環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 夢 符兆倫

（三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞572022）

1 概述

環(huán)網(wǎng)柜是一組輸配電氣設(shè)備裝在金屬或非金屬絕緣柜體內(nèi)或做成拼裝間隔式環(huán)網(wǎng)供電單元的電氣設(shè)備，環(huán)網(wǎng)柜一般由開關(guān)室、斷路器室、操作機(jī)構(gòu)室和電纜室四部分組成。其中電纜室作為配電系統(tǒng)進(jìn)出線倉，主要負(fù)責(zé)柜體電纜接頭連接、保護(hù)功能。電力系統(tǒng)配電運(yùn)行過程中，由于接頭老化、負(fù)荷超載、施工質(zhì)量不足等原因，環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭容易發(fā)熱，導(dǎo)致電纜金具接頭加速氧化，嚴(yán)重時會引起電纜接頭爆炸、絕緣擊穿等危害，進(jìn)而造成大面積停電事故，使電力設(shè)備及周邊經(jīng)濟(jì)受到損失。

2 背景闡述

環(huán)網(wǎng)柜是實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)供電的關(guān)鍵設(shè)備，柜內(nèi)電纜倉采用“T型”電纜接頭進(jìn)行連接，隨著設(shè)備長時間運(yùn)行，電纜接頭存在一定老化情況。在運(yùn)行過程中，環(huán)網(wǎng)柜供電區(qū)域負(fù)荷較高，電纜接頭出現(xiàn)溫度過高情況，長時間運(yùn)行容易引發(fā)電纜接頭燒毀、損壞，嚴(yán)重時會引起環(huán)網(wǎng)柜爆炸等嚴(yán)重情況。日常工作中，電力系統(tǒng)運(yùn)維人員通過定期到場巡檢戶外環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度值、接頭老化情況、工作量較大、且工作效率較低，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時溫度監(jiān)測需求，也不能及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

電纜接頭運(yùn)行溫度監(jiān)測方法較多，常用方法有柜外紅外熱成像法、接觸式傳感測溫法、柜內(nèi)紅外測溫法等，以上方法均需要運(yùn)維人員到達(dá)環(huán)網(wǎng)柜現(xiàn)場，進(jìn)行人工操作檢測、記錄、分析，且檢測周期長、誤差大等問題。設(shè)計一套直接接觸式安裝于“T 型”電纜接頭后堵頭位置的溫度傳感器，接觸式獲取電纜接頭線芯運(yùn)行溫度，通過電流感應(yīng)模式隨著電纜接頭運(yùn)行而持續(xù)監(jiān)測溫度變化，實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計由三個部分組成，由安裝于環(huán)網(wǎng)柜“T 型”電纜接頭后堵頭位置的溫度傳感器直接獲取電纜接頭線芯運(yùn)行溫度，傳感器通過內(nèi)置ZigBee 無線通訊模式將溫度數(shù)據(jù)信號上傳至數(shù)據(jù)處理終端，數(shù)據(jù)處理終端將數(shù)據(jù)信號進(jìn)行預(yù)處理，一方面顯示于處理終端LED 顯示屏，另一方面通過4G 網(wǎng)絡(luò)信號將溫度數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺（如圖1）。

3.1 溫度傳感器設(shè)計

“T 型”電纜接頭是環(huán)網(wǎng)柜電纜倉重要組成部件，主要用于環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)、出線電纜連接柜體電器元件，實(shí)現(xiàn)上下游電源輸入與輸出連接。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.1.1“T 型”電纜接頭結(jié)構(gòu)

圖2

a.外半導(dǎo)電層：預(yù)制的EPDM 導(dǎo)電橡膠符合IEEE592 標(biāo)準(zhǔn)。b.絕緣層：特有配方和混合技術(shù)確保預(yù)制EPDM 絕緣橡膠的優(yōu)質(zhì)品質(zhì)。c.內(nèi)半導(dǎo)電層：預(yù)制的EPDM導(dǎo)電橡膠有效控制和分散電氣應(yīng)力。d.接地眼：預(yù)注到外半導(dǎo)電層中用于接地線的連接。e.應(yīng)力錐：不同尺寸的應(yīng)力錐配合T 型電纜接頭使用，能確保水密封以及電纜應(yīng)力釋放。f.壓接端子：全銅或銅鋁壓接端子適用于銅或鋁導(dǎo)體。g.絕緣塞：環(huán)氧樹脂絕緣塞內(nèi)含有帶螺紋金屬件可以確保與雙頭螺栓緊密配合。

3.1.2 溫度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過分析電纜接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計改造電纜接頭“絕緣塞”，將傳感器模塊、無線通訊模塊、電磁感應(yīng)模塊集成于“絕緣塞”內(nèi)，形成帶有溫度傳感監(jiān)測功能的新型“絕緣塞”，替代現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)柜“T 型”電纜接頭絕緣塞，實(shí)現(xiàn)電纜接頭溫度監(jiān)測功能。a.固定銅件；b.絕緣材料：選用特種橡膠材料；c.測溫電路板：溫度傳感器、ZigBee 無線模塊、電源模塊構(gòu)成；d.電容感應(yīng)罩：通過電磁感應(yīng)獲得啟動電源。

