基于溫阻特性的感溫電纜性能檢測系統(tǒng)

張兆君， 譚風(fēng)雷， 曹勇， 趙宏飛， 臧澤洲， 朱凱

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司， 江蘇 南京211102；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司宿州供電分公司， 安徽 宿州234000)

0 引言

目前， 變電站內(nèi)火災(zāi)報警系統(tǒng)中應(yīng)用的線性探測器主要有感溫電纜和感溫光纖兩種， 相較于傳統(tǒng)的感溫電纜， 感溫光纖雖能夠進(jìn)行溫度的精確測量， 但是在小尺寸火災(zāi)風(fēng)險中， 感溫光纖的報警性能還存在一定的缺陷， 所以在變壓器、 電纜橋架、電纜溝等地方， 感溫電纜還是常見的探測器類型，具有靈敏度高、 安裝方便的特點， 承擔(dān)著火災(zāi)監(jiān)測、 消防聯(lián)動功能， 是保證變電站及重要設(shè)備火災(zāi)報警和安全運行的重要工具[1-2]。

然而， 變電站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜， 各種高電壓和大電流設(shè)備并存， 存在較強輻射和各種電磁干擾因素，且變電站的感溫電纜大部分布置在室外， 溫度、 濕度及晝夜、 季節(jié)變化導(dǎo)致感溫電纜自身性能受到相應(yīng)的影響[2-5]。 另外， 出廠時僅對感溫電纜做外觀的定性檢查， 對極少數(shù)抽檢電纜在實驗室環(huán)境可進(jìn)行定量檢測， 而對現(xiàn)場應(yīng)用的感溫電纜缺少定量檢測的設(shè)備和條件， 導(dǎo)致其在高溫環(huán)境或雨天存在誤發(fā)告警信號的問題， 影響運維人員對現(xiàn)場情況的判斷[6]。

針對上述問題， 設(shè)計一種基于溫阻特性的感溫電纜性能定量檢測系統(tǒng)， 在特定溫度下， 檢測電纜阻值， 將測量的電纜阻值數(shù)據(jù)擬合成特性曲線， 與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對比， 判斷感溫電纜的性能是否符合現(xiàn)場應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)， 是否可實現(xiàn)性能定量檢測的目的。 本裝置可以便捷地對現(xiàn)場感溫電纜進(jìn)行定量檢測， 用以判斷其性能級別， 有效杜絕一些已經(jīng)損壞或低質(zhì)量的感溫電纜在現(xiàn)場使用， 解決目前運行現(xiàn)場存在的問題[7]。

1 感溫電纜介紹

感溫電纜由兩條導(dǎo)體組成， 正常情況下， 兩條導(dǎo)體之間絕緣層阻值較大， 當(dāng)溫度升高時， 導(dǎo)線芯之間的電阻會急劇下降。 根據(jù)此特性， 可在火災(zāi)等高溫情況下， 通過監(jiān)測回路發(fā)出報警信號。

1.1 感溫電纜結(jié)構(gòu)及特點

變電站內(nèi)多為可恢復(fù)性感溫電纜， 其結(jié)構(gòu)有如下特點[8-12]:

1) 可恢復(fù)性。 可恢復(fù)式感溫電纜在一定溫度范圍內(nèi)， 報警后仍可以繼續(xù)正常工作， 除非在過高溫度下持續(xù)過長時間， 破壞兩線芯之間絕緣特性，才會損壞感溫電纜。 因此， 感溫電纜的現(xiàn)場測試不影響后續(xù)使用。

2) 報警溫度可調(diào)。 感溫電纜溫阻特性中， 阻值和溫度呈現(xiàn)一一對應(yīng)的狀態(tài)， 加之火災(zāi)報警系統(tǒng)具有微機控制功能， 因此可以通過設(shè)定微機報警溫度定值， 實現(xiàn)報警溫度的調(diào)節(jié)。 電力設(shè)備用的感溫電纜不但能用來檢測火災(zāi)情況， 而且也可以用來監(jiān)測設(shè)備運行時過負(fù)載導(dǎo)致的高溫， 為運維人員提供輔助信號。

