感溫電纜電氣故障辨識系統的設計與實現

趙宏飛，戴晨榕，譚風雷，何 瑜，單 哲，吳 彬，黃 聰

(國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

電氣火災高居所有火災比例之首，在經濟發達地區電氣火災占比達到40%，重大火災中電氣火災占比高達70%以上。發電廠、變電站和換流站是電力系統的重要環節，一旦發生火災將有可能引起停電事故，造成較大的經濟損失，甚至人員傷亡。因此，感溫電纜作為火災報警的測溫裝置已廣泛應用于發電廠和變電站電纜通道與可燃、易燃的設備報警系統中[1]。

感溫電纜又名線型感溫探測器[2]，數字型電纜已逐漸被模擬型感溫電纜所替代[3]。當感溫電纜監測到現場環境溫度變化時，其監測回路的電阻將隨之發生變化[4]，當其溫度達到設定的報警閾值時，單片機將通過報警系統發出報警信號。目前感溫電纜控制器僅能夠判斷感溫電纜是否有故障，但并不能具體辨識故障的種類和短路故障的定位功能。基于此，本文以單片機為核心，以感溫電纜電壓為檢測參數，通過分壓原理計算感溫電纜回路電阻，實現感溫電纜短路故障和斷路故障的有效辨識，當短路故障發生時，能對故障點進行定位。

1 感溫電纜電氣故障辨識原理

1.1 感溫電纜特性

感溫電纜示意圖如圖1所示。感溫電纜為溫度敏感元件，例如JTW-LD-SF500/85A型感溫電纜由三根分別擠塑熱敏絕緣材料的導線絞合而成(其中一根起到增加機械強度作用)，能夠對沿著其安裝長度范圍內任意一點的溫度變化進行探測。當溫度上升至響應值時，感溫電纜線芯間的阻值躍變。

圖1 感溫電纜示意圖

可恢復纜式線型定溫火災探測器的感溫電纜線芯間具有高阻抗特性，其中每根柔性金屬導體外面的絕緣層是用一種特殊的NTC材料制成，當感溫電纜受熱時，金屬導體外面的NTC材料由于熱效應發生阻值變化，如圖2所示。

圖2 感溫電纜線芯間電阻與溫度曲線圖

1.2 電氣故障辨識原理

本系統的工作原理示意圖如圖3所示。其中：R1為回路外加電阻；R2為終端盒內電阻；R1，R2阻值已知，均為1 MΩ；R3，R4為感溫電纜線芯間電阻，阻值較大；Rx分別為兩根感溫電纜線芯電阻，阻值較小；U為供電電源，值為3.3 V；C0，C1為電壓測量引出點。

圖3 感溫電纜電氣故障辨識工作原理圖

由于Rx阻值遠小于R3，R4，因此感溫電纜電阻可簡化如圖4所示。圖4中：R5為感溫電纜線芯間等效電阻，阻值較大。

圖4 感溫電纜電氣故障辨識簡化圖

(3)當感溫電纜線芯間有短路時，假設a，b處短接，參考圖3，由于Rx阻值遠小于R3，因此C0，C1之間的電壓差近似為0 V。

因此，根據分析結果，可以實現感溫電纜電氣故障種類的辨識。

1.3 短路故障定位分析

由圖3可知，正常情況下，ADC通道采集的電壓值近似為施加到感溫電纜回路上電壓值的一半，為0.5U。如果兩根電纜線之間由于機械力破壞、老化等因素發生了短路，即兩根電纜直接構成回路，使回路電阻值近似為感溫電纜自身構成回路電阻值，C0，C1之間的電壓差近似為0 V。

由于兩根感溫電纜線芯電阻Rx較小，無法使用萬用表精確測量，因此考慮采用如下電路進行電阻測量。R6為1 kΩ的固定電阻，R7為0～500 kΩ的可變電阻，1 m的感溫電纜與故障電纜Rx串聯，a，b為電壓測量點。

圖5 感溫電纜回路電阻測量圖

2 電氣故障辨識系統的組成及設計

本系統以單片機為核心，主要包括供電單元、采集單元、辨識模塊、聲光報警系統、顯示系統和通信模塊等組成，硬件系統如圖6所示。

圖6 硬件系統組成部分

單片機采用STM32F103RCT6B芯片，該單片機自身最高主頻可達72 MHz，擁有豐富的輸入輸出接口和多個多通道ADC轉換模塊及SPI等通信接口模塊，其自身抗環境干擾能力強，具有豐富的運算性能和控制接口。供電單元由兩節可充電的18650鋰電池組成，其輸出電壓可達7.2 V，經穩壓芯片為TPS76850和穩壓芯片AMS1117，獲取穩定的5.0 V和3.3 V直流電源，為微處理器、OLED顯示器、指示燈和測量接口供電。OLED液晶顯示屏型號為SSD1306，支持片選和復位信號，支持I2C和SPI串行通信協議，也支持休眠與喚醒。無線傳輸模塊的型號HC-05，支持UART通信協議，支持AT指令集設置傳輸波特率和主從模式等其他工作參數。

3 電氣故障辨識系統軟件設計及步驟

本系統通過測量電路采集感溫電纜兩端的電壓，通過單片機內部的A/D轉換器轉換成數字量，并傳遞到單片機的內部進行下一步處理。感溫電纜辨識結果通過LED指示燈、顯示屏、蜂鳴器以及藍牙模塊傳遞到手機端進行視覺化和聽覺化的顯示，其工作過程如圖7所示。

圖7 工作流程圖

由圖7可以看出，本系統辨識過程主要包括以下五步驟。

(1)通過電壓測量接口與感溫電纜相連接，對感溫電纜的電壓進行采集和轉換。

(2)通過對采集電壓的采集、分析，判斷感溫電纜的狀態。

(4)感溫電纜發生斷路和短路故障均由蜂鳴器實現聲音報警，指示燈實現燈光報警。

(5)感溫電纜辨識結果通過液晶屏進行狀態和參數顯示，同時辨識結果將通過藍牙輸送到手機端，進行存儲和顯示。

液晶屏顯示內容主要包括感溫電纜狀態、端

口電壓和短路點位置。單片機程序中加入檢測濾波算法和干擾補償算法，進一步提高檢測精準度與儀器可靠程度，能夠在復雜的工作環境中實現穩定的檢測。

4 結語

感溫電纜基本覆蓋了生產生活的各個行業，其在火災報警中起著至關重要的作用。目前感溫電纜發生短路故障時，沒有短路故障定位功能，需要更換相關的所有電纜。本系統感溫電纜電氣故障辨識系統可以實現斷路和短路故障的辨識功能，同時可以對短路故障進行定位。

感溫電纜一旦發生短路故障，確定位置之后，僅需更換發生短路故障的部分，減少了全部更換感溫電纜時的資源浪費。另外，本系統通用性強、設計簡單，采用多種顯示和報警方式，設計成本低廉，為其在感溫電纜的廣泛應用提供了一定的前提條件。