高壓設備電纜接頭溫升在線監測系統的研究與設計

文／青島科技大學機電工程學院 蔡漢明 李昶利 周燁／

0 引言

電力設備由于生產品質、安裝質量、使用年數、使用頻度及使用環境等影響，造成安裝處接觸不可靠，溫升超出國家規定的允許范圍，使得電纜終端絕緣老化，甚至出現擊穿損壞等嚴重后果[1]。為了早期發現設備故障、避免事故，世界各國都投入大量的人力物力，研究故障預測的診斷技術。在實際運用中需將3相溫度傳感器以保溫的方式貼裝在電纜附件發熱部位的表面，另一只溫度傳感器用于測量電纜頭周圍環境溫度，通過環境溫度和絕緣層內的溫度的溫差比較，準確地判斷電纜頭電連接觸處溫度，運用射頻通訊技術對傳感器采集到的信號進行無線傳輸，將實時溫度數據送至后臺監控中心。開合式互感器獲取高壓電纜的一次電流，為檢測系統提供電源，解決在沒有輔助電源的環境條件下電纜頭溫度采集和現場溫度顯示的問題。這種測量方法安全可靠，測量數據準確，適用于新設備安裝也可以應用與老設備改造。數據采集變送器和顯示儀表之間可以采用無線方式進行數據傳輸，溫度異常時發出報警接點信號。監控中心的專家系統軟件對運行的歷史數據可以通過橫向比較、縱向比較的方法，形成運行曲線或統計報表，及時、準確地發現電纜頭的故障狀態。

將高壓帶電指示器和電磁耦合取電技術引入高壓設備電纜接頭溫升在線監測，致力于解決接頭異常溫升的監測問題。主要由三個部分組成：高壓帶電指示器、數據采集器和高壓設備電纜接頭溫升在線監測,每個系統對應3個數據采集器,采集的數據通RS485總線與上位機進行點對多點通信。圖1為系統的總體結構框圖。

圖1 系統總體結構框圖

1 溫度采集模塊

溫度采集模塊用NTC10K熱敏電阻實現接觸式物體表面溫度的檢測，它的溫度測量范圍為-40℃～125℃，阻值70K～0.7K。熱敏電阻用安裝帶捆扎在電纜頭附件的表層，使發熱點傳導到電纜頭附件表層的局部溫度能夠保持。

溫度采集模塊的原理圖如圖2所示。其工作原理為：由R1、R2、C1、C2和555定時器組成一個多諧振蕩器[2]。其中C1為特殊的無極性電容，由滌綸材料制成，有耐高溫的特點。R2為NTC熱敏電阻，隨著溫度的上升，電阻不斷下降，且溫度和電阻關系曲線成非線性。由于R2的阻值隨著溫度在改變，所以輸出的方波周期也在不斷改變。通過單片機捕獲方波的周期，可以算出R2的阻值，由此可查表得出此時的溫度。

圖2 溫度采集模塊原理圖

2 電源模塊設計

數據采集器采用小CT取電的方式來獲取穩定的直流電源無需電池就可連續供電，完全避免了電池工作壽命短、遇高溫易爆炸的危險。

CT（current transformer），即電流互感器，它的工作原理和變壓器相似。在線路電流變化很大時利用鐵心的磁飽和特性，可以得到相對穩定的直流電壓，這就是本電源設計的理論依據[3][4]。

圖3 小CT取電器原理框圖

小CT取電即從高壓母線上感應得到交流電能，然后經整流、濾波、穩壓、DC-DC變換等，得到穩定的5V電壓，為后面的電子電路提供電能，設計框圖如圖3所示。

圖4所示電路的工作原理是：小CT從一次側感應出交流電壓，經過平波電抗的限制，得到一個較小的交流電壓，再經過整流橋，得到較小的直流電壓，經過穩壓電容和泄放電路、濾波電路，得到一個穩定的直流電壓，最后經DC-DC電路，得到穩定的5V直流電源下面著重分析整流濾波降壓穩壓部分電路[5]。

3 監測系統軟件設計

在軟件開發過程中，采用MPLAB軟件作為集成開發環境。利用MPLAB對PIC16F877單片機進行程序編寫，通過PICC編譯器對代碼進行編譯[6]。系統軟件部分主要由數據采集器和通信接口兩大部分組成。其中數據采集器又由以下功能模塊組成：溫度采集模塊（INT0）、節點喚醒模塊（定時器0）、數據處理模塊、液晶顯示模塊和存儲模塊等。圖5為系統主程序流程圖，圖6為溫度處理模塊軟件流程圖。

