張夢(mèng)炎,文 博
(1.中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430000;2.武漢理工大學(xué),湖北 武漢 430070)
電纜附件缺陷是電纜故障的重要原因,對(duì)于長(zhǎng)距離輸電的電纜勢(shì)必需要較多的中間接頭將各部分電纜連接在一起[1]。而中間接頭的制作工藝要求高,一旦不合格就會(huì)產(chǎn)生寄生電阻、電感和電容,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行就會(huì)導(dǎo)致中間接頭的故障[2-3]。目前大部分故障的表現(xiàn)形式為溫度的變化。因此設(shè)計(jì)電力電纜中間接頭的測(cè)溫系統(tǒng)是十分必要的。同時(shí),由于電力電纜的中間接頭的輸出功率不高,因此測(cè)溫系統(tǒng)的低功耗也是十分重要的指標(biāo)。
為解決上述問題,本文擬采用有限元法[4-6]進(jìn)行接頭溫度場(chǎng)的計(jì)算,對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步仿真分析。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)低功耗電力電纜中間接頭主系統(tǒng)[7-8]。按照主系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,分別完成硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì),最終制作實(shí)物裝置進(jìn)行測(cè)試[9]。測(cè)試結(jié)果較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
對(duì)電力電纜中間接頭溫度的計(jì)算可以確定測(cè)溫系統(tǒng)的溫度傳感器測(cè)溫范圍、估算導(dǎo)體溫度和確定高溫報(bào)警值。中間接頭的溫度場(chǎng)求解將以有限元計(jì)算軟件COMSOL為工具,計(jì)算在不同運(yùn)行工況下,中間接頭的溫度分布情況。電力電纜中間接頭溫度特性決定了后續(xù)系統(tǒng)的初值設(shè)定。
測(cè)溫系統(tǒng)需要對(duì)中間接頭的表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),因此很有必要研究在不同運(yùn)行條件下表面溫度的變化范圍,為溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
接頭表面溫度在不同的運(yùn)行條件下呈現(xiàn)一定范圍內(nèi)的波動(dòng),在接頭結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)確定的情況下,具體數(shù)值由接頭流通電流值以及環(huán)境溫度兩方面因素決定。電流越大,環(huán)境溫度越高,接頭的表面溫度也越高。對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)而言,主要需要兩個(gè)數(shù)據(jù):1)電纜額定運(yùn)行時(shí)的接頭表面溫度,以確定溫度傳感器的主要工作溫度區(qū)間;2)電纜接頭表面最高工作溫度,以確定溫度傳感器的測(cè)溫上限值。確定了這兩個(gè)數(shù)據(jù),也就確定了溫度傳感器的測(cè)溫范圍。下面分析兩種額定邊界條件下對(duì)電力電纜中間接頭溫升的計(jì)算。
1.1.1 邊界條件25?C空氣、415 A電流
將邊界條件設(shè)置為25?C空氣、415 A電流,這種計(jì)算條件模擬接頭額定運(yùn)行的情況,結(jié)果如圖1、圖2所示。
圖1 穩(wěn)態(tài)分布圖
圖2 徑向溫度變化曲線
由圖可知,在這種條件下接頭的導(dǎo)體溫度約為68.1?C。熱量由里向外傳遞的過程中,由于各層結(jié)構(gòu)的參數(shù)不同,因此各層的溫度變化速率不等,最終傳遞到外表面的溫度為44.8?C,并與外界25?C空氣發(fā)生自然對(duì)流。因此,45?C可以認(rèn)為是接頭表面的主要工作溫度。
1.1.2 邊界條件40?C空氣、250?C導(dǎo)體
將邊界條件設(shè)置為40?C空氣、250?C導(dǎo)體,這種情況模擬了在電力電纜短路故障時(shí)允許的導(dǎo)體最高溫度,計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。
圖3 穩(wěn)態(tài)分布圖
圖4 徑向溫度變化曲線
可見,在短路情況下,外表面溫度約為136.4?C,此即為接頭表面溫度的最高值。從容納一定裕度的角度考慮,溫度傳感器的測(cè)溫上限取150?C為佳。由于溫度傳感器還需測(cè)量環(huán)境溫度,可取測(cè)溫下限為-30?C。綜合以上分析,取溫度傳感器測(cè)溫范圍為-30~150?C,即可保證電力電纜中間接頭溫度的全段檢測(cè)。
