形式示出了用于电力资产的传感器系统300。在一个实施例中，系统300包括：传感器仪器302，其可耦合到与电力资产360相关联、放置在电力资产360内或固定在电力资产360上的传感器，以从其接收传感器信号；以及天线连接电缆304，其耦合到传感器仪器302和天线320。在一个实施例中，天线连接电缆304包括电缆护套306，以及包含在电缆护套306内的多个双绞线信号载体308。在一个实施例中，护套与电力资产和仪器的金属接地导电耦合。双绞线信号载体308传送传输到电力资产或从电力资产接收的传感器信号。在一个实施例中，电缆304使用CAT6A或类似的以太网连接器310耦合到传感器接口。传感器仪器302可使用合适的连接器312耦合到至少一个电力资产或来自电力资产的各种信号。

优选地，天线320包括天线或天线阵列，并且导电连接的传感器被集成到天线或天线阵列中。可选地，导电耦合的传感器可以连接到连接器312。可选地，由通过天线元件314传输的信号来询问测量电气资产360性质的无源无线传感器340，其中由天线元件314接收询问的结果。当传输和接收同时发生时，与典型的RFID系统一样，收发器是单静态的。当传输结束并且在延迟后发生接收时，与典型的雷达系统和无源SAW传感器一样，收发器是双静态的。可选地，至少一个无源无线传感器341嵌入天线320内。可选地，传感器仪器内的仅接收功能通过双绞线耦合到天线元件316，该天线元件监测来自电力资产360内的局部放电电弧350的无线电发射。

在一个实施例中，电缆304在其中具有四个双绞线308。由四个双绞线传送的信号的配置可以采用各种配置。在一个实施例中，包含在电缆护套内的双绞线信号载体传送传输到电力资产或从电力资产接收的传感器信号。双绞线信号载体的子集传送用于分集天线操作的信号。在一个实施例中，两对双绞线用于传送来自两个不同馈电的、用于不同极化或频带的信号，并且用于分集天线配置。在一个实施例中，双绞线信号载体的第一子集传送诸如用于天线功能的天线信号。第一子集内的双绞线接收信号并且可以可选地传输信号。一些接收到的信号可能与电力资产内局部放电的射频检测有关，而其他信号可能与传感器系统中的传感器有关。多个双绞线信号载体的可选的第二独立子集传送用于替代的局部放电监测的信号。这些天线连接可以通过接收来自天线馈电点的信号来提供局部放电监测，或者可以通过传输询问信号来询问无源无线传感器并接收询问响应。在该实施例中，剩余的两个双绞线信号载体传送用于局部放电监测的替代信号。替代局部放电监测信号可以包括来自各种局部放电监测传感器的信号，诸如紫外光电二极管和超声波麦克风，以监测局部放电事件或提供增加的频率或空间分集的附加天线元件。为了提供阻抗的适当匹配和与例如放电或其他干扰事件的隔离，也可以采用适当的匹配和保护电路，如本领域普通技术人员将认识和理解。

在另一实施例中，用于电力资产的天线是用于电力资产的传感器系统的一部分，该传感器系统具有耦合到天线信号的多个传感器，并进一步将用于电力资产的局部放电监测的信号传输到将天线耦合到传感器系统的传感器仪器的电缆上。传感器仪器可耦合到天线以从其接收传感器信号。

图4示出了诸如以上关于图3所描述的系统400的示例，其具有经由多对STP电缆406连接的天线侧402和仪器侧404。连接器408和410分别将电缆406耦合到天线侧和仪器侧。在一个实施例中，如上所述，采用具有附加传感器连接的天线，诸如天线320。在另一实施例中，导电耦合的传感器被包围在天线402内。

在图4的实施例中，两个超高频RF信道412、414各自耦合到电缆406的双绞线以用于UHF天线活动。这些信道可以具有用于分集天线操作的不同的馈电点、不同的极化或不同频带，或者可以起到不同的作用。在图4中，天线元件412传输和接收用于无源无线传感器340的询问信号，该无源无线传感器可以是SAW传感器、RFID传感器或其他传感器，而天线元件414无源地检测来自局部放电电弧350的UHF发射。信道通过合适的平衡和保护电路424在仪器侧404处得以平衡和隔离。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以采用不同的平衡和保护方案。本领域普通技术人员已知这类平衡和保护方案，并且本文中不再进一步描述。

同样在图4中，信道416将紫外光电二极管传感器420耦合到电缆406的第三双绞线。信道418将超声麦克风(例如，微机电“MEMS”传感器)422耦合到电缆406的第四双绞线。在该实施例中，信道416和418被用于通过光电二极管420和麦克风422进行局部放电监测。对于局部放电检测/监测元件采用适当的匹配和保护电路426。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以采用不同的平衡和保护方案。本领域普通技术人员已知这类平衡和保护方案，并且本文中不再进一步描述。