1.2 感溫電纜工作原理

感溫電纜屬于熱敏器件， 感溫電纜由三根熱敏絕緣材料的導(dǎo)線絞合而成(其中一根用于提高機械強度作用)， 可監(jiān)測其安裝長度范圍內(nèi)上任何一點的溫度變化， 當(dāng)溫度上升到響應(yīng)值時， 感溫電纜線芯間的電阻值躍變。

感溫電纜工作原理如圖1 所示， 圖中R1為微機控制中的串聯(lián)電阻， R2為終端串聯(lián)電阻， R3為感溫電纜中兩根導(dǎo)線之間的絕緣電阻， 當(dāng)R1= R2時， 則:

1) 當(dāng)感溫電纜正常工作時， 感溫電纜之間的阻值為無窮大， 即R3阻值為無窮大， R1的電壓為電源電壓的一半；

2) 當(dāng)感溫電纜有一處斷開時， 回路不導(dǎo)通，R1的電壓為0；

3) 當(dāng)感溫電纜中兩根導(dǎo)線短路時， R1的電壓為電源電壓；

4) 當(dāng)有火災(zāi)時， 感溫電纜中兩根導(dǎo)線之間的絕緣電阻R3阻值將降低， R1的電壓將大于電源電壓的一半。

圖1 感溫電纜工作原理圖

2 感溫電纜溫阻特性及檢測方法

感溫電纜的電阻和溫度曲線如圖2 所示。 由圖可知， 當(dāng)周圍溫度小于40 ℃時， 其阻值超過2 000 Ω； 當(dāng)大于50 ℃時， 其阻值降到1 000 Ω以下。

圖2 感溫電纜電阻和溫度曲線

2.1 溫阻特性檢測結(jié)構(gòu)

硬件電路是上述所有理論的物理載體， 實現(xiàn)所有系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。 而現(xiàn)場安裝屬于強電磁干擾的地點， 要求硬件電路除能夠?qū)崿F(xiàn)溫阻檢測的基本功能外， 還能夠在強干擾的環(huán)境下長期運行。

本裝置采用模塊化設(shè)計， 分為電源供電、 溫度控制、 模擬量采集、 CPU 及決策控制、 人機交互，各模塊的連接關(guān)系如圖3 所示。 溫控結(jié)構(gòu)和檢測控制系統(tǒng)通過無線通信系統(tǒng)傳輸現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)， 本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場感溫電纜能否便捷的拆裝設(shè)計了兩套結(jié)構(gòu)。

圖3 定量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1) 現(xiàn)場不可拆裝電纜結(jié)構(gòu)。 設(shè)計的溫控結(jié)構(gòu)主要由硅橡膠加熱片制作的桶狀加熱結(jié)構(gòu)組成， 可以將感溫電纜包裹在其中， 并可方便地依附在變壓器設(shè)備上， 不使感溫電纜受力。 檢測系統(tǒng)每段可測量2 m 內(nèi)感溫電纜情況， 每次最多可同時檢測5 段電纜， 即每次可實現(xiàn)10 m 感溫電纜的檢測工作，其溫度控制由檢測控制系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)控， 如需要全部定量檢測其性能， 可分段逐次開展。

2) 現(xiàn)場可拆裝電纜結(jié)構(gòu)。 為袋裝容納型結(jié)構(gòu)， 可以將拆下的感溫電纜直接放入其中， 通過精確控制袋內(nèi)溫度， 模擬現(xiàn)場各種溫度， 檢測感溫電纜的電阻變化特性曲線。

2.1.1 電源供電系統(tǒng)

本裝置中有五種相互獨立的電壓等級， 溫控包加熱電壓為AC/DC 220 V、 橡膠加熱片需要的AC 24 V 電壓等級、 電纜阻值測量中電纜兩端的DC 5 V電壓等級、 主控電路的3.3 V 電壓等級。 其中AC/DC 220 V 電壓為外界輸入電壓； 24 V 為中轉(zhuǎn)電壓， 即輸入電壓經(jīng)過電源電路降壓至24 V，其他電壓是由24 V 電源經(jīng)過相應(yīng)的線性穩(wěn)壓芯片得到。