一個(gè)完善的測(cè)溫系統(tǒng)需要建立起一套故障判斷依據(jù),以便對(duì)接頭故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警。GB/T 12706.2—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:XLPE電纜在正常工作下導(dǎo)體最高溫度為90?C,因此超過90?C即可視為故障。由于導(dǎo)體溫度不易檢測(cè),因此本文采用以外部溫升估算內(nèi)部導(dǎo)體溫度的方法確定溫度告警值。
1.2.1 電力電纜表面溫度測(cè)定分析
接頭的表面溫度和環(huán)境溫度都易于檢測(cè),因此可將導(dǎo)體溫度為90?C時(shí)的接頭表面溫度定為高溫報(bào)警值的大小,當(dāng)測(cè)得表面溫度超過該值時(shí),導(dǎo)體溫度必定高于90?C,此時(shí)便是故障狀態(tài)。
90?C的導(dǎo)體可以通過調(diào)整電流大小的方式得到。以40?C空氣為例,導(dǎo)體90?C時(shí)的接頭穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖5、圖6所示。
圖5 穩(wěn)態(tài)分布圖
圖6 徑向溫度變化曲線
由圖可知,在40?C空氣環(huán)境下,接頭表面溫度約為62.94?C。計(jì)算方式不變的情況下,僅改變環(huán)境溫度,即可計(jì)算出不同的接頭表面溫度值。取高溫報(bào)警值比對(duì)應(yīng)的接頭表面溫度高一點(diǎn)即可。
1.2.2 內(nèi)部導(dǎo)體溫度告警值估算方法
導(dǎo)體溫度難以直接測(cè)量,因此本文采用估算的方法,利用導(dǎo)體表面溫度來(lái)對(duì)內(nèi)部導(dǎo)體的溫度進(jìn)行估算。
本文將從溫度場(chǎng)計(jì)算的角度解決導(dǎo)體溫度估算的問題。設(shè)導(dǎo)體流過的電流為I,環(huán)境溫度為x,表面溫度為y,導(dǎo)體溫度為z。導(dǎo)體溫度和表面溫度都是由內(nèi)部的熱源和環(huán)境溫度共同決定的,而熱源由電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生。因此在電流大小和環(huán)境溫度已知的情況下,導(dǎo)體溫度和表面溫度都是確定的,它們之間必定存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式為
若能通過選取幾個(gè)電流和環(huán)境溫度的樣本值,通過溫度場(chǎng)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體溫度和表面溫度,再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,擬合出函數(shù)關(guān)系式
那么便可根據(jù)傳感器所檢測(cè)的環(huán)境溫度和表面溫度數(shù)據(jù),計(jì)算出對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體溫度值。導(dǎo)體溫度估算流程如圖7所示。
圖7 導(dǎo)體溫度估算流程
本文根據(jù)IEC61850《變電站網(wǎng)絡(luò)與通信協(xié)議》標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱IEC61850)提出變電站內(nèi)信息分層的概念,將變電站的通信體系劃分成過程層、間隔層和站控層三部分。設(shè)計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)主要由測(cè)溫終端、匯聚終端和監(jiān)測(cè)站三部分組成,構(gòu)成分層管理通訊系統(tǒng),其中測(cè)溫終端與匯聚終端間采用無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。測(cè)溫終端與匯聚終端協(xié)調(diào)合作,服從監(jiān)測(cè)站的統(tǒng)一調(diào)度,從而實(shí)現(xiàn)中間接頭溫度的全方位監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
測(cè)溫終端位于過程層,安裝于電纜中間接頭處,因此測(cè)溫終端的取電較為困難,是測(cè)溫系統(tǒng)真正需要實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的部分。測(cè)溫終端需采集溫度數(shù)據(jù),之后將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚終端,同時(shí)接收匯聚終端的控制信號(hào)。
據(jù)此設(shè)計(jì)測(cè)溫終端主要由控制器、無(wú)線通訊電路、溫度傳感器及電源組成,其結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 測(cè)溫終端結(jié)構(gòu)
