劉驥　宗榜馗　張大寧　張顯亮

摘要：針對(duì)中壓電力電纜終端附件的接頭溫度過(guò)高、絕緣老化等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了中壓電纜終端故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理與各單元模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。下位機(jī)以MSP430F149為核心，集溫度傳感器、故障電流傳感器、高壓帶電傳感器于一體的檢測(cè)單元，組成一電纜終端智能檢測(cè)單元。每個(gè)電纜終端監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù)采用GSM無(wú)線傳輸方式匯總到一基于LABVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的無(wú)線終端基站的上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。通過(guò)搭建硬件電路實(shí)現(xiàn)了接頭溫度、線路的故障及帶電狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：電纜終端；GSM；LABVIEW；在線監(jiān)測(cè)

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.017

中圖分類號(hào)： TM855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）01-0093-06

Abstract：Considering to the joint temperature medium voltage power cable terminal accessory is too high and the aging problem of insulation， an online monitoring system is designed for medium voltage cable terminal fault， and gives the hardware circuit structure principle of the system and each module design. The lower computer takes MSP430F149 as the core， sets the temperature sensor， the fault current sensor， the high voltage electricity sensor in an integrated detection unit， which is composed of a cable terminal intelligent detection unit.Each cable terminal monitoring unit of the data using GSM wireless transmission mode to a summary of the LABVIEW platform based on the development of the wireless terminal of the host computer realtime display and storage. By building the hardware circuit， the temperature of the joint， the fault of the circuit and the remote online monitoring of the charged state information are realized， which proves the rationality of the system design.

Keywords：cable termination； GSM； LABVIEW； online monitoring

0引言

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，實(shí)時(shí)獲取電氣設(shè)備的狀態(tài)信息在電力系統(tǒng)的智能化建設(shè)中至關(guān)重要，作為電力系統(tǒng)重要的設(shè)備之一的電纜分接頭，也是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行中的最薄弱環(huán)節(jié)，主要是由于制作時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等不利因素的影響以及制作工藝的限制，造成接頭的壓接質(zhì)量存在一些潛在的隱患。而電纜終端接頭的壓接質(zhì)量，只能在運(yùn)行中得以檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的大電流（過(guò)負(fù)荷）運(yùn)行后，在壓接點(diǎn)處產(chǎn)生過(guò)熱、氧化等現(xiàn)象，由此導(dǎo)致接觸電阻逐漸增大，并且電纜接頭溫度也會(huì)進(jìn)一步升高，使得絕緣老化增大，壽命驟減，最終導(dǎo)致絕緣層損壞，從而造成事故發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電纜接頭事故率高達(dá)電纜事故的90%[1-4]。為了確保電力電纜附件的安全，尋求一種系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電纜分支箱的在線監(jiān)測(cè)迫在眉睫，并設(shè)計(jì)合理的電纜終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為供電的可靠性提供技術(shù)保證和科學(xué)依據(jù)[5-7]。目前電纜終端監(jiān)測(cè)是通過(guò)人工巡檢方式完成的，需現(xiàn)場(chǎng)檢查電纜接頭溫度情況，檢修中存在的檢修過(guò)?；驒z修不足等問(wèn)題，也耗費(fèi)大量人力、物力[8-12]。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了集溫度傳感器、故障電流傳感器、高壓帶電傳感器于一體的電纜終端智能檢測(cè)單元。該系統(tǒng)體積小、布線少、運(yùn)行穩(wěn)定、易于維護(hù)，使電纜分支箱在線系統(tǒng)進(jìn)一步朝“集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化監(jiān)測(cè)”方向發(fā)展，即具有自動(dòng)溫度采集、數(shù)據(jù)共享等特征[13-16]。

1系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計(jì)

此在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成溫度的采集，故障電流判斷，高壓帶電的狀態(tài)信息于一體化的多功能系統(tǒng)。結(jié)合10kV電纜終端接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)可以分為三層：MCU數(shù)據(jù)的采集、GSM數(shù)據(jù)包傳輸、Labview上位機(jī)顯示。如圖1所示，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案圖。

