感溫電纜電氣故障辨識(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙宏飛，戴晨榕，譚風(fēng)雷，何 瑜，單 哲，吳 彬，黃 聰

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

電氣火災(zāi)高居所有火災(zāi)比例之首，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)電氣火災(zāi)占比達(dá)到40%，重大火災(zāi)中電氣火災(zāi)占比高達(dá)70%以上。發(fā)電廠(chǎng)、變電站和換流站是電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生火災(zāi)將有可能引起停電事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。因此，感溫電纜作為火災(zāi)報(bào)警的測(cè)溫裝置已廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠(chǎng)和變電站電纜通道與可燃、易燃的設(shè)備報(bào)警系統(tǒng)中[1]。

感溫電纜又名線(xiàn)型感溫探測(cè)器[2]，數(shù)字型電纜已逐漸被模擬型感溫電纜所替代[3]。當(dāng)感溫電纜監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其監(jiān)測(cè)回路的電阻將隨之發(fā)生變化[4]，當(dāng)其溫度達(dá)到設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，單片機(jī)將通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。目前感溫電纜控制器僅能夠判斷感溫電纜是否有故障，但并不能具體辨識(shí)故障的種類(lèi)和短路故障的定位功能。基于此，本文以單片機(jī)為核心，以感溫電纜電壓為檢測(cè)參數(shù)，通過(guò)分壓原理計(jì)算感溫電纜回路電阻，實(shí)現(xiàn)感溫電纜短路故障和斷路故障的有效辨識(shí)，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，能對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位。

1 感溫電纜電氣故障辨識(shí)原理

1.1 感溫電纜特性

感溫電纜示意圖如圖1所示。感溫電纜為溫度敏感元件，例如JTW-LD-SF500/85A型感溫電纜由三根分別擠塑熱敏絕緣材料的導(dǎo)線(xiàn)絞合而成(其中一根起到增加機(jī)械強(qiáng)度作用)，能夠?qū)ρ刂浒惭b長(zhǎng)度范圍內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度變化進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)溫度上升至響應(yīng)值時(shí)，感溫電纜線(xiàn)芯間的阻值躍變。

圖1 感溫電纜示意圖

可恢復(fù)纜式線(xiàn)型定溫火災(zāi)探測(cè)器的感溫電纜線(xiàn)芯間具有高阻抗特性，其中每根柔性金屬導(dǎo)體外面的絕緣層是用一種特殊的NTC材料制成，當(dāng)感溫電纜受熱時(shí)，金屬導(dǎo)體外面的NTC材料由于熱效應(yīng)發(fā)生阻值變化，如圖2所示。

圖2 感溫電纜線(xiàn)芯間電阻與溫度曲線(xiàn)圖

1.2 電氣故障辨識(shí)原理

本系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖3所示。其中：R1為回路外加電阻；R2為終端盒內(nèi)電阻；R1，R2阻值已知，均為1 MΩ；R3，R4為感溫電纜線(xiàn)芯間電阻，阻值較大；Rx分別為兩根感溫電纜線(xiàn)芯電阻，阻值較小；U為供電電源，值為3.3 V；C0，C1為電壓測(cè)量引出點(diǎn)。

圖3 感溫電纜電氣故障辨識(shí)工作原理圖

由于Rx阻值遠(yuǎn)小于R3，R4，因此感溫電纜電阻可簡(jiǎn)化如圖4所示。圖4中：R5為感溫電纜線(xiàn)芯間等效電阻，阻值較大。

圖4 感溫電纜電氣故障辨識(shí)簡(jiǎn)化圖

(3)當(dāng)感溫電纜線(xiàn)芯間有短路時(shí)，假設(shè)a，b處短接，參考圖3，由于Rx阻值遠(yuǎn)小于R3，因此C0，C1之間的電壓差近似為0 V。

因此，根據(jù)分析結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)感溫電纜電氣故障種類(lèi)的辨識(shí)。

1.3 短路故障定位分析

由圖3可知，正常情況下，ADC通道采集的電壓值近似為施加到感溫電纜回路上電壓值的一半，為0.5U。如果兩根電纜線(xiàn)之間由于機(jī)械力破壞、老化等因素發(fā)生了短路，即兩根電纜直接構(gòu)成回路，使回路電阻值近似為感溫電纜自身構(gòu)成回路電阻值，C0，C1之間的電壓差近似為0 V。

