電力電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

電力電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究摘要：中間接頭作為電纜連接部件，多用于兩根電纜中間部位，相對(duì)電纜主體較為薄弱，若是在制造或安裝的過程中出現(xiàn)瑕疵，在運(yùn)行過程中很可能會(huì)出現(xiàn)局部溫度升高的情況，導(dǎo)致其使用壽命快速消耗，引發(fā)安全問題，因此有必要對(duì)電纜接頭的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測。本文研究的主題就是電力電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的建構(gòu)。關(guān)鍵詞：電力電纜；中間接頭；溫度監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言：隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，居民用電規(guī)模開始出現(xiàn)大幅度的提升，為了滿足社會(huì)生產(chǎn)生活的用電需求，我國近些年來持續(xù)加大了電網(wǎng)建設(shè)力度，電力線路作為電能傳輸?shù)闹饕d體，其鋪設(shè)規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)張。為了減輕電力電纜敷設(shè)的難度，一般會(huì)每隔一段距離增設(shè)一個(gè)中間接頭，以減少電纜的牽引力，同時(shí)也可以降低電纜運(yùn)輸?shù)碾y度。中間接頭的制作安裝工藝要求較高，一些些小的問題，如混入水分、氣隙等雜質(zhì)，就可能導(dǎo)致其因局部溫度過高而加速老化甚至被擊穿，引發(fā)火災(zāi)等安全事故。因此為了最大程度的降低中間接頭故障，必須要加強(qiáng)對(duì)中間接頭運(yùn)行監(jiān)測和診斷，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。1電力電纜中間接頭概述1.1電力電纜中間接頭的結(jié)構(gòu)和分類結(jié)合我國電力線路敷設(shè)運(yùn)行的情況來看，電力電纜中間接頭出現(xiàn)故障的概率遠(yuǎn)高于電纜主體，這是因?yàn)橹虚g接頭在電氣性能、化學(xué)性能、熱學(xué)性能以及機(jī)械性能等方面均有著不低的要求?，F(xiàn)今我國電力線路中所使用的電纜接頭與電纜十分相似，如金屬屏蔽層、半導(dǎo)電層、外護(hù)套、纖芯、電纜絕緣等部分在電纜中也有包含，區(qū)別在于接頭中多了連接管、應(yīng)力錐以及接頭主絕緣。其中連接管的主要作用是將兩根導(dǎo)體連接起來，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。在安裝作業(yè)中，連接管末端的電應(yīng)力集中點(diǎn)會(huì)被包裹為錐形，即應(yīng)力錐，其作用是使電纜連接部位的絕緣逐漸復(fù)原。以制作工藝為依據(jù)，可將電纜中間接頭分為澆注式、繞包式、熱收縮型、冷收縮型以及預(yù)制式五種。若以用途為標(biāo)準(zhǔn)則可為分為終端頭和中間接頭，而中間接頭又可以進(jìn)一步細(xì)分為對(duì)接頭、分支接頭、過渡接頭。1.2電力電纜接頭的故障以及發(fā)熱原理分析結(jié)合我國電力線路的運(yùn)行情況，電纜接頭的故障主要可分為兩大類，分別是導(dǎo)體故障和絕緣故障。前者主要是指電力電纜接頭中線芯導(dǎo)體的故障，多表現(xiàn)為主絕緣對(duì)地?fù)舸┕收?、兩芯或三芯短路故障、線芯導(dǎo)體被故障電流燒斷或在機(jī)械外力的作用下被拉斷等。絕緣故障則是指電力電纜接頭的絕緣部分因?yàn)槔匣?、破裂、擊穿等因素出現(xiàn)絕緣性能下降的情況。電力電纜接頭的絕緣層在過高的電壓下會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)性變壞的情況，容易引發(fā)泄漏故障。此外，接頭自身缺陷也會(huì)導(dǎo)致絕緣故障，如制作安裝工藝不足、環(huán)境條件惡劣、外力破壞等都會(huì)導(dǎo)致接頭絕緣層出現(xiàn)缺陷。電力電纜在實(shí)際運(yùn)行的過程中，其主體以及中間接頭都會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，主要來源于線芯所產(chǎn)生的焦耳熱以及各種絕緣材料產(chǎn)生的介質(zhì)損耗轉(zhuǎn)化的熱能。中間接頭內(nèi)部存在的熱量會(huì)在不同介質(zhì)層之間進(jìn)行傳導(dǎo)，與此同時(shí)，其表面與空氣之間則會(huì)產(chǎn)生熱對(duì)流，共同構(gòu)成中間接頭的溫度場。2電力電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)現(xiàn)階段我國電力電纜鋪設(shè)一般每隔400米會(huì)設(shè)置一枚中間接頭，敷設(shè)方式的多樣化以及電力線路覆蓋范圍的廣闊使得中間接頭溫度在線監(jiān)測實(shí)現(xiàn)的難度極高，因此需要借助新一代信息技術(shù)搭建中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。如圖1所示為本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，它主要由軟、硬件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其中軟件系統(tǒng)包括溫度數(shù)據(jù)采集程序、無線通信程序、數(shù)據(jù)管理程序，硬件系統(tǒng)則包括溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、智能電源、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等。圖中的終端節(jié)點(diǎn)即為負(fù)責(zé)對(duì)中間接頭進(jìn)行監(jiān)測的監(jiān)測單元，它是由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無線發(fā)射模塊、智能電源構(gòu)成，具體如圖2所示。其中ZigBee無線發(fā)射模塊所擁有的自動(dòng)組網(wǎng)功能可以使所有終端節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)龐大的在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。