基于熱傳導梯度電纜溫度在線監測系統

蔣 超，徐 妍，王江彬

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京 210036）

電力電纜實際運行時負荷電流很大，由于導線電阻的存在，導線的熱量W=I2Rt，隨著時間的推移，電纜線芯逐漸發熱。如果電纜長期處在溫度過高的使用狀態，將會加速電纜絕緣層的老化，最終導致火災、短路、爆炸等電力事故[1-4]。目前，針對電力電纜運行狀態的評估，主要是監測電纜運行時的工作溫度。在電纜運行溫度在線監測中，主要有兩種方法：1）接觸式溫度監測；2）非接觸式溫度監測。其中，接觸式溫度監測方法按溫度傳感器的分布情況又可分為點分布式溫度監測和線分布式溫度監測[5-6]。點分布式溫度監測采用熱電偶，熱敏電阻、數字式溫度傳感器等傳統溫度傳感器對電纜進行局部測溫，一般安裝在電力運行線路的重點監測區域，例如：電纜接頭等處[7-9]。這種方法測溫精度高，成本低，安裝簡單。不足之處在于只能點測量溫度不能長距離進行溫度監測。線分布式溫度監測主要采用分布式光纖傳感器、光纖光柵傳感器，有著其他所有測溫技術所沒有的優勢[10-11]。傳感器安裝方式有兩種：一種是沿著電纜線路敷設在電纜表面。這種方式可以測量電纜全線的溫度數據[12]，但是由于需要長距離敷設，成本較高，工程量大。另一種是將光纖溫度傳感器安裝在電纜的內部，和電纜形成一個整體。這種方法在電纜制作、電纜鋪設中光纖傳感器受擠壓或者彎曲較嚴重時會影響系統測量精度[13]，而內置光纖一旦損傷無法修復。同時，相關研究表明分布式光纖溫度傳感器雖有較大的優越性，但離工業實用化還有很長的一段距離。非接觸式溫度監測主要采用紅外熱成像技術，測量方便，響應時間短[14-15]。目前，電力公司一般在巡線的時候采用紅外熱像儀對電纜設備進行測溫。這種方法也只能進行點式測量，不能全線在線監測。文中結合點式、線式以及非接觸式測溫的方法，提出一種基于熱傳導梯溫度導熱傳感器的點式測溫方法，可大大提高點分布式測溫的范圍。

1 系統設計

ΔQ為從導線一端傳到另一端的熱量，Δt為熱傳遞的時間，λ為導熱系數，S為導體的截面積，l為導體的長度。T1為發熱原點的溫度，T2為測量點的溫度，T1-T2為發熱原點到測量點的溫差。從式（1）可以看出，導體的溫差和導體的傳熱長度成反比。同時，電力電纜的絕緣層、護套層等都是均質的，其熱傳導率也是均值的。由于電纜散熱很快，電纜運行時發熱點的熱量沿導線傳輸的距離很短。該系統設計了一種基于熱傳導的導熱傳感器，可將發熱點的溫度長距離傳至溫度監測點。簡化式（1）為：

12月20日，@央視新聞的微博轉發了一則“國家語言資源監測與研究中心”發布的“2018年度十大網絡用語”，還以此編輯了一段邏輯順暢、正能量爆棚的熱詞串燒：

由（1）可看出，溫差越大，傳輸的距離就越遠。文中做了相關試驗，試驗條件為：將線徑為2.5 mm2放在塑料線槽內，用隔熱泡劑做好隔熱處理。導線一端剝開后放置在恒加熱的開水中作為發熱源點，導線另一點接在K值電阻熱傳感器上，為了減少熱量散失，將溫度測試處也用隔熱泡劑隔熱。試驗結果如表1 所示。

表1 導熱傳感器熱傳導測試

溫度采集點監測溫度信號，并把溫度模擬值轉成數字值，通過無線的方式傳至匯聚節點。每個采集點具有一個唯一的地址碼。匯聚節點為無線通信主機，溫度采集點為從機。該系統需要精確測量溫度，需要較高的A/D 轉換精度。溫度采集點主控芯片采用HOLTEK 公司的HT67F5640，該芯片內置多通道20 位A/D 轉換器，1 路測量電纜溫度，1 路測量環境溫度。HT67F5640 串行接口模塊實現與NRF24L01 無線通信模塊的SPI 通信。溫度采集點地址編碼采用16 位撥碼開關設置，最多可布置65 536 個采集點。溫度采集點數量可依據實際情況增減。為了供電方便，溫度采集點設計鋰電池充電電路，電路設計如圖5 所示。

圖1 系統設計框圖

1.1 溫度采集點

匯聚節點[16-18]無線接收溫度采集點傳輸來的電纜溫度數據、環境溫度數據和地址編碼。每個匯聚節點根據溫度采集點布置的距離確定控制溫度采集點的數量。為了避免同頻道多點通信的碰撞問題，該系統設計了令牌環網式防碰撞算法。匯聚節點定時查詢所在范圍內的溫度采集點的溫度值，整理打包后發送至上級集中控制器。

1.2.2 匯聚節點軟件設計

圖2 導熱傳感器示意圖

溫度采集點傳感器采用精度為一級的K 型熱電偶，利用金屬的“熱電效應”，把熱信號轉變為電信號。即當金屬兩端溫度不同時，金屬兩端產生電位差，電位差的大小取決于溫度差的大小與金屬材料的自身屬性。熱電阻前端放大器采用AD8495 高增益高精度精密放大器，具有內建的冷接點補償，可以針對環境溫度變化自動調整熱電偶輸出。J1接熱電偶，AIN1 接A/D 轉換電路的模擬輸入端。電路設計如圖4所示。

