孟洋

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：在日益增長的電力負(fù)荷需求下，為保證電力系統(tǒng)的配變電，需要對10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭的溫度進行監(jiān)測，解決因電纜接頭溫度過高而導(dǎo)致故障的問題。文中針對此問題，提出了基于單片機的利用非接觸式傳感器對電纜接頭進行溫度在線監(jiān)測的方法。在設(shè)計中，該方案具體使用紅外攝像頭與超聲波模組，還使用電壓電流測量模組進行輔助測量。根據(jù)相關(guān)函數(shù)關(guān)系由所得數(shù)據(jù)推算出接頭溫度數(shù)據(jù)，將溫度數(shù)據(jù)進行處理。與實際測試數(shù)據(jù)結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)溫度監(jiān)測準(zhǔn)確，測量誤差始終＜0.5℃，可實現(xiàn)對電纜接頭及其周邊線路較為準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：電纜接頭；溫度；紅外攝像頭；超聲波模組；電壓電流

隨著科技的發(fā)展，電氣技術(shù)應(yīng)用泛濫，電能已成為目前較為清潔環(huán)保的能源之一，被大面積應(yīng)用。但隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電能需求在不斷提高，用戶負(fù)荷不斷擴大，電網(wǎng)系統(tǒng)供電要求的可靠性壓力隨之增加，因此也帶來一些新的問題。

根據(jù)資料文獻得知，電氣系統(tǒng)常出現(xiàn)電氣線路里的一些高壓接頭與一些觸點在正常工作時溫升過高的現(xiàn)象，從而加速設(shè)備的老化。同時，也會因為長時間的高溫導(dǎo)致一些電纜接頭失效而引發(fā)故障。在電網(wǎng)中，10 kV環(huán)網(wǎng)柜作為小區(qū)域電網(wǎng)配電變電的核心設(shè)備部分，其運行對于電網(wǎng)有較大的意義，尤其在環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭位置，易由于高溫出現(xiàn)問題。故基于此情況，本文提出了一種10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度在線監(jiān)測的方案設(shè)計，以此來減少或者防止此類情況的發(fā)生。

1.1 檢測原理和要求

在設(shè)計時，對于 10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭溫度的在線監(jiān)測而言，設(shè)計方案應(yīng)當(dāng)可以滿足對多個電纜接頭進行實施的溫度檢測，且還可以將這些溫度的數(shù)據(jù)值傳輸回主站或者操作間的系統(tǒng)進行顯示，并由相關(guān)工作人員進行查看，將其存儲分析。

環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭的溫度值監(jiān)測其原理是依靠溫度傳感器測量得到的值與當(dāng)前溫度存在一定的線性函數(shù)關(guān)系，對監(jiān)測值進行多元線性回歸分析并擬合曲線，得到溫度的函數(shù)公式。同時根據(jù)系數(shù)計算出溫度值，將其送入微控制器進行數(shù)據(jù)處理。

1.2 總體方案設(shè)計

整體架構(gòu)的原理圖，如圖 1 所示。本次方案設(shè)計考慮到現(xiàn)場情況與實際問題，且在監(jiān)測時不能損傷電纜接頭或者是需要連接過多線路，這樣均會對測量及系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

在本次設(shè)計中采用非接觸式溫度測量方法。在測量中，使用超聲波聲波測量與紅外成像攝像頭作為傳感器在線溫度測量。同時，通過不同溫度下測得的線路電壓與線路電流大小，對當(dāng)前線路設(shè)備的溫度進行輔助判斷。首先通過傳感器采集溫度模擬量，再根據(jù)傳感器內(nèi)部信號調(diào)理電路輸出數(shù)字量。然后由微控制器對信號進行處理，使用微控制器將信號傳輸至工作人員電腦的上位機中進行查看，由工作人員判斷保存并對數(shù)據(jù)進行查看。

上位機與微控制器之間采用串口通信進行數(shù)據(jù)傳輸。本方案微控制器采用STC89C51單片機，其內(nèi)部有較多存儲機構(gòu)，可將信號值存儲進自己的128 kB RAM中。再由微控制器通過控制網(wǎng)絡(luò)對電路內(nèi)的傳感器、控制器件繼電器或是接觸器做出故障切除操作，完成遠(yuǎn)程控制操作。同時，微控制器會觸發(fā)報警電路，從而達到溫度監(jiān)測的效果。

2.1超聲波聲波測量模組

本次設(shè)計采用HC-SR04超聲波模組，該超聲波模組是通過聲波的傳遞時間和速度來監(jiān)測線路上一些器件的指標(biāo)，如環(huán)網(wǎng)柜的10 kV電纜接頭溫度，其工作機理如圖2所示

2.2紅外攝像頭成像模組

此設(shè)計采用OV7725攝像頭模組，該攝像頭顯示模組主要是對電纜接頭溫度進行實時監(jiān)測或者人工判斷。因為存儲圖像需要用到攝像頭模塊，其可通過紅外成像拍照和視頻的方式對電纜接頭溫度進行檢測判斷。

對于該模塊的使用主要是根據(jù)時序圖進行編程，處理好時鐘脈沖與其他數(shù)據(jù)信號的關(guān)系。設(shè)計中首先存儲圖像數(shù)據(jù)；其次讀取圖像數(shù)據(jù)。本次設(shè)計中使用的是OV7725攝像頭模塊，在設(shè)置時代碼先初始化OV7725相關(guān)的IO口（包括SCCB_Init），按照廠家提供參考配置序列配置多個OV7725寄存器，完成寄存器值的初始化即可。