圖1電力電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖2終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)終端節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)與安裝在電纜井或電纜出口處的中心節(jié)點(diǎn)建立連接，在數(shù)據(jù)采集模完成溫度信息采集之后，經(jīng)由GPRS發(fā)射模塊將溫度數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、診斷以及后續(xù)的預(yù)警等工作程序。上述系統(tǒng)在中間接頭溫度在線檢測方面具有量大優(yōu)勢(shì)，一是溫度傳感器的分布形式使得其可以對(duì)中間接頭的內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，且不會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，這樣可以更加精準(zhǔn)的計(jì)算出導(dǎo)體的溫度值，若存在溫度異常，則可以快速的鎖定缺陷位置。二是ZigBee與GPRS相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，前者能耗低、具有自動(dòng)組網(wǎng)功能且通信免費(fèi)，而后者覆蓋范圍廣，適合遠(yuǎn)距離無線傳輸，綜合應(yīng)用之下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有環(huán)境下電力電纜中間接頭溫度的在線監(jiān)測。2.2系統(tǒng)建構(gòu)的要點(diǎn)分析在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，后續(xù)的搭建并投入使用需要注意以下幾項(xiàng)要點(diǎn)：一是溫度傳感器的選用。為了保障溫度數(shù)據(jù)采集的精確性和時(shí)效性，在進(jìn)行溫度傳感器選擇的過程中應(yīng)重點(diǎn)把握“實(shí)時(shí)”“精確”“可靠”等幾項(xiàng)關(guān)鍵點(diǎn)，通過對(duì)過往存在的各類的溫度傳感器進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，各類傳感器均存在一定的不足之處，如熱電偶無法實(shí)現(xiàn)長期、遠(yuǎn)距離在線監(jiān)測，紅外成像儀不適合復(fù)雜惡劣的環(huán)境、半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器只適合局部溫度點(diǎn)的測量等。因此最終權(quán)衡之下選擇了DS18B20溫度傳感器，這款智能溫度傳感器的全部傳感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在形如三極管的集成電路內(nèi)，具有體積小、測量精度高、傳輸距離遠(yuǎn)、多點(diǎn)測溫等優(yōu)點(diǎn)。二是數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是對(duì)電力電纜中間接頭的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其設(shè)計(jì)是否科學(xué)直接影響著整個(gè)溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)效性。在硬件設(shè)計(jì)方面，采用51單片機(jī)的最小系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)采用三線制接線方法，芯片方面則應(yīng)盡可能的選擇具有在線編程功能的芯片，這樣更方面程序的錄入。在程序設(shè)計(jì)方面，可依據(jù)溫度傳感器所擁有的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，賦予信號(hào)線接受指令和發(fā)出溫度信號(hào)的雙向通信功能。具體流程如下：在溫度采集模塊程序啟動(dòng)后，單片機(jī)系統(tǒng)開始初始化，之后將溫度傳感器復(fù)位，并發(fā)跳過ROM指令以及溫度轉(zhuǎn)換命令。之后發(fā)匹配ROM命令，獲得一個(gè)溫度傳感器序號(hào)，發(fā)讀溫度命令，若溫度傳感器完成處理，則輸出結(jié)果，若未能完成，則指向下一個(gè)溫度傳感器，回到“發(fā)匹配ROM命令”的步驟。三是取能電源的選用。目前我國電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所面對(duì)的環(huán)境條件變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的蓄電池供電的方式根本無法滿足在線監(jiān)測的要求，對(duì)此需要結(jié)合實(shí)際情況選擇最合適的電源供電方式。目前可用的供電方式主要有太陽能供電、激光供電、電流互感器取能、超聲波供能、微波供能等，不同方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，如電流互感器感應(yīng)取能若是想要投入實(shí)際應(yīng)用，就需要解決穩(wěn)定輸出、備用電源以及長期低熱耗穩(wěn)定運(yùn)行等問題。結(jié)語：綜上所述，通過建構(gòu)電力電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的方式對(duì)電力線路運(yùn)行過程中電纜中間接頭的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的采集、處理、分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障，提前采取措施消除隱患，保障線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。參考文獻(xiàn):

[1]李梟雄.電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)在邯鄲電網(wǎng)的應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué),2018.[2]古