圖4 小CT電路原理圖

圖5 系統主程序流程圖

圖6 溫度處理模塊軟件流程圖

NTC熱敏電阻，一般采用查表的方法獲取溫度值，這就涉及到溫度和阻值的對應關系。廠家可以提供溫度阻值對照表，但一般的零售商是沒有的，那只能通過公式計算得到R-T表。雖然NTC熱敏電阻溫度和阻值不是呈線性的關系，但通過下面的公式4-1仍能計算出溫度和阻值的對應關系：

Rt＝R×EXP（B×（1/T1-1/T2））

其中：Rt是熱敏電阻在T1溫度下的阻值，R是熱敏電阻在T2常溫下的標稱阻值，EXP是e的n次方，T1和T2指K度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度，B是熱敏電阻器的材料常數。

通過公式算出R-T對應表后，存放在數組內，數組內的元素是完成計算的電阻值，數組的下標是溫度，這樣只要查到對應的NTC阻值，溫度自然就知道了。對于單片機的ROM來說，做1度間隔的表是比較現實的，一度以內的溫度值可以使用二次插值計算來解決。如果當表比較大的時候，要考慮查表的時間，一般是對經過排序的表使用對分查找的算法來實現。

圖7 溫升在線監測系統上位機功能框圖

圖8 25℃時555輸出波形

本系統上位機采用了C#語言在Visual Studio 2010.NET環境下編程完成。.NET繼承了大量實用的類庫，本系統上位機部分主要使用Serial Port類和Thread類進行串口通信與多線程編程。Serial Port類為應用程序提供了通過串口收發數據的簡便方法，具有功能強大，通信快速和實時性好等特點。

在軟件設計過程中采用模塊化的程序設計方法，這樣有助于程序復用、修改和系統調試?？傮w結構框圖如圖7所示。主要分為登錄模塊、用戶管理模塊、節點管理模塊、數據管理模塊和串口模塊。

4 溫度采集模塊的測試

溫度采集模塊是由555芯片和NTC電阻等組成一個多諧振蕩器，在溫度為25℃時實測波形如下圖6-2所示，魷魚NTC在25℃時的阻值為10K，和電阻R1阻值相等，所以此時占空比為2：1。

然后加熱NTC，當溫度升高時，NTC阻值下降，此時波形周期變短，高電平和低電平時間均變短，如圖8-圖9所示。

5 集成測試環境

為了對所設計的溫度在線監測系統進行實驗驗證，在三相電纜接頭上分別安裝了數據采集器。三相電纜接頭的溫度信息可以通過液晶屏的面板顯示。實驗時，斷路器通電電流為AC1375A，通電時間為6小時，分別記錄在1、2、3、4、5和6小時的溫度值，液晶顯示儀表與熱電偶標定裝置對比數據如表1所示。

從以上數據可以看出，測溫系統所測得溫升與標定儀所測溫升基本一致，誤差在土1.5℃以內，主要在讀數產生的誤差。測溫裝置與標定儀所測溫度有一定的偏差，產生的原因是測溫點不在同一點，標定儀更接近接頭，溫度略高，而測溫裝置離觸頭略遠一點，導致二者之間存在一定的溫度差，但從所測數據可以看出，二者之間差值相對固定，且在實際應用中均是以溫升大小來反映測溫儀器接觸性能的，從而說明該測溫裝置可以準確地測量出斷路器的實時溫升。

圖9 加熱后555輸出波形

同時對高壓設備電纜接頭溫升在線監測系統進行了耐高溫試驗，將設備放在125℃恒溫箱內連續工作10小時，在整個試驗過程中測溫系統均工作正常。

6 總結

溫度的異常變化往往是電氣設備故障或事故的直接表征和前期預兆,所以通過對溫度的實時在線監測，結合溫度變化量的特征和具體監測對象的特點，綜合分析、診斷和確定引起溫度異常的“病根”，可以將事故隱患消除在萌芽狀態。本文設計的系統可以對高壓設備電纜接頭溫升進行在線實時監測，及時發現故障。試驗表明該系統工作性能穩定，測溫數據準確。

[1] 任燕霞.實時在線無線溫度監測預警系統的研究與應用[J].科技傳播,2011,8:145-146.

[2] 康華光.電子技術基礎數字部分（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2005.

[3] 郭吉偉,梁魁,董凌凱.有源電子式電流互感器高壓側電源的研究[J].四川電力技術,2008，31(3):54-56.

[4] 崔莉,鞠海玲,苗勇等.無線傳感器網絡研究進展[J].計算機研究與發展,2005,42(1):163-174.

[5] 呂麗娟.基于無線傳感器網絡的振動監測系統的研制[D].大連:大連海事大學,2007.

[6] 孫燕,劉愛民.Protel99設計與實例[M].北京:機械工業出版社,2002.

表1 顯示儀表與標定裝置的溫升對比數據