電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計與研究

王錕 譚王景 劉曉莎

摘 要：現(xiàn)代化城市對電能的依賴程度愈來愈高，日常生活用電與工業(yè)生產(chǎn)用電的需求量亦不斷擴(kuò)大，不但必須經(jīng)由大型的電網(wǎng)系統(tǒng)供應(yīng)電力，同時對電力電纜系統(tǒng)亦有較高要求。電力電纜線路因節(jié)約空間、供電可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)成為電能傳輸?shù)闹匾d體。國家電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大導(dǎo)致了電力電纜的鋪設(shè)范圍也相應(yīng)擴(kuò)大，與此同時，由于電力電纜的連接數(shù)量也越來越多，由電力電纜接頭問題所引起的供電故障也更加明顯，其中，由于電力電纜絕緣老化而引起的溫度上升和接頭滲漏等問題較為常見，再加上泄露時輸出電壓與溫度上升呈反比，最嚴(yán)重時會導(dǎo)致絕緣擊穿。所以，對電力電纜的發(fā)熱分析就引起了人們前所未有的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：電力電纜頭 溫度監(jiān)測 報警系統(tǒng) 設(shè)計研究

Abstract：Modern cities are increasingly reliant on electrical energy， and the demand for electricity for daily life and industrial production is also expanding. Not only must electricity be supplied through a large power grid system， but it also has higher requirements for power cable systems. Power cable lines have become an important carrier of power transmission due to many advantages such as space saving and high power supply reliability. The continuous expansion of the scale of the national grid has led to a corresponding expansion of the laying range of power cables. At the same time， due to the increasing number of power cables connected， the power supply failure caused by the problem of power cable joints is also more obvious. Problems such as temperature rise and joint leakage caused by insulation aging of power cables are relatively common. In addition， the output voltage is inversely proportional to the temperature rise during leakage， which will lead to insulation breakdown in the most serious cases. Therefore， the thermal analysis of power cables has attracted unprecedented attention.

Key words：power cable head， temperature monitoring， alarm system， design research

隨著傳感器產(chǎn)品技術(shù)、測量技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前中國國內(nèi)的電力電纜測試領(lǐng)域已涌現(xiàn)出了通過測試預(yù)判線纜過熱隱患、利用直流堆疊方法根據(jù)獲取的直流分量測算線纜絕緣阻力、利用交流疊加法監(jiān)測線纜的絕緣老化程度，及根據(jù)直流分量法測試由水樹枝整流產(chǎn)生的直流泄漏分量等手段。目前，電力電纜發(fā)熱分析方法主要有二個特點(diǎn)，一是聚焦于利用研究電纜對自身本身的發(fā)熱來判斷電力電纜的有效載流，另一是通過考察應(yīng)用環(huán)境中產(chǎn)生的外部或人工熱量對電力電纜有效載流的影響。

溫度檢測技術(shù)主要有光纖、熱敏電阻等接觸式測溫，以及紅外線等非接觸式測溫。光纖測溫技術(shù)主要是將光纖在線纜中加工時預(yù)制在線纜的絕緣保護(hù)層，從而能夠直接檢測到線纜中絕緣保護(hù)層的溫度，但是由于光纜測溫技術(shù)具有成本高昂、光纖易斷且不易更新等問題，制約著光纖測溫技術(shù)的廣泛使用。而熱敏電阻測溫技術(shù)由于簡便、安全、檢測精確、體積小和靈敏度高等而得到了大量的使用，但是由于熱敏電阻測溫的技術(shù)主要應(yīng)用在短距離測溫，而遠(yuǎn)距離傳輸時將會由于距離的增大，而產(chǎn)生溫度信息的快速衰減。紅外線測量溫度盡管具備了測量范圍較廣，且不會改變被測量對象自身的溫度場，且紅外線測溫儀自身也不受到被測量設(shè)備溫度場的損傷等優(yōu)勢，但仍面臨著易受周圍環(huán)境溫濕度檢測影響且只能檢測到設(shè)備外部環(huán)境溫度等問題。本文設(shè)計了電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要溫度監(jiān)測終端、4G通信、云服務(wù)器以及信息管理系統(tǒng)、溫度異常判斷以及報警功能動作之間相互聯(lián)系，系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

本文所提出的電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的工作原理，如圖2所示。首先，在整個的系統(tǒng)中搭建4G網(wǎng)絡(luò)通信，利用溫度采集模塊進(jìn)行實(shí)時采集溫度數(shù)據(jù)，將采集得到的溫度數(shù)據(jù)由云服務(wù)器傳輸至信息管理系統(tǒng)，在信息管理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要是尋找異常的溫度數(shù)據(jù)，并判斷電力電纜頭溫度異常缺陷，并根據(jù)情況作出預(yù)警報警等功能動作，直至任務(wù)結(jié)束。系統(tǒng)的工作流程呈現(xiàn)單向的現(xiàn)行結(jié)構(gòu)，不存在彼此之間任務(wù)的重復(fù)與交叉。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢在于：系統(tǒng)各個部分的工作之間能夠最大程度的減少干擾，各個部門各司其職，能夠最大保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，避免因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，導(dǎo)致最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果出現(xiàn)問題，使得實(shí)際工作受到損失。