數(shù)據(jù)采集部分設(shè)置在電纜分支箱內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的溫度信息、線路故障電流、帶電狀態(tài)等信息用MSP430單片機(jī)待定采集。采集系統(tǒng)分別設(shè)置在輸電線路多個(gè)電纜分支箱內(nèi)，并對(duì)每個(gè)電纜分支箱進(jìn)行編號(hào)處理，便于后續(xù)進(jìn)行故障定位的判斷。當(dāng)電纜終端接頭溫度達(dá)到上限值或線路出現(xiàn)掉電、過(guò)流等故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即將此刻信息采集出來(lái)，通過(guò)GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至主控制臺(tái)，進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)電纜線路無(wú)故障時(shí)，信息采集時(shí)間主要由溫度采集模塊設(shè)置，當(dāng)采集溫度時(shí)間到來(lái)，進(jìn)行電纜接頭溫度采集，采集的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)射頻無(wú)線傳輸方式送給已經(jīng)休眠M(jìn)SP430（低功耗狀態(tài)），產(chǎn)生中斷，單片機(jī)喚醒并執(zhí)行其它信息采集的子程序，采集完成后，將數(shù)據(jù)打包并通過(guò)GSM無(wú)線模塊傳輸給主監(jiān)測(cè)臺(tái)。主監(jiān)測(cè)臺(tái)是基于Labview的上位機(jī)界面，監(jiān)測(cè)臺(tái)匯集了多個(gè)電纜分支箱數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示溫度曲線、線路電壓電流狀態(tài)信息及歷史故障次數(shù)等信息。

系統(tǒng)保證實(shí)現(xiàn)上述功能的同時(shí)，還應(yīng)具有的要求：系統(tǒng)中的測(cè)量模塊與供電模塊應(yīng)保證高壓側(cè)與低壓側(cè)可靠的電氣隔離，盡可能實(shí)現(xiàn)在線非侵入式的檢測(cè)技術(shù)，避免繁瑣的布線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，做到簡(jiǎn)單化、集成化、實(shí)用化。

2電纜終端采集層的硬件設(shè)計(jì)與原理

根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體要求，采用圖2所示原理結(jié)構(gòu)，多個(gè)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)單元采集的數(shù)據(jù)采用GSM無(wú)線傳輸方式送給上位機(jī)平臺(tái)Labview （H）。而在一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)包括了電壓傳感器（A）、電流傳感器（B）、表帶式測(cè)溫傳感器（C）、GSM數(shù)據(jù)發(fā)送模塊（D）、下位機(jī)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)主機(jī)E）及CT+超級(jí)電容供電系統(tǒng)（G）六部分。

線路的帶電狀態(tài)采用電壓傳感器利用電容分壓原理的方式進(jìn)行測(cè)量，耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)通過(guò)光耦隔離器件傳輸給下位機(jī)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)主機(jī)）；故障電流信息用電流傳感器檢測(cè)，通過(guò)光纖傳輸給下位機(jī)；采用表帶式溫度傳感器采集電纜接頭溫度，溫度數(shù)據(jù)通過(guò)射頻無(wú)線方式傳輸給下位機(jī)；下位機(jī)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM發(fā)射模塊傳輸給上位機(jī)Labview進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)顯示。

2.1MCU主接口電路設(shè)計(jì)

基于TI公司生產(chǎn)的16bit的MSP430F149片上系統(tǒng)芯片，是一款超低功耗微處理器，待機(jī)模式1.6μA，具有喚醒時(shí)間短（6μs）、RAM數(shù)據(jù)掉電保存、雙同道串行通信接口、低時(shí)鐘高速通信以及可進(jìn)行同步串行通信等優(yōu)點(diǎn)，適合作為多功能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的MCU，其接口電路如圖3所示。

2.2取能電源的設(shè)計(jì)

電源部分主要由取能線圈（CT）、前端電能調(diào)理電路、后端電能調(diào)理電路三部分組成。

系統(tǒng)供電采用開(kāi)合式CT就地取能的方式，直接套裝在電纜線路上，利用電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線路通過(guò)電流時(shí)，CT副邊感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為

U2≈4.44fN2μ0μr2ImlSλ（1）

式中：μ0為真空導(dǎo)磁率；μr為相對(duì)導(dǎo)磁率；N2為一次線圈匝數(shù)；Im為勵(lì)磁電流；S為鐵芯的截面積；λ為鐵芯疊片系數(shù)；l為平均磁路長(zhǎng)度。

然后經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出直流電。其電路如圖4所示。

如圖所示，套設(shè)在線纜外側(cè)的取能線圈CT1和取能線圈CT2，CT1為一電流互感器，CT2為一帶氣隙的電流互感器，當(dāng)一次母線電流16～220A時(shí)，主要CT1感應(yīng)出電能經(jīng)第一前端調(diào)理電路為后端供電；當(dāng)一次母線電流在220～1000A時(shí)，CT2工作感應(yīng)出電能第二前端調(diào)理電路為后端供電，CT1被短路保護(hù)；通過(guò)后端調(diào)理電路中的超級(jí)電容，可以保證在0～16A可靠供電；因此可以保證線路電流在0～1000A時(shí)，保證高壓側(cè)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)死區(qū)供電。采用兩個(gè)電流互感器配合使用，啟動(dòng)電流降到16A，結(jié)合超級(jí)電容后，不存在供電死區(qū)，可靠性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，不受外界環(huán)境因素干擾及電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)[18-19]。