2.3電壓電流傳感器檢測模組

本設(shè)計采用PT，CT電壓電流測量模組。該電壓模塊需要并聯(lián)到被測線路中，電流模塊串聯(lián)進被測線路內(nèi)。檢測方式為PT和CT電壓電流一二次側(cè)傳感監(jiān)測。

在進行電壓和電流的采集后，需通過一些由運放組成的信號調(diào)理電路去對電壓與電流信號進行調(diào)理，運放芯片可以采用成本較為低廉的 LM358。其電壓電流信號的采樣電路主要是通過 LM358放大器搭建的比例積分電路實現(xiàn)。設(shè)計中對電流信號進行壓流轉(zhuǎn)換，易于采集。

在運放調(diào)理后的電壓電流信號輸出到微控制器ADC上識別采集。由于微控制器的ADC上限采集電壓為3.3 V，所以在模擬采樣電路輸出口加一組反并聯(lián)二極管，防止系統(tǒng)異常時采樣電路輸出點電壓過高而損壞微控制器。電流采樣則是將電流霍爾傳感器輸出的電流信號經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號后，在通過電壓跟隨電路與濾波電路調(diào)理后送入微控制器的ADC模塊。

2.4接觸器切除模組

本次設(shè)計采用的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是開關(guān)接頭常用的接觸器模組[15-16]。該執(zhí)行機構(gòu)通過電路內(nèi)的接觸器，如當(dāng)監(jiān)測到環(huán)網(wǎng)柜的電纜接頭溫度過高時，就需要切除相關(guān)的線路并進行檢修或更換；或者先直接切除環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭的兩段線路，將電纜接頭獨立出來，防止給整個電網(wǎng)帶來危害。

在控制過程中需要通過驅(qū)動給接觸器中的控制線圈高電平控制時，控制線圈產(chǎn)生電磁力，使得接觸線圈內(nèi)部控制電磁鐵被吸合，帶動接觸器的投切觸頭進行閉合，電路接通；相反則會使接觸線圈內(nèi)部控制的電磁鐵被松開。在控制中，微控制器判斷故障后便可通過控制網(wǎng)絡(luò)輸出信號給IO口，使其控制接觸器的端口電平有高低的變化，進行電路的關(guān)斷控制。

本系統(tǒng)實現(xiàn)主要是從電纜接頭溫度測量背景、測量方案、具體方案實施選型與設(shè)計等3個方面對10 kV電纜接頭的在線溫度監(jiān)測裝置進行了設(shè)計。針對當(dāng)前環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度在線監(jiān)測的問題，綜合使用了3種測溫方法，并根據(jù)線監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)組成完成了溫度采集傳輸、控制以及電源供電與執(zhí)行模塊等的設(shè)計。制作完成了環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度在線監(jiān)測裝置。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，溫度測量誤差＜0.5oC，測量較準(zhǔn)確。且綜合使用3種測量方法，使

得系統(tǒng)可靠性較高。

在線下實際測試中，如表1和圖9所示。根據(jù)在線測量結(jié)果與實際測量相比較，經(jīng)分析，在外部環(huán)境溫度變化的情況下，通過表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其監(jiān)測溫度存在誤差。但是誤差始終＜0.5oC，上限誤差為0.3oC，在實際現(xiàn)場使用*可以滿足精度要求。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，在實施中（環(huán)網(wǎng)柜接頭測量溫度恒定為50oC），環(huán)境溫度變化范圍高達25oC。但測量精度不受影響，是一條恒定直線，誤差上下限僅相差0.1oC，因此*可靠使用。

安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當(dāng)前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的一款無線測溫軟件。

4.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進行通信（如圖4），系統(tǒng)設(shè)計遵循國際標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，可靠性和開放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能?？梢员O(jiān)控?zé)o線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。

4.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能

■實時監(jiān)測

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)故障、告警等信息

■溫度查詢

溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運行報表

查詢各回路設(shè)備運行溫度報表.

■實時報警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。

■設(shè)備提供以下凡種告警方式：

a.彈岀事件報驚窗口.

b.實時語音報警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.

C.短信吿警，可以向號碼發(fā)送吿警信息短信（需選配）.

■歷史告警査詢

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

■用戶權(quán)限管理

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。

通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。

■定值設(shè)置

用于修改高溫定值、超溫定值。

■WEB（可選）

展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數(shù)變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。

能耗統(tǒng)計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環(huán)比，用電排名。

運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。

■手機APP（可選）

設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。

4.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)品選型

安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發(fā)器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(tǒng)（如圖5）。

4.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

無線溫度傳感器共有5種，分別對應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據(jù)傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

4.3.2 安科瑞無線收發(fā)器

無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

4.3.3 安科瑞顯示終端

顯示裝置通過RS485連接收發(fā)器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。

經(jīng)過初步調(diào)試運行，本文設(shè)計的環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度在線監(jiān)測裝置監(jiān)測可靠，測溫數(shù)據(jù)傳輸、誤差值滿足使用要求，達到了所需功能。實現(xiàn)對環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度的在線監(jiān)測，能夠進行大規(guī)模的工程應(yīng)用推廣，具有一定價值和實用意義。且隨著微控制器與傳感技術(shù)的進一步發(fā)展，使用的溫度在線監(jiān)測方案會越發(fā)簡單，測量也會更加準(zhǔn)確。

【參考文獻】

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