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(jìn)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(jī)的利用非接觸式傳感器對電纜接頭進(jìn)行溫度在線監(jiān)測的方法。在設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行處理。與實(shí)際測試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)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(shí)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(jì)的快速發(fā)展，電能需求在不斷提高，用戶負(fù)荷不斷擴(kuò)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(xiàn)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(diǎn)在正常工作時(shí)溫升過高的現(xiàn)象，從而加速設(shè)備的老化。同時(shí)，也會(huì)因?yàn)殚L時(shí)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(yùn)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(jì)，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(jì)時(shí)，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(jì)方案應(yīng)當(dāng)可以滿足對多個(gè)電纜接頭進(jìn)行實(shí)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(jìn)行顯示，并由相關(guān)工作人員進(jìn)行查看，將其存儲(chǔ)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(jìn)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(shí)根據(jù)系數(shù)計(jì)算出溫度值，將其送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

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

在本次設(shè)計(jì)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(shí)，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(jìn)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(jìn)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(jī)中進(jìn)行查看，由工作人員判斷保存并對數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

上位機(jī)與微控制器之間采用串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本方案微控制器采用STC89C51單片機(jī)，其內(nèi)部有較多存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)，可將信號值存儲(chǔ)進(jìn)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(shí)，微控制器會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路，從而達(dá)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(jì)采用HC-SR04超聲波模組，該超聲波模組是通過聲波的傳遞時(shí)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(jī)理如圖2所示

2.2紅外攝像頭成像模組

此設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測或者人工判斷。因?yàn)榇鎯?chǔ)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(jìn)行檢測判斷。

對于該模塊的使用主要是根據(jù)時(shí)序圖進(jìn)行編程，處理好時(shí)鐘脈沖與其他數(shù)據(jù)信號的關(guān)系。設(shè)計(jì)中首先存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)；其次讀取圖像數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)中使用的是OV7725攝像頭模塊，在設(shè)置時(shí)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(gè)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(jì)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(jìn)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(jìn)行電壓和電流的采集后，需通過一些由運(yùn)放組成的信號調(diào)理電路去對電壓與電流信號進(jìn)行調(diào)理，運(yùn)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(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中對電流信號進(jìn)行壓流轉(zhuǎn)換，易于采集。

在運(yùn)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(shí)采樣電路輸出點(diǎn)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(jì)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(jī)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(shí)，就需要切除相關(guān)的線路并進(jìn)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(dú)立出來，防止給整個(gè)電網(wǎng)帶來危害。

在控制過程中需要通過驅(qū)動(dòng)給接觸器中的控制線圈高電平控制時(shí)，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(dòng)接觸器的投切觸頭進(jìn)行閉合，電路接通；相反則會(huì)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(jìn)行電路的關(guān)斷控制。

本系統(tǒng)實(shí)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(shí)施選型與設(shè)計(jì)等3個(gè)方面對10 kV電纜接頭的在線溫度監(jiān)測裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(jì)。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(jì)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(shí)際測試中，如表1和圖9所示。根據(jù)在線測量結(jié)果與實(shí)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(shí)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(shí)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(dá)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(yàn)，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計(jì)思想，結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計(jì)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(jìn)行通信（如圖4），系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)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(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)快速報(bào)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(diǎn)是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強(qiáng)，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機(jī)界面，方便的擴(kuò)充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)軟件工程的設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控軟件人機(jī)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(diǎn)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(yùn)行報(bào)表

查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表.

■實(shí)時(shí)報(bào)警

壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)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(bào)驚窗口.

b.實(shí)時(shí)語音報(bào)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、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(yùn)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）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、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(diǎn)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(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測各個(gè)回路的測點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁面通過一次圖實(shí)時(shí)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(diǎn)支持）。

能耗統(tǒng)計(jì)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(yùn)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(jī)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(diǎn)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(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn)，將測溫?cái)?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(jìn)行匹配，同時(shí)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(shí)查看電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí)，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺(tái)系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。

經(jīng)過初步調(diào)試運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)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?cái)?shù)據(jù)傳輸、誤差值滿足使用要求，達(dá)到了所需功能。實(shí)現(xiàn)對環(huán)網(wǎng)柜電纜頭溫度的在線監(jiān)測，能夠進(jìn)行大規(guī)模的工程應(yīng)用推廣，具有一定價(jià)值和實(shí)用意義。且隨著微控制器與傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使用的溫度在線監(jiān)測方案會(huì)越發(fā)簡單，測量也會(huì)更加準(zhǔn)確。

【參考文獻(xiàn)】

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