2.3溫度采集子系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)

采用WD01L39無(wú)線測(cè)溫傳感器，內(nèi)部集成DS18B20數(shù)字式測(cè)溫傳感器，主要特點(diǎn)：體積小、表帶式的外形可方便地安裝在電纜接頭表面，精確度高（分辨率為0.0625℃），定時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集，低功耗（待機(jī)電流2mA），通信采用射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，具有無(wú)線通信自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)[17]，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；內(nèi)部通用數(shù)據(jù)包如表1。

無(wú)線測(cè)溫接收器與MCU采用標(biāo)準(zhǔn)UART協(xié)議方式進(jìn)行通信并通過(guò)用于完成TTL電平轉(zhuǎn)換MAX485ESA芯片電路連接，其轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，圖中A，B兩端之間需加120Ω的匹配電阻R7。

2.4短路故障系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)

短路電流傳感器、接地電流傳感器采用LDL系列短路接地電流故障傳感器，其信號(hào)不受線路、勵(lì)磁涌流、高次諧波、電流波動(dòng)影響，直接安裝在電力電纜上，由它感應(yīng)測(cè)量線路中的故障電流，當(dāng)故障電流超過(guò)整定值時(shí)，傳感器發(fā)出光信號(hào)并通過(guò)光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電與弱電的隔離。

當(dāng)短路傳感器檢測(cè)到電流高于整定時(shí)，光信號(hào)經(jīng)光纖傳送給圖6所示的A、B、C三路信號(hào)調(diào)理電路，當(dāng)光敏二極管接收到信號(hào)后，使三極管工作在線性區(qū)，最終信號(hào)通過(guò)單閥值比較器（LM139A）送給MCU的IO口，以發(fā)故障信號(hào)。

2.5高壓帶電狀態(tài)硬件結(jié)構(gòu)和原理

電容式傳感器的原理分析如下，如圖7傳感器的電路圖及等效電路。

圖中電容式傳感器的電路的等效電路包括3個(gè)電容，其中Cg為空氣隙的電容，Cb為與空氣隙串聯(lián)的介質(zhì)電容，Cm為絕緣完好部分的電容，不包括Cg和Cb，大體上Cm>>Cg>>Cb，故下面的近似計(jì)算可以忽略Cg和Cb的影響，僅以Cm為電容傳感器的等效電容即可。

當(dāng)電容傳感器接入到高壓帶電設(shè)備測(cè)量時(shí)，其容抗值大小由下式得：

Xc=12πfCm（2）

式中： f為交流信號(hào)的頻率； Cm為傳感器的等效電容量。

高壓設(shè)備電壓穩(wěn)定時(shí)，電容式傳感器可被視為交流恒流源，電流計(jì)算公式如下：

I=VXc=2πfCmV（3）

式中：V為高壓母線額定電壓。

由上式可以知道其對(duì)電流大小，以10kV電纜分支箱為例，當(dāng)傳感器容量為pF時(shí)，可得對(duì)地短路電流約為62.8微安，可見(jiàn)其電流為微安級(jí)的，非常小對(duì)人不會(huì)有危險(xiǎn)。

高壓帶電狀態(tài)的電路原理圖如圖8所示，電路的輸入端并聯(lián)接入電纜線路中，設(shè)置在電纜線路的電壓傳感器C1與電容C2，將線路的電壓進(jìn)行分壓，分壓后的電壓經(jīng)過(guò)BRIDGE整流橋整流，得到用于觸發(fā)光電耦合器的電壓信號(hào)，耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)閾值比較電路進(jìn)行比較，最終送入MCU處理，判斷當(dāng)前的線路電壓狀態(tài)，其中，光電耦合器件采用高倍率高速達(dá)林頓光電耦合器6N139，隔離電壓達(dá)3750V，保證了MCU與強(qiáng)電隔離，閾值比較電路采用的滯回比較模式，可有效避免電壓波動(dòng)帶來(lái)的誤動(dòng)作。

3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括下位機(jī)采集層匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)兩方面。

