楼宇智能化技术报告书

《楼宇智能化技术》

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信息工程学院 10网络技术 电力电缆接头温度检测系统设计 ************ ***

中州大学 信息工程学院

2012 年 04 月 06 日

电力电缆接头温度检测系统设计

贾东京

信息工程学院2010级网络技术

摘 要：电力电缆中间接头的温度是反映其运行状态的重要参数。通过对接头温度进行测量和监视，可以了解其绝缘老化情况、准确评估其工作状态、及时发现其故障隐患。基于现场需求分析，设计出了一种采用无线通信方式的地下专用电网电缆接头温度检测系统，文中介绍了系统的组成及优势。该设备对于避免电缆火灾事故的发生，增强地下专用电网的安全可靠性，提高企业的经济效益有重要意义。 关键词: 电缆接头 无线通讯 温度监测

1 引 言

在采用电力电缆输电的专用电网中，6－10kV电缆平均每300－500m就有一处电缆接头。由于环境和制作工艺不当等因素的影响有可能产生电缆接头故障，甚至引起火灾，导致大面积的电缆烧损，造成重大的经济损失。因此，有效地对地下专用电网电缆进行监测和及时判断故障点对安全运行有重要意义。但电缆接头处发生的各类故障并不是一个突发的过程，经过一段时间的大电流（过负荷）运行后，往往在压接点处产生过热、氧化，使接触电阻逐渐增大，接点温度逐渐升高，使绝缘老化，最终导致绝缘层损坏而造成事故发生，电缆接头运行时间越长，接头越容易发生过热烧穿事故。据统计，电缆接头引起的事故占电缆总事故的50%-65%。发电厂运行10年后, 基建时制作的电力电缆头90%以上需要更换。电力电缆及其终

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端的表面温度与内部线芯温度的对应关系取决于电缆及其终端的结构和负载电流。在不同的载流量下，

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电缆终端的表面温度与线芯温度呈线性正增长关系。利用表面温度，能有效地进行电缆及其终端产生的故障进行诊断，同时，对所记录电缆温度数据进行适当的分析，就可以找出可能的电缆故障隐患，加强电

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缆接头温度的监测，及时判断故障点，就可以把故障消灭在萌芽状态。因此有必要设计一套完整的电缆温度检测系统，监测电缆接头的温度，分析可能存在的故障隐患，及时发出预警信息，杜绝故障的发生。

2 检测方法与监控系统

目前常用的电缆温度监测方法包括：感温电缆式测温系统、热敏电阻式测温系统和光纤分布式温度监测系统等，各有特点是：感温电缆式测温系统，将感温电缆与电缆平行安放，当电缆温度超过固定温度值时，感测电缆被短路，向控制系统发出信号，但该方法不能测出电缆的实际温度值，无法进行温度趋势分析，系统安装及维护工作不便；热敏电阻式测温系统，利用热敏电阻测出电缆温度值，但由于每个热敏电阻都需要独立的接线、布线复杂，维护量大；光纤分布式温度监测系统，利用一根光纤充当分布式温度传感器，能测量数千个独立的测量点温度，通过分析在光纤中传输的激光脉冲产生的拉曼（Raman）后向散射光信号以完成对温度的测量，最新使用的多模光纤分布式温度监测系统，允许光纤回路长度达到12千米，测量精度达到±1℃。由于电力传输网中包含了数目巨大的电缆线路，其光纤线路总长度甚至超过电信部门，这是用户难以接受的。通过现场总线方式实现温度传感器之间以及温度传感器与客户端设备的连接，也可以完成电厂、企业等小范围电缆的实时温度监测。本文基于传感器网络系统，集传感器、微机系统和网络技术于一体，采用无线通信方式传输数据，只需将终端装置安装在每个待监测的电缆接头处即可，无需进行大规模布线。单个检测终端之间相互独立，安装方便灵活，传输数据可靠快捷，系统主要采用低功耗的嵌入式系统，使用寿命长。

3 接头温度检测系统结构

监测系统采用分片型采集处理与集中式设置查询的分布集散型网络结构形式。系统由三个部分组成，分别为电缆接头温度探测传输终端装置、电缆接头温度巡检仪、电缆接头温度数据分析软件。该设计方式扩容性能好，便于计算机联网。电缆接头温度巡测系统结构如图1所示。

图1 电缆温度监测系统示意图

4 系统设计

1）监测单元，终端装置安装在每个电缆中间接头处，以测量并上传测量数据。终端装置输出测量信号通过无线数据传输传送至距电缆接头附近的数据收集单元，主要负责采集和保存电缆接头设定时间点的