裝置的輸入電源可為交流或直流， 電源電路配置有直流-直流(DC-DC) 模塊。 DC-DC 轉(zhuǎn)換電路的原理如圖4 所示， 硬件模塊中主要包括PWM生成、 變壓、 濾波與穩(wěn)壓電路等， R2和C3構(gòu)成起動電路， RT 和CT 決定著電力振蕩的頻率， R11和C11用于改善增益和頻率特性， 輸出的方波經(jīng)R5、R6、 C8分壓后驅(qū)動MOSFET， 電阻R8用于電流檢測， 經(jīng)R7、 C9濾波后反饋， 通過PWM 脈沖來控制MOSFET 的導(dǎo)通與關(guān)斷， 從而把直流信號變成方波， 經(jīng)過變壓電路中線圈匝數(shù)比為400∶47 的變壓器， 輸出端經(jīng)過0.1 mH 的電感和100 μF 的電容濾波后接穩(wěn)壓電路中的集成線性穩(wěn)壓芯片， 穩(wěn)壓芯片的輸出端經(jīng)10 μF 的電容后輸出直流電壓。

圖4 DC-DC 電源電路原理圖

2.1.2 溫度控制模塊

為了能夠精確控制感溫電纜附件溫度， 提出一種模糊PID 控制器， 實現(xiàn)在特定空間內(nèi)多點溫度精確控制的目的。 模糊PID 控制算法是在經(jīng)典算法中， 增加了相應(yīng)的判據(jù)， 構(gòu)成變積分參數(shù)的控制系統(tǒng)。

定義溫度誤差e (k) 為k 時刻的溫度誤差:

式中， θ (k) 為測量模塊在k 時刻采集到溫度量；T 為目標(biāo)溫度值。

定義誤差變化率Δe (k) 為:

為了防止溫度波動， 當(dāng)溫度誤差小于0.2 ℃時， 讓溫控模塊處于固定狀態(tài)， 即定義控制系數(shù)KC:

為了讓溫度以穩(wěn)定的變化率達(dá)到平衡位置， 引入一個調(diào)節(jié)速率理想值的概念。 即綜合考慮升幅、系統(tǒng)穩(wěn)定性等多方面因素， 根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計的符合實際的調(diào)節(jié)速率， 用r 表示。

由理論基礎(chǔ)可知: 當(dāng)Δe(k)e(k) ＜0 時， 則溫度正在趨近平衡位置， 若此時以速率理想值趨近平衡位置， 則應(yīng)保持控制參數(shù)不變。 如果此時速率過快， 應(yīng)適當(dāng)減弱控制作用， 若速率過慢， 則應(yīng)增強控制作用。 當(dāng)Δe(k)e(k) ＞0 時， 則溫度正在遠(yuǎn)離平衡位置， 此時應(yīng)增強控制， 以扭轉(zhuǎn)相反的變化趨勢。

由上述分析， Δe(k)e(k) ＜0 時， k 時刻的控制量可以表示為:

式中， KP為比例系數(shù)； KI積分系數(shù)； a 為系數(shù)，主要用來實時調(diào)節(jié)比例、 積分參數(shù)。

由公式(4) 可知。 當(dāng)實際變化速率超過理想速率， 即Δe(k) ＞r 時， 使得KP減少， KI增加，從而減弱控制。 當(dāng)實際變化速率小于理想速率， 即Δe(k) ＜r 時， 使得KP增加， KI減少， 增加控制。

當(dāng)Δe(k)e(k) ＞0 時， k 時刻的控制量可以表示為:

由式(5) 可知， KP、 KI同時增加以抑制偏離平衡的趨勢。

由上述可知， 當(dāng)目標(biāo)溫度與測量溫度大于0.2 ℃時， 控制系統(tǒng)會通過調(diào)節(jié)加熱模塊的輸出功率使溫控包的溫度回歸至目標(biāo)水平。

溫控區(qū)域在每米固定區(qū)域內(nèi)設(shè)置7 個溫度監(jiān)測點， 將上述模糊PID 控制算法應(yīng)用于自動恒溫控制系統(tǒng)， 溫度給定值時， 采樣周期為20 s， 經(jīng)過現(xiàn)場測試， 溫度穩(wěn)定精度小于0.5 ℃。

2.2 溫阻特性檢測流程

感溫電纜阻值測量流程如圖5 所示， 根據(jù)現(xiàn)場感溫電纜結(jié)構(gòu)不同， 選擇不同的加熱方式， 主控電路可自動設(shè)置溫度為20 ～95 ℃之間， 其檢測電路如圖1 所示， 電纜兩端電壓為5 V， 分別在20 ℃、40 ℃、 50 ℃、 60 ℃、 70 ℃、 75 ℃、 80 ℃、 85 ℃、90 ℃、 95 ℃時刻測量電纜阻值， 擬合為溫阻曲線[13]。