3.1底層匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

底層包括各節(jié)點(diǎn)測(cè)量傳感器，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU處理后匯聚成一數(shù)據(jù)包，經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。MCU有兩種執(zhí)行程序的方式：其一，各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)定時(shí)匯聚到寄存器內(nèi)，此時(shí)MSP430由睡眠狀態(tài)喚醒，傳感器對(duì)線路的帶電狀態(tài)、電流等信息進(jìn)行采集與處理；其二，如果線路出現(xiàn)故障電流或掉電狀態(tài)，故障信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路會(huì)給MCU一個(gè)外部中斷信號(hào)，快速喚醒并執(zhí)行相應(yīng)子程序，最后，各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)方式發(fā)送給主機(jī)。圖10為匯聚節(jié)點(diǎn)的程序流程圖。

3.2上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用 Labview作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，編寫(xiě)方便。上位機(jī)程序流程圖見(jiàn)圖11，對(duì)底層下位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷溫度值和電壓電流狀態(tài)量是否符合相關(guān)的電力系統(tǒng)安全規(guī)定[20-21]，并給出故障信號(hào)。最終可將數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線顯示，Excel大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

4主監(jiān)測(cè)臺(tái)界面設(shè)計(jì)與系統(tǒng)性能測(cè)試

合理的界面設(shè)計(jì)，可提供最直觀的電纜終端信息，介紹了上位機(jī)界設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能測(cè)試。

4.1上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了如圖12所示的主界面窗口。圖中的前面板為某城區(qū)部分地理位置線路的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，有15個(gè)節(jié)點(diǎn)（電纜分支箱）。包括節(jié)點(diǎn)的信息、歷史故障記錄、溫度曲線及GSM通信模塊的信號(hào)強(qiáng)度等信息。

4.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建及性能測(cè)試

模擬10kV、標(biāo)稱面積185mm2的交聯(lián)聚乙烯電力電纜，其允許的載流量320A，根據(jù)圖13所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)中，采用一大容量的單相調(diào)壓器、導(dǎo)線、電感線圈，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載導(dǎo)線電流的大小，實(shí)驗(yàn)中采用20mH的電感線圈做負(fù)載，導(dǎo)線的截面積為2.5mm2，輸出電流能實(shí)現(xiàn)0～10A可調(diào)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)將負(fù)載線路順時(shí)針繞行100匝，這樣電流的范圍擴(kuò)大為0～1000A，為實(shí)驗(yàn)的工作提供了必要的工作環(huán)境。

現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，圖12為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)子界面，為節(jié)點(diǎn)14號(hào)分支箱內(nèi)A、B、C三相電纜接頭的溫度曲線、環(huán)境溫度曲線、三相帶電狀態(tài)及是否存在過(guò)流故障等狀態(tài)信息；過(guò)流與掉電故障用狀態(tài)量“1”表示，沒(méi)有故障用狀態(tài)“0”表示；實(shí)時(shí)曲線可直觀地觀測(cè)箱內(nèi)電纜接頭的溫度狀況以及更好的預(yù)測(cè)溫度變化趨勢(shì)。

當(dāng)系統(tǒng)超過(guò)6h沒(méi)有收到實(shí)時(shí)信息，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，以確保監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。圖15為11號(hào)分支箱歷史數(shù)據(jù)子界面，根據(jù)歷史信息的記錄，能夠有效反映線路事故多發(fā)路段并對(duì)線路進(jìn)行故障定位。

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，如圖14所示，曲線可以反映11號(hào)電纜分支箱的電纜終端接頭溫度變化趨勢(shì)以及線路電壓電流狀態(tài)等故障信息；由圖15可以看出其歷史故障記錄信息，可直觀地反映此處電纜終端一些故障信息，故在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)電纜終端的電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集，并通過(guò)GSM傳入站內(nèi)PC機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)，線路及接頭運(yùn)行發(fā)生異常時(shí)可以做到及時(shí)報(bào)警。

5結(jié)語(yǔ)

中壓電纜終端故障在線監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)對(duì)硬件電路與軟件程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電纜終端接頭溫度、線路故障及帶電狀態(tài)信息的在線監(jiān)測(cè)。中高壓側(cè)的檢測(cè)傳感器模塊及取能電源均與低壓側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)主機(jī)實(shí)現(xiàn)了可靠的電氣隔離，克服了箱內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)電磁輻射的干擾問(wèn)題。其中，電纜接頭溫度、故障信息的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了在線非侵入式的檢測(cè)技術(shù)；數(shù)據(jù)采用GSM無(wú)線傳輸方式匯總到一基于LABVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)，直觀地顯示出電纜終端溫度曲線，歷史數(shù)據(jù)等信息；通過(guò)解析歷史數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)電纜電氣性能預(yù)判斷與線路故障區(qū)間定位的功能。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）