基于溫度傳感器技術的電纜接口溫度在線監測系統

劉泊辰，張衛東，劉 凱，王 毅，劉 廣

（國網淄博供電公司，山東 淄博 255000）

0 引 言

隨著我國電力技術的不斷發展，電纜在電力系統中的應用越來越重要。電纜中間接頭是電纜重要的連接部位，尤其在環網柜工作運行中，一定要把握接口的溫度，避免因為電阻過大產生缺陷。例如：電能負荷過高導致電纜接頭溫度過高，從而加劇電纜絕緣老化，縮短使用壽命，造成電力系統的不穩定。電纜接頭溫度傳感器技術有效提升了對電纜在線接口溫度的監測，具有重要的應用價值。

1 環網柜電纜的結構與分類

電力電纜按材質劃分有油浸紙絕緣電纜、塑料絕緣電纜和橡皮絕緣電纜，通常由纖芯、保護層、屏蔽層和絕緣層構成。每種電纜的特性不同，有不同的耐受點、溫度控制能力以及阻燃性等特征，針對使用場景的不同材料也具有差異。環網柜電纜的分類有多種，目前分類中最常見的是按照電壓等級和絕緣材料分類。依照電壓等級進行分類，可分為[1]：低壓其電壓小于1 kV，通常為0.6/1 kV或1/1 kV；中壓和高壓的電壓在6～35 kV，一般分為3.6/6 kV、8.7/15 kV、26/35 kV等；高壓環網柜的電纜電壓介于63～220 kV，通常為36/63 kV、64/110 kV或127/220 kV等。研究得知，電力電纜的絕緣質量會直接影響環網柜電纜的傳輸性能。

2 電纜接口溫度監控技術原理

電纜接口導電線芯可以分為銅芯電纜頭和鋁芯電纜頭。根據結構不同可以分為T型電纜接頭和肘型電纜接頭。電纜頭普遍存在密封性強特點，在實際工作中難以測控導線線芯的溫度。所以，對于電纜頭的溫度控制，要通過測量電纜接頭表面溫度反映線芯溫度，設計如何進行傳熱，從而建立起電纜接頭表面溫度和線芯溫度的關系。

電纜接口溫度監控系統采用傳熱基本理論進行。傳熱學是物體和物體之間、物體內部之間進行傳遞熱量的科學。溫度只要有高低差異，必然會從溫度高的地方向溫度低的地方流轉。熱機理不同，分為導熱、對流以及熱輻射3種方式[1]。導熱是由微觀粒子進行無序運動建立的物理過程，從溫度高的地方流向溫度低的地方，通過導熱系數、物理參數實現溫度調節，與材料種類和溫度有關。對流是一種物體間宏觀相對運動進行的熱量傳遞，對流發生流體中進行導熱，而對流換熱系數作為重要的參數，可以反映對流強弱的物理量，它取決于流體的熱物性、流體流速、流態以及幾何大小和溫差。輻射能是物體在運動發展變化中不同的電磁波釋放以及物體間互相發射電磁波的情況。

3 電纜接口溫度在線監測系統的設計

溫度傳感器作為電纜接頭溫度在線監控的重要終端硬件，主要負責對監控區域的各個電纜接頭的溫度采集和監測，并將信息傳遞給協調器節點。一般從硬件和軟件兩個方面降低功耗，選擇硬件集成化程度高、功能全面成熟的芯片。軟件選擇主控制模塊軟件和GPRS模塊實現數據傳輸。

3.1 終端節點的硬件設計

3.1.1 終端節點的結構設計

終端節點由ZigBee節點和溫度采集模塊組成。ZigBee節點一般分為處理器、采集部分、電源部分以及調試和復位電路等，最重要的部分是處理部分和無線通信部分。外圍電路有電源管理、編程調試復位電路等。

3.1.2 系統硬件設計

該系統硬件采用溫度傳感器、GPRS定位模塊、微處理電路設備、ZigBee通信模塊和支撐電源模塊組成[2]，其中溫度傳感器采用數字溫度傳感器，利用單總線的傳輸原理，可以和微處理器進行一根線連接，并且能夠支持多個網點布控，實現多點溫度測溫。使用時與外圍電源以及器件達到配合效果，將測控溫度參數通過通信節點及時傳輸到協調端。ZigBee模塊采用獨立芯片，實現微處理串口通信連接，發送AT指令實現與GPRS模塊的傳輸，通過基于TCP/IP協議的GPRS網絡實現監測數據之間的信號傳輸。

3.2 系統軟件設計

主控模塊作為軟件系統的關鍵所在，程序初始化后，中斷各個串口的數據，執行子程序，實現和ZigBee協調器、GPRS模塊之間的數據傳輸，如圖1所示。

圖1 處理器軟件流程圖

GPRS模塊要通過指令完成協議，格式為AT+指令文字方式，回車鍵操作，中間添加實際內容，主要包括操作設置、測試、狀態查詢以及命令執行等。當GPRS模塊收到相應AT指令后，實現電纜接頭實時溫度控制，并且發送數據到終端電腦上分析。具體流程：建立一個TCP/IP功能初始化，建立一條TCP/IP鏈接打開現場數據和服務器傳輸入口，設置數據模式并進行發送，實現電纜接頭溫度數據監測發送工作，發送完成后關閉鏈接。

3.3 ZigBee無線網絡軟件設計

該網絡是建立在溫度采集終端和協調端之間的程序。ZigBee無線網絡編程在開發憑條及IAR進行，嵌入式系統開發程序通過ANSI標準編輯器、ISO/ANSI C和嵌入式C++庫進行編程，大大提升了效率，提升了多種代碼的優化方式[3]。一般對系統格式化，執行操作系統，跳到用戶時間，實現終端設備和協調設備的連接。

3.3.1 讀溫度傳感器數據

程序啟動后初始化傳感器，進行數據循環收集工作，使用溫度傳感器采集溫度，數字信號無需轉換。對多點測控溫度，建立傳感器64位序列號和測控為支點，通過芯片進行工序控制和讀取數據，將數據存儲在CC2530芯片內存，再通過ROM進行數據編號，匹配ROM給出一個地址編碼，只有編碼和溫度傳感器一致才能響應，從而為下一步傳感器讀寫作準備。

3.3.2 終端節點的程序設計

通過加入網絡將數據傳遞到協調器，終端節點和ZigBee模塊初始化操作，協調發送信號給網絡。該設計要與接收的超幀結構實現設備同步，終端節點一一配對。匹配成功后，實現終端節點與協調端建立起無線網絡傳輸溫度數據。

4 結 論

電纜接口的穩定性對電力正常運轉具有重要作用，可提升產品質量和現場工藝水平。溫度是反映電纜運行的重要參數，因此對環網柜電纜接頭進行監測，可有效防止電纜接頭老化，消除安全隱患，增強電網的穩定性和可靠性，實現電力企業的健康發展。