温度传感器单元(DS18B20)微处理器(MSP430F149)无线通信单元(nRF2401)天线外部存储单元电源管理单元

图2终端装置硬件结构框图

温度数据，并以无线方式与巡检仪通信。由于系统以电池供电，为实现低功耗，可从两个方面考虑，首先 是选用低功耗的器件，其次是设置合理的工作状态, 如发射状态、接收状态、采集数据状态、睡眠状态等。微处理器通过电源管理单元控制整个装置的工作状态，由于大部分时间系统处于睡眠状态，仅仅只有微处理器中的一个低频时钟在工作，系统按照软件设置的采样间隔启动温度传感器单元进行温度采集及A/D转换，并将所得数据存储在外部存储单元中；而无线通信单元以很低的占空比时间工作，只在接收到巡检仪发出的激活信号并确定是自己的ID时，才按命令要求通过微处理器从外部存储单元中取出相应的温度数据上传至巡检仪。终端装置的硬件结构框图如图2所示。

专用超低功耗实时多任务操作系统3V高效锂电池定时温度采集模块唤醒信号监测模块数据上传模块人机交互监测模块

图3 终端装置软件结构框图

2）温度传感器单元，使用Maxim公司的一线式数字温度计DS18B20。其测量范围为-55-125℃ , 在-10-85℃之间准确度为±0.15℃。微处理器采用TI公司的MSP430F149芯片，在1.8-3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1-400mA之间。无线收发单元采用NORDIC公司的nRF2401芯片，nRF2401无线收发一体芯片工作在2.4GHz自由频段，nRF401采用抗干扰能力强的FSK调制方式。该装置的软件使

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用实时多任务操作系统，该操作系统是参考smart dust技术中的TinyOS(TOS)开发的。在此基础上又扩展了定时温度采集、唤醒信号监测、数据上传及人机交互信号监测等四个应用模块，终端装置的软件结构框图如图3所示。

3）巡检分析系统，便携式电缆接头温度巡检分析系统用于巡线人员到现场收集各个电缆接头的温度

数据。巡检设计有手动和自动两种工作模式。在自动工作模式下，进入终端装置的信号覆盖区内，便可自动与终端装置进行链接；也可选择手动工作模式，针对性地获取某些终端装置的数据信息。除此以外，该仪器还具备简单的故障分析能力，并通过对某个电缆接头的历史温度数据的分析处理，及时地对可能发生事故的线路提出报警信息。巡检仪由数据接收、数据处理、显示器和USB接口以及电池等四个单元组成，如图4所示。

天线无线通信单元(nRF2401)微处理器(MSP430F149)外部存储单元键盘液晶显示USB接口 图4 巡检仪硬件结构框图 4）后台分析系统

后台分析系统用于实现电缆接头的故障分析与诊断。工作站的PC机将巡检仪获取的数据存入数据库，建立历史纪录，电缆接头数据管理与故障诊断分析软件将根据各个电缆头的温度变化，有效地分析电缆接头工作情况。分析内容包括超温分析、温升趋势分析、温度梯度分析和自动环境温度补偿等，并能做出报警、对比、历史记录等处理，保障在电缆发生事故之前做出预警。

上述设计采用无线通信方式传输测量数据，单个的终端装置之间相互独立，且有体积小，安装方便，外壳设计具有防爆、防潮、抗干扰能力强等特点，能够满足在地下各种恶劣工作环境的需要，分散型系统结构能适应电力线路的改变，可用于大规模地下专用电缆网络的温度监测。操作使用容易，线路巡检人员使用巡检仪就能即时获取电缆接头温度，同时能判断电缆线路的运行状态是否正常，在记录数据的同时就能分析出可能的故障隐患点，给出早期预警信号。由于该系统采用低功耗设计，电池使用寿命可达一年以上，维护费用低；每个终端装置信号功率覆盖半径最大为50m；巡检仪与终端装置建立链路所需时间<50ms。

电源管理单元5 结束语

本文提出的电力电缆接头故障监测与诊断系统较好的克服了同类系统的铺设难、成本高、难以维护等问题，为电力电缆的绝缘故障分析、提高电力电缆运行的可靠性和有效的避免电缆火灾提供有力的保障。基于传感器网络系统的系统设计，可使该系统安装设置方便，适应性好，便于操作和维护，具有较好的经济性，有着广泛的应用前景。

参考文献

[1] 王新超, 潘贞存。电力电缆接头故障的预警监测系统[J]。 电力自动化设备, 2001，（5）：5-21. [2] 王新超, 王葵。电力电缆接头运行的实时监测[J]。 继电器,2001，（8）：8-29. [3] 梁明, 李汉民, 徐达明, 马蓉, 任燕。基于Mobitex的高压输电网智能监测系统[J]。 电工技术杂志, 2004，（6）：61-65.

[4] 张德铭, 梁明, 王生明, 马蓉, 顾欢欢。新型电力电缆接头故障监测系统的设计[J]。电气应用,2005，（1）：1-24。