匯聚終端位于間隔層,安裝于弱電井或電纜井內(nèi),取電方式將變得簡(jiǎn)單。匯聚終端需要完成數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警、通訊等功能。根據(jù)這個(gè)要求,設(shè)計(jì)匯聚終端的結(jié)構(gòu)如圖10所示。
圖10 匯聚終端結(jié)構(gòu)
監(jiān)測(cè)站位于站控層內(nèi),主要由計(jì)算機(jī)組成,它的主要任務(wù)是:通過網(wǎng)絡(luò)匯總測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息;在線修改匯聚終端、測(cè)溫終端等相關(guān)工作參數(shù);將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送往電網(wǎng)調(diào)度或控制中心;接收電網(wǎng)調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)匯聚終端、測(cè)溫終端執(zhí)行。
電力電纜中間接頭測(cè)溫系統(tǒng)需要完成溫度的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的傳輸與記錄、故障情況下的報(bào)警等功能,而硬件設(shè)計(jì)就是這些功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。由于監(jiān)測(cè)站通過相應(yīng)軟件便可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能,因此硬件設(shè)計(jì)主要分測(cè)溫終端和匯聚終端兩部分進(jìn)行。在前述溫度場(chǎng)計(jì)算工作的基礎(chǔ)上,測(cè)溫終端將以低功耗為設(shè)計(jì)核心,為供電電源減負(fù);匯聚終端則注重于性能的提升,確保系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。
電源電路是測(cè)溫終端工作的基礎(chǔ)。要求承受較寬的輸入電壓,以適應(yīng)多種供電方式的需要,同時(shí)還需保證恒定電壓的輸出。為盡量降低功耗,測(cè)溫終端將以3.3 V作為主要工作電壓,設(shè)計(jì)電源電路如圖11所示。
圖11 電源電路
溫度傳感器是測(cè)溫終端重要的器件。在前述溫度場(chǎng)計(jì)算工作中已確定溫度傳感器的測(cè)溫范圍需為-30~150?C,這便是其重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)三線制PT100溫度傳感器工作電路如圖12所示。
圖12 PT100工作電路
匯聚終端安裝在電纜井或弱電井內(nèi),安裝環(huán)境內(nèi)就存在著交流220 V市電,取電變得非常簡(jiǎn)單。如選用一個(gè)電源適配器,即可解決匯聚終端的供電問題。
與測(cè)溫終端不同,匯聚終端的功能器件非常多,所選用的芯片不一定都支持同一個(gè)工作電平。為了提高匯聚終端的電平兼容性,有必要設(shè)計(jì)多種工作電平轉(zhuǎn)換電路,供不同器件使用。目前低壓硬件系統(tǒng)常用的電壓等級(jí)主要有:12 V、5 V以及3.3 V,故設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路如圖13、圖14所示。
圖13 12 V轉(zhuǎn)5 V電平電路
圖14 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電平電路
電平轉(zhuǎn)換電路采用逐級(jí)變壓的方法,利用1個(gè)電源適配器、2個(gè)穩(wěn)壓器及其外圍電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。首先,DC-10B為AC-220V轉(zhuǎn)DC-12V的電源適配器插口,通過適配器即可獲得12 V直流電壓。LM2576S-5.0為降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器,當(dāng)輸入電壓在7~40 V范圍內(nèi)時(shí)可恒定輸出5 V電壓,并保證5%的可靠精度。5 V轉(zhuǎn)3.3 V電平電路中采用與測(cè)溫終端相同的穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3,電路也大體一致,與測(cè)溫終端不同的是,考慮到匯聚終端的供電設(shè)備更多,在3.3 V輸出端并聯(lián)多個(gè)小電容作為去耦電容,起著高頻濾波、降低等效阻抗、提高線路可靠性的作用。