圖5 溫阻特性檢測流程圖

3 感溫電纜性能評價體系

根據(jù)圖2 所示的感溫電纜的溫阻特性， 提出一種阻值偏差率的評分原則， 將不同溫度下的阻值偏差率， 根據(jù)一定的規(guī)則， 轉(zhuǎn)化為偏差得分， 使原始的溫度阻值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行評價的電纜等級， 其具體計算方法如下。

溫阻偏差率計算公式:

式中， et為溫度為t 時的阻值偏差率； Rt為溫度為t 時的阻值測量值； Rt.e為溫度為t 時的阻值標(biāo)準(zhǔn)值。

t 時偏差得分Pt， 計算公式:

式中， Pt為t 時刻溫度對應(yīng)的感溫電纜性能分， 分別計 算t 在20 ℃、 40 ℃、 50 ℃、 60 ℃、 70 ℃、75 ℃、 80 ℃、 85 ℃、 90 ℃、 95 ℃的10 個時刻阻值偏差率， 根據(jù)偏差率得出相應(yīng)的電纜性能分， 計算出偏差總分P。

根據(jù)感溫電纜的性能等級分值， 將感溫電纜分為Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ三個性能等級。 其中計算性能分≥80分為Ⅰ級； 計算性能分≥50 分且＜80 分為Ⅱ級；計算性能分＜50 分為Ⅲ級感溫電纜。

根據(jù)感溫電纜的等級劃分， Ⅰ級電纜其性能良好， 能夠繼續(xù)使用； Ⅱ級電纜性能合格， 可以使用， 但需根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整感溫電纜終端盒相應(yīng)的參數(shù)， 以更靈敏地監(jiān)測過溫狀態(tài)； Ⅲ級為不合格感溫電纜， 必須更換， 以避免誤報或拒報情況發(fā)生。

4 裝置調(diào)試及現(xiàn)場測試

結(jié)合本系統(tǒng)硬件設(shè)計經(jīng)驗， 文章總結(jié)出硬件調(diào)試過程中應(yīng)該遵循的一般步驟如下[14-16]:

1) 主控最小系統(tǒng)的調(diào)試。 接通電源后， 測量各路電壓是否正常。 檢查復(fù)位按鍵是否能夠正常復(fù)位， 并測試程序能否正常擦寫。

2) 各種功能模塊測試。 各功能的測試最好將電路按照功能點分開測試， 切忌焊接多個模塊后再進(jìn)行測試。

3) 整機功能及性能測試。 各模塊正常工作的前提下測試整機的功能是否正常， 然后測試各模塊性能以及抗干擾能力， 完成整機的調(diào)試工作。

為了驗證裝置的可靠性， 對合格電纜進(jìn)行了現(xiàn)場測試， 測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 阻值測量誤差

結(jié)果表明， 裝置能夠準(zhǔn)確測量20 ～95 ℃的感溫電纜的阻值， 誤差范圍均能控制在20%以內(nèi)，測量誤差范圍能夠滿足現(xiàn)場感溫電纜檢測精度的要求。

5 結(jié)語

針對應(yīng)用于變電站內(nèi)電氣設(shè)備的感溫電纜， 設(shè)計了一種基于溫阻特性的感溫電纜性能定量檢測裝置， 解決缺少現(xiàn)場定量檢測設(shè)備和條件而導(dǎo)致自身原因誤發(fā)告警信號的問題。 提出了一種基于模糊PID 的高精度溫度控制算法， 對感溫電纜周圍進(jìn)行加熱， 監(jiān)測不同溫度下感溫電纜的阻抗變化， 繪制溫度-電阻特性曲線， 定量檢測感溫電纜性能。 根據(jù)電纜阻值偏差情況， 給出了一種感溫電纜性能評價方法。 通過測試應(yīng)用， 該裝置不僅可應(yīng)用于現(xiàn)場感溫電纜的定量檢測， 測量阻值偏差率在20%以內(nèi)， 而且可以給出現(xiàn)場電纜的性能級別， 有效杜絕在現(xiàn)場使用已經(jīng)損壞或低質(zhì)量的感溫電纜。