由于兩根感溫電纜線(xiàn)芯電阻Rx較小，無(wú)法使用萬(wàn)用表精確測(cè)量，因此考慮采用如下電路進(jìn)行電阻測(cè)量。R6為1 kΩ的固定電阻，R7為0～500 kΩ的可變電阻，1 m的感溫電纜與故障電纜Rx串聯(lián)，a，b為電壓測(cè)量點(diǎn)。

圖5 感溫電纜回路電阻測(cè)量圖

2 電氣故障辨識(shí)系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，主要包括供電單元、采集單元、辨識(shí)模塊、聲光報(bào)警系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和通信模塊等組成，硬件系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 硬件系統(tǒng)組成部分

單片機(jī)采用STM32F103RCT6B芯片，該單片機(jī)自身最高主頻可達(dá)72 MHz，擁有豐富的輸入輸出接口和多個(gè)多通道ADC轉(zhuǎn)換模塊及SPI等通信接口模塊，其自身抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，具有豐富的運(yùn)算性能和控制接口。供電單元由兩節(jié)可充電的18650鋰電池組成，其輸出電壓可達(dá)7.2 V，經(jīng)穩(wěn)壓芯片為T(mén)PS76850和穩(wěn)壓芯片AMS1117，獲取穩(wěn)定的5.0 V和3.3 V直流電源，為微處理器、OLED顯示器、指示燈和測(cè)量接口供電。OLED液晶顯示屏型號(hào)為SSD1306，支持片選和復(fù)位信號(hào)，支持I2C和SPI串行通信協(xié)議，也支持休眠與喚醒。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的型號(hào)HC-05，支持UART通信協(xié)議，支持AT指令集設(shè)置傳輸波特率和主從模式等其他工作參數(shù)。

3 電氣故障辨識(shí)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及步驟

本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量電路采集感溫電纜兩端的電壓，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳遞到單片機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行下一步處理。感溫電纜辨識(shí)結(jié)果通過(guò)LED指示燈、顯示屏、蜂鳴器以及藍(lán)牙模塊傳遞到手機(jī)端進(jìn)行視覺(jué)化和聽(tīng)覺(jué)化的顯示，其工作過(guò)程如圖7所示。

圖7 工作流程圖

由圖7可以看出，本系統(tǒng)辨識(shí)過(guò)程主要包括以下五步驟。

(1)通過(guò)電壓測(cè)量接口與感溫電纜相連接，對(duì)感溫電纜的電壓進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。

(2)通過(guò)對(duì)采集電壓的采集、分析，判斷感溫電纜的狀態(tài)。

(4)感溫電纜發(fā)生斷路和短路故障均由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警，指示燈實(shí)現(xiàn)燈光報(bào)警。

(5)感溫電纜辨識(shí)結(jié)果通過(guò)液晶屏進(jìn)行狀態(tài)和參數(shù)顯示，同時(shí)辨識(shí)結(jié)果將通過(guò)藍(lán)牙輸送到手機(jī)端，進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

液晶屏顯示內(nèi)容主要包括感溫電纜狀態(tài)、端

口電壓和短路點(diǎn)位置。單片機(jī)程序中加入檢測(cè)濾波算法和干擾補(bǔ)償算法，進(jìn)一步提高檢測(cè)精準(zhǔn)度與儀器可靠程度，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

感溫電纜基本覆蓋了生產(chǎn)生活的各個(gè)行業(yè)，其在火災(zāi)報(bào)警中起著至關(guān)重要的作用。目前感溫電纜發(fā)生短路故障時(shí)，沒(méi)有短路故障定位功能，需要更換相關(guān)的所有電纜。本系統(tǒng)感溫電纜電氣故障辨識(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)斷路和短路故障的辨識(shí)功能，同時(shí)可以對(duì)短路故障進(jìn)行定位。

感溫電纜一旦發(fā)生短路故障，確定位置之后，僅需更換發(fā)生短路故障的部分，減少了全部更換感溫電纜時(shí)的資源浪費(fèi)。另外，本系統(tǒng)通用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用多種顯示和報(bào)警方式，設(shè)計(jì)成本低廉，為其在感溫電纜的廣泛應(yīng)用提供了一定的前提條件。