軟件設(shè)計(jì)方面,針對(duì)CC1101開放式通訊協(xié)議的特點(diǎn),本文首先進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)的設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)時(shí)同樣以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫終端的低功耗為目標(biāo);在無(wú)線組網(wǎng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出測(cè)溫終端和匯聚終端的主程序工作流程;針對(duì)測(cè)溫終端溫度傳感器的測(cè)溫特點(diǎn),推導(dǎo)出控制器處理的數(shù)字量與測(cè)量溫度值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,給出測(cè)溫終端數(shù)據(jù)處理流程。最后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試,檢驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況,根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)開展功耗分析工作,驗(yàn)證系統(tǒng)的功耗性能。
根據(jù)無(wú)線組網(wǎng)中的分時(shí)處理過程可知,測(cè)溫終端在開始工作時(shí)需要先進(jìn)入接收模式,以查詢系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行于哪一時(shí)隙,確定等待時(shí)間,之后才正式進(jìn)入周期工作環(huán)節(jié)。故設(shè)計(jì)測(cè)溫終端的主程序流程如圖15所示。
圖15 測(cè)溫終端主程序流程
測(cè)溫終端接入網(wǎng)絡(luò)后,首先進(jìn)入接收模式,接收匯聚終端的查詢信號(hào)。根據(jù)查詢信號(hào)中的測(cè)溫終端地址信息,計(jì)算出等待時(shí)間,然后根據(jù)該等待時(shí)間配置睡眠模式并進(jìn)入睡眠狀態(tài),喚醒后正式進(jìn)入周期工作環(huán)節(jié)。
周期工作環(huán)節(jié)中,配置定時(shí)器為1 個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度并啟動(dòng),然后進(jìn)入接收模式接收匯聚終端的查詢信號(hào)并進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)主要從地址、信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及CRC 三部分進(jìn)行,校驗(yàn)通過則采集溫度信息并發(fā)送應(yīng)答信號(hào),若校驗(yàn)失敗則進(jìn)行相關(guān)的故障記錄。睡眠時(shí)間配置為1 幀與1 個(gè)時(shí)隙之差,最后等待定時(shí)器定時(shí)結(jié)束便切換到睡眠狀態(tài)進(jìn)入睡眠,時(shí)間一到自動(dòng)喚醒,繼續(xù)設(shè)置定時(shí)器并接收新的查詢信號(hào),如此循環(huán)。
匯聚終端需要實(shí)現(xiàn)的功能較多,主要包括有與測(cè)溫終端的無(wú)線通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、屏幕顯示、高溫報(bào)警等。與測(cè)溫終端不同,匯聚終端是整個(gè)無(wú)線組網(wǎng)的發(fā)起者與管理者,控制著工作時(shí)隙的切換,因此匯聚終端無(wú)需判斷當(dāng)前工作時(shí)隙,它將一直處于周期性工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)匯聚終端主程序流程圖如圖16所示。
圖16 匯聚終端主程序流程圖
初始化時(shí),匯聚終端首先啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行時(shí)隙長(zhǎng)度設(shè)定,之后進(jìn)入發(fā)送模式配置好相關(guān)數(shù)據(jù)后發(fā)送查詢信號(hào),然后切換到接收模式等待應(yīng)答信號(hào)。若接收失敗則進(jìn)行故障記錄,接收成功則保存數(shù)據(jù)并更新屏幕顯示,同時(shí)通過通訊接口將數(shù)據(jù)進(jìn)一步上傳至監(jiān)測(cè)站。之后根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷是否超過高溫報(bào)警值,若判斷成立則啟動(dòng)報(bào)警電路。最后等待時(shí)隙結(jié)束后切換到下一個(gè)測(cè)溫終端,如此循環(huán)工作。
測(cè)溫終端的功耗分析主要通過測(cè)量各工作模式下的電流和時(shí)間來(lái)完成。除睡眠模式外,測(cè)溫終端其它模式的工作時(shí)間都非常短,電流表無(wú)法穩(wěn)定顯示,在此以示波器作為檢測(cè)設(shè)備,在測(cè)溫終端的干路中串聯(lián)一個(gè)10 Ω的功率電阻,測(cè)量該功率電阻兩端電壓波形后,根據(jù)歐姆定律便可計(jì)算出對(duì)應(yīng)電流。測(cè)量方法如圖17所示。
圖17 測(cè)量方法原理圖