图5示出了使用诸如以上相对于图1至图2所描述的电缆的系统600的示例，其具有较长的用于连接电气资产的STP电缆(大约100-200米的量级)，该电气资产采用局部距离监测，但是不能在本地放置电子器件和仪表板。在如图6所示的示例中，工业防爆要求可能会给定位有源设备带来异常的成本负担。图5的实施例提供了两个转换器，位于电力资产处的发送单元602和位于读取器附近的接收单元604。每个单元602、604具有三个RF端口606、608。接收单元604使用DC电源，并通过UL/ATEX(保险商实验室/易爆环境)额定屏障将电力传输到远程发送单元602。在RF端口606、608和经由适当的连接器611(在一个实施例中，为RJ-45连接器)连接的屏蔽双绞线(STP)链路电缆610之间提供了防爆接口。发送单元602将DC电源提供给RF前置放大器612(示出了一个)，放大通过RF端口606从资产接收的部分放电信号，以减轻STP链路电缆610上的电缆损耗，并用巴伦614进行平衡。利用20dB增益前置放大器，使用接收器604处的衰减器616(示出一个)，电缆610可以延伸到长达200米的长度(假设衰减为0.1dB/m)，以将净增益平衡到0dB。

在另一实施例中，一种监测电力资产的方法包括在具有多个双绞线信号载体的多对屏蔽双绞线电缆上传输和接收射频天线信号并接收局部放电信号。传输和接收包括在多个双绞线信号载体的第一子集上传输来自仪器的用于天线的信号，同时在仪器处在相同多个双绞线信号载体上从天线接收来自传感器的返回信号。接收还包括在仪器处在多个双绞线信号载体的第二独立子集上从天线接收用于局部放电监测的信号。可选地，同一天线元件和双绞线可以在某些时候传输和接收信号以测量传感器，而在其他时候无源接收与局部放电有关的无线电信号。

图6是用于监测电力资产的方法700的流程图。该方法按顺序执行任务710“测量无源传感器”、720“无线监测局部放电”和730“监测导电耦合传感器”中的一项或多项。任务710具有：步骤711在双绞线上传输射频询问信号，步骤712从天线元件辐射询问信号，步骤713从传感器反射响应信号，步骤714通过天线接收响应信号，以及步骤715在双绞线上接收响应信号。任务720具有：步骤721，其中发生局部放电电弧并发射无线电波；步骤724，其中天线接收局部放电信号；以及725，其中仪器在双绞线上接收局部放电信号。任务730具有：步骤731用以可选地传输询问命令；以及735用以在双绞线上接收传感器值。对于不断发送测量量的模拟传感器或对于不需要询问命令的数字设备，则不需要步骤731。询问的传感器可能会测量紫外线或伴随无线电波发射的局部放电的超声波发射，或者可能会测量湿度或其他操作和环境条件。

在一个实施例中，传输用于天线的信号还包括将平衡射频天线信号从仪器传输到电力资产的天线，以允许用于电力资产的天线的分集天线操作。传输允许分集天线操作的信号可以包括：使用电力资产的天线或天线阵列的多个馈电点来传输信号；传输来自针对电力资产的天线具有不同频带的多个馈电点的信号；传输来自针对电力资产的天线或天线阵列具有不同极化的多个馈电点的信号，使用电力资产的天线的不同谐振来传输信号，传输来自电力资产的天线的不同类型的辐射器的信号等。在一个实施例中，来自仪器的传输信号询问无源无线传感器。然后接收来自此类传感器的返回信号，并将其返回到仪器。

在一个实施例中，接收用于局部放电无线监测的信号还包括由仪器从电力资产的天线的元件接收平衡射频天线信号，以允许电力资产的天线的分集天线操作。接收允许分集天线操作的信号可以包括：使用电力资产的天线或天线阵列的多个馈电点来接收信号；从针对电力资产的天线的具有不同频带的多个馈电点接收信号；从针对电力资产的天线或天线阵列具有不同极化的多个馈电点接收信号；使用电力资产的天线的不同谐振来接收信号；从用于电力资产的天线的不同类型的辐射器接收信号等。这类询问可以与传输和接收无源传感器信号进行时间交织，或者可以发生在电缆的不同且独立的双绞线上。

可以在多个双绞线信号载体的第二子集上传输的局部放电控制信号和可以在其上接收的传感器信号仅作为示例而非限制地包括来自电力资产的光电局部放电监测器的光电检测信号，和/或来自电力资产的基于麦克风的局部放电监测器的音频信号。多个双绞线信号载体的第二子集的其他双绞线可以传输温度和湿度信号。

尽管已经具体地描述了本实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。尽管已经以针对特定环境、结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应该理解，所附权利要求书中定义的主题不限于已被法院裁定的上述环境、特定特征或动作。更确切而言，上述环境、特定特征和动作被公开为实现权利要求的示例形式。

前面的讨论针对第一和第二子集，并且对于读者来说显而易见的是，讨论的顺序是无关紧要的。在以上讨论和以下权利要求中，在该段落的背景下讨论的第一子集是“第一子集”，此后，当在段落或权利要求中出现时都以子集进行描述。