2 溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計

電力電纜頭溫度監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由以下幾個重要的部分組成：CPU核心板（STM32F103）、4G通信模塊、溫度采集模塊、電源電路以及儲能電池。在硬件設(shè)計當(dāng)中，電源的設(shè)計是極其重要的一個部分，在系統(tǒng)硬件中所要應(yīng)用到的電池，需要有著極大的儲電量，在實(shí)際應(yīng)用貫徹各種更不需要進(jìn)行頻繁的更換，這樣在節(jié)省項目應(yīng)用成本的同時，還能夠很大程度上減少系統(tǒng)維護(hù)工作人員的工作壓力，保障相關(guān)人員的工作安全。同時，電力電纜頭部分工作過程中會產(chǎn)生局部的高溫，用于電力電纜頭部位的溫度監(jiān)測終端硬件要具備極強(qiáng)的耐高溫能力，防止因高溫造成系統(tǒng)硬件的使用故障。為此，本次設(shè)計中關(guān)于系統(tǒng)中硬件終端的電池，選擇使用儲能更多是，更能適應(yīng)高溫環(huán)境工作條件的高能電池，作為本次系統(tǒng)設(shè)計中溫度監(jiān)測終端硬件的基礎(chǔ)電源。

溫度采集模塊中的溫感元件主要是采用PT100監(jiān)測溫度。PT100溫度傳感器是一種以白金做成的電阻式溫度檢測器。PT100的測溫原理主要是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測量，根據(jù)電阻的阻值隨溫度的變化而改變的特點(diǎn)，因此通過感溫電阻的阻值來確定溫度。PT100測溫元件，當(dāng)溫度為0攝氏度時，阻值為100歐，其電阻R和溫度T變化的關(guān)系式如式2-1：

PT100探頭主要放置在電力電纜頭相應(yīng)的溫度測量位置，溫度變化會引起PT100阻值發(fā)生變化，對應(yīng)單片機(jī)的ADC采集引腳的電壓也會發(fā)生相應(yīng)的變化，電壓信號測量的準(zhǔn)確度將直接影響溫度測量的精確度。

為減小測量誤差，采用了如圖4所示的測溫電路，該電路選用三線制的PT100測溫元件通過橋式測溫電路有效的消除傳輸過程中造成的信號干擾，通過AD623放大器將mV級壓差信號放大51倍后傳輸至STM32F103的ADC引腳。

電壓信號被單片機(jī)讀取后，利用公式（2-2）可以計算得到PT100的實(shí)時阻值，通過公式（2-1）反求溫度值，即得到電力電纜頭的溫度監(jiān)測值。

3 溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計

溫度采集模塊采集電力電纜頭溫度數(shù)據(jù)，設(shè)定每秒采樣1次，每分鐘內(nèi)對比出最高溫度Tmax，以配合4G網(wǎng)絡(luò)通信程序每隔一分鐘將Tmax值實(shí)時傳輸至信息管理與報警后臺系統(tǒng)，做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，具體的流程如圖5所示。

云服務(wù)器實(shí)時接收PT100溫感元件測量的溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)被存入數(shù)據(jù)庫中，然后調(diào)取云數(shù)據(jù)庫feeder表數(shù)據(jù)，將feeder表數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫并和設(shè)定的溫度進(jìn)行對比，要是超過閾值就報警，如果溫度正常等待新的溫度數(shù)據(jù)，整個異常數(shù)據(jù)的報警算法的實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

4 溫度監(jiān)測終端功能模塊檢驗(yàn)

本文為了驗(yàn)證整個溫度監(jiān)測裝置，通過在實(shí)驗(yàn)室恒溫加熱箱內(nèi)進(jìn)行溫度采樣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。得出本系統(tǒng)溫度監(jiān)測終端采集的溫度誤差不大于±1℃，平均誤差為0.36℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本系統(tǒng)溫度監(jiān)測終端溫度采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高。

5 總結(jié)

電力電纜頭是電網(wǎng)系統(tǒng)中的最為薄弱的環(huán)節(jié)，電纜頭過熱會引發(fā)電纜故障，如果不及時進(jìn)行溫度監(jiān)測，將會引發(fā)電網(wǎng)癱瘓，為能夠有效提升電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性，本文設(shè)計了電力電纜頭溫度監(jiān)測和報警系統(tǒng)，介紹了溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計并驗(yàn)證了溫度監(jiān)測終端功能，為電力電纜存在的隱患進(jìn)行了提前預(yù)判，及時處理電纜異常情況，提高供電可靠性。

[基金項目]2021年陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目、自然科學(xué)類一般項目“電力電纜頭溫度監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計與研究”（課題編號：2021YKYB-048）。

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作者簡介

王錕：（1994—），男，陜西咸陽人，陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士。研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。