3.1.3 溫度傳感器工作原理

無源無線工作：10kV 環(huán)網(wǎng)柜在運(yùn)行過程中，電纜倉內(nèi)電源等級均為10kV 高壓電，無法直接獲取220V 等級電源，因此安裝于電纜接頭上的溫度傳感器無法獲得有效電源正常啟動。因此設(shè)計采用CT 感應(yīng)取能方式，通過監(jiān)測電纜線運(yùn)行電壓直接獲得可靠啟動電源，實(shí)現(xiàn)溫度傳感器無源無線工作模式。

圖3

ZigBee 無線通訊：ZigBee 是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，主要特色有低耗電、低成本、快速、可靠、安全等特性。溫度傳感器與數(shù)據(jù)處理終端通過集成ZigBee 通訊芯片，實(shí)現(xiàn)本地短距離可靠高效傳輸。

熱傳導(dǎo)獲取溫度：溫度傳感器直接安裝于“T 型”電纜接頭絕緣塞位置，直接與電纜銅件接觸，內(nèi)置NTC 熱敏電阻通過熱傳導(dǎo)模式直接獲取電纜銅件運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)，通過ZigBee 無線傳輸至數(shù)據(jù)處理終端。

3.1.4 溫度傳感器特點(diǎn)

免維護(hù)：由于高壓設(shè)備運(yùn)行后很難有機(jī)會停電檢修，因此終端的可靠性要求極高。且不需要日常的運(yùn)行維護(hù)也能穩(wěn)定運(yùn)行工作；無源取電：利用電磁場獲取能源，不需要額外的電源；由于電池存在著使用壽命受環(huán)境影響因素急劇減少，因此不能使用電池作為裝置的電源，采用電壓取電原理為溫度傳感器進(jìn)行供能；安裝簡便：將溫度傳感器直接替換現(xiàn)有電纜接頭絕緣塞，螺紋圈設(shè)計拆裝簡便高效。

3.2 數(shù)據(jù)處理終端設(shè)計

數(shù)據(jù)處理終端通過與溫度傳感器形成ZigBee 無線通訊網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至數(shù)據(jù)處理終端，通過內(nèi)置算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，按照安裝點(diǎn)位位置信息、溫度信息、信號強(qiáng)度信息等內(nèi)容顯示于LED 顯示屏之上，并通過4G 網(wǎng)絡(luò)將溫度數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

數(shù)據(jù)處理終端結(jié)構(gòu)設(shè)計:

ZigBee 無線通訊最大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可達(dá)65536 個節(jié)點(diǎn)，環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭數(shù)量最大僅有18 個節(jié)點(diǎn)，一套數(shù)據(jù)處理終端即可實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互傳輸。數(shù)據(jù)處理終端可安裝于環(huán)網(wǎng)柜自動化控制儀表倉內(nèi)，可直接獲得交流220V電源。a.設(shè)備電源接口：支持AC 220V 電源。b.RS-485 接口：支持?jǐn)?shù)據(jù)終端現(xiàn)場調(diào)試、數(shù)據(jù)備份等操作。c.按鍵區(qū)域：支持?jǐn)?shù)據(jù)終端本地歷史數(shù)據(jù)查閱、當(dāng)前數(shù)據(jù)查閱。d.SIM物聯(lián)卡插口：支持4G 網(wǎng)絡(luò)卡插拔、更換、維護(hù)等。e.4G 天線接口：支持4G 信號發(fā)射、接收，將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控管理平臺。f.RF天線接口：ZigBee 無線接收溫度傳感器的數(shù)據(jù)。g.LED 顯示屏：顯示管理終端個數(shù)、安裝環(huán)境溫度、軟件版本信息、TD-LTE 連接狀態(tài)和信號強(qiáng)度、終端安裝位置和溫度等。h.狀態(tài)指示燈：顯示4G 運(yùn)行狀態(tài)指示、溫度告警指示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指示。

圖4

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺設(shè)計

實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜“T 型”電纜接頭的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅需要溫度監(jiān)測硬件設(shè)備，還需設(shè)計一套集數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示、圖表分析、高溫告警、輔助決策于一體的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺。遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺收集展示各監(jiān)測環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度數(shù)據(jù)，通過可視化圖表直觀展示各監(jiān)測點(diǎn)溫度變化情況，電力系統(tǒng)運(yùn)維人員通過辦公室辦公電腦，通過B/S 模式訪問平臺，遠(yuǎn)程監(jiān)控各監(jiān)測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可進(jìn)行高溫閾值設(shè)置，監(jiān)測點(diǎn)溫度超過閾值時，推送告警提示，運(yùn)維人員可提前介入處理高溫點(diǎn)位負(fù)荷，避免發(fā)生故障。

4 結(jié)論

本設(shè)計旨在解決電力系統(tǒng)配電環(huán)節(jié)10kV 環(huán)網(wǎng)柜“T型”電纜接頭溫度在線監(jiān)測問題，設(shè)計符合環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭結(jié)構(gòu)，安裝簡便的溫度傳感器。結(jié)合CT 感應(yīng)取電技術(shù)、ZigBee 無線通信技術(shù)、4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造一套環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)人工監(jiān)測方式，提升配電管理效率與安全水平。未來可根據(jù)此原理研究設(shè)計符合更多電力系統(tǒng)設(shè)備電纜接頭溫度在線監(jiān)測設(shè)備，全面提升智能電網(wǎng)、電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平，打造智能化電網(wǎng)、智能化監(jiān)測管理平臺。

圖5 環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計