電源以輸出電壓為3.7 V的鋰電池代替,為減小測(cè)試等待時(shí)間,在此設(shè)定整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)中只有2個(gè)測(cè)溫終端參與工作,并設(shè)定測(cè)溫終端的時(shí)隙長(zhǎng)度為1 s(即工作周期為2 s),對(duì)某一測(cè)溫終端進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),得功率電阻兩端電壓的波形如圖18所示。
圖18 功率電阻兩端電壓波形
根據(jù)圖18所示電壓波形可知,測(cè)溫終端主要工作于5個(gè)模式。為深入分析,依歐姆定律計(jì)算出測(cè)溫終端的電流波形結(jié)構(gòu)如圖19所示。
圖19 測(cè)溫終端工作電流波形結(jié)構(gòu)
根據(jù)前文設(shè)計(jì)內(nèi)容,設(shè)計(jì)的低功耗電力電纜中間接頭測(cè)溫系統(tǒng)樣機(jī)如圖20所示。
圖20 低功耗測(cè)溫終端樣機(jī)
測(cè)溫終端采用防水塑料外殼設(shè)計(jì),尺寸為,體積小便于安裝。傳感器頭安裝于電纜接頭外表面,安裝時(shí)傳感器與電纜接頭表面貼緊,并采用導(dǎo)熱硅膠將傳感器覆蓋住,使電纜接頭表面熱量能均勻傳導(dǎo)至傳感器,如圖21所示。
圖21 傳感器安裝示意圖
匯聚終端采用金屬外殼包裝,天線則引出到殼體外,這樣可以將外殼進(jìn)行接地處理,同時(shí)抑制內(nèi)部電磁泄漏,屏蔽外界干擾。
系統(tǒng)的調(diào)試在國(guó)網(wǎng)某供電公司變電站內(nèi)進(jìn)行,調(diào)試對(duì)象為5 個(gè)測(cè)溫終端、1 個(gè)匯聚終端以及1 個(gè)監(jiān)測(cè)站,其中測(cè)溫終端安裝于10 kV 電纜中間接頭處,地址設(shè)為0~4。匯聚終端則安裝于弱電井內(nèi),監(jiān)測(cè)站則為計(jì)算機(jī)。安裝完畢掛網(wǎng)運(yùn)行后,匯聚終端的顯示情況如圖22所示。
圖22 詳細(xì)信息界面
匯聚終端的RS232接口與計(jì)算機(jī)連接,通過計(jì)算機(jī)上SecureCRT軟件,檢驗(yàn)匯聚終端與監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)通訊。軟件啟動(dòng)并配置串口信息后,經(jīng)過一段時(shí)間,計(jì)算機(jī)接收情況如圖23所示。
圖23 計(jì)算機(jī)接收情況
計(jì)算機(jī)上成功接收到匯聚終端發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù),并將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)打印,所有信息一覽無(wú)遺。根據(jù)通訊時(shí)間可以很清楚地看到匯聚終端與監(jiān)測(cè)站間進(jìn)行了多次通訊,每次通訊間隔為128 s,與所設(shè)置的工作周期相吻合,表明匯聚終端與監(jiān)測(cè)站通訊正常。
測(cè)溫精度方面,由于運(yùn)行環(huán)境的限制,現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精密測(cè)溫設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn),在此采用變電站內(nèi)FLUKE紅外測(cè)溫槍作為測(cè)溫準(zhǔn)確性檢測(cè)?,F(xiàn)場(chǎng)用紅外測(cè)溫槍測(cè)得環(huán)境溫度為19?C,各接頭溫度主要集中在39?C,與匯聚終端所顯示的溫度基本吻合。通訊距離方面,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明:在0 dBm發(fā)射功率下,無(wú)線通訊距離約為230 m,在10 dBm發(fā)射功率下則可達(dá)360 m,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。
本文通過對(duì)電力電纜中間接頭的溫度特性分析,給出了接頭處內(nèi)外溫度的近似關(guān)系,確定了告警溫度及相關(guān)數(shù)據(jù);給出了低功耗電力電纜中間接頭測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),最終完成了實(shí)物測(cè)試裝置,并對(duì)其進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)低功耗電力電纜中間接頭測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明測(cè)溫系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確地測(cè)量電力電纜中間接頭溫度,并可以實(shí)時(shí)反饋相應(yīng)信息,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。