圖3 測溫度點布置示意圖

集中控制器通過RS485 通信方式與匯聚節點進行數據交互，讀取匯聚節點中的溫度數據以及其他相關信息。集中控制器與控制中心上位機采用USB通信。集中控制器采用STM32F103 系列芯片為主控芯片。設計電路包括：1）RS485 通信電路；2）USB 通信電路；3）RS232串行通信電路。電路圖如圖8所示。

試驗結果表明，經隔熱以后，熱量延導線軸向傳輸距離顯著增加了。為實現電纜長距離溫度監測，該系統設計了電纜多點點式溫度采集，通過傳導傳感器延伸了溫度測量的距離，克服了點分布電纜溫度采集不足，從而為實現長距離電纜溫度的在線檢測提供一種方法。系統框圖如圖1 所示。

該系統采用點式溫度采集方式，即在監測電纜上依據一定距離布置導熱傳感器，傳導并采集本段電纜的運行溫度。導熱傳感器示意圖如圖2 所示。導熱傳感器中心為導熱系數很高的金屬線芯，在線芯外圍是隔熱層，確保導熱線芯的熱量不散出去。隔熱層厚度和材料以熱傳導距離而定。在導熱傳感器的A、B、C 點處有熱傳導點與導熱線芯相連。溫度測量時，將導熱傳感器與電纜附在電纜表層，使測熱點與電纜表層良好接觸。為防止測熱點與電纜表層氣隙，可在測熱點處涂上少量導熱硅膠。B 點為溫度測量接口。發熱點如果在A 點附近，熱量就會沿著導熱傳感器傳至測量點，B、C 點同理。這樣溫度測量點就可以測量AC 段所覆蓋的電纜長度，擴大了溫度測量的距離。

圖4 熱電偶放大電路

局部情況：傷口敷料滲出，呈淡紅色血漬印，更換敷料加壓包扎后短時間內仍出現上述癥狀。有些患者傷口敷料雖清潔干燥，但傷口周圍皮膚出現隆起，觸及有波動感，提示皮下有腦脊液滲出。脊柱手術后24 h傷口引流量增多，有時多至1 000 ml以上，顏色呈淡紅色或清亮液體（正常＜300 ml，呈血清樣混濁液）。

圖5 溫度采集點控制電路圖

1.2 匯聚節點

軟件系統主要包括兩部分：1）與溫度采集點無線通信，匯聚節點為主機模式，溫度傳感器為從機模式；2）與集中控制器總線通信，匯聚節點為從機模式，集中控制器為主機模式。多點通信軟件較為復雜，文中僅給出了單點通信時的軟件流程圖，如圖7所示。

結合實際實驗，最終優化后的微波烘干鳳尾魚片的工藝參數是：烘干質量120 g，烘干時間12 min，微波功率3 kW，最后采用該優化參數進行剪切力和感官評價試驗，感官評價分為94.5分，同時感官評價最佳風味魚片的硬度值為1538.45 g，2.03%的硬度誤差和1.24%的感官評價誤差，說明經過響應曲面優化后的Y1，Y2 模型應用于實踐中是非常可行的。

圖6 匯聚節點控制電路

綜上所述，河道整治工程要保護河道的生態環境，以維護物種的多樣化作為首要前提條件[3]。要摒棄過去防洪為主、利于航行以及穩定河流演變的觀念，單一的、維穩的觀念造成今天自然災害頻發、人類與自然不能和諧相處的境遇。因此，河道整治工作要意識到河流生態環境的平衡與生態平衡發展的重要性，要認識到河道性質及河道演變的適度性，從而真正使河道整治工程產生益處。

2 集中控制器

測量電纜溫度時，如圖3 布置導熱傳感器。發熱點在X處，則M 點溫度高于N、Q。忽略電纜本身的軸向熱量傳輸，測試盲區為導熱傳感器的間隙。

從四川省申報全國特色小鎮的類型分析，主要為自然風光、農業、古鎮三大特色，基本以文旅小鎮為主，整體處于向融合、跨界、共享的新時期轉變。四川省將利用特有的文化、歷史資源，將文旅小鎮營造為生產、生活、生態的“三生融合”，產業、文化、旅游“三位一體”，一二三產業聯動的“三產聯動”于一身的小鎮［6］。

圖7 單點通信時的軟件流程圖

圖8 集中控制器電路圖

表2 集中控制器與上位機通信數據定義

3 結束語

該系統提出了一種基于熱傳導梯度的導熱傳感器電纜溫度在線監測方法，并設計了基于該方法的電纜溫度在線監測系統。實際使用中，在電纜相應節點上布置一定長度的導熱傳感器形成帶狀溫度采集點，多個溫度采集點組成無線傳感網絡。系統根據溫度采集點的地址編碼和匯聚節點地址編碼，精確采集溫度采集點的溫度，確定電纜發熱點的區域，為電纜運行狀況監測和故障點判斷提供數據支持。文中在小功率短距離電纜上做了相關測試，取得了較為理想的效果。該系統采用在電纜表層粘連導熱傳感器的方式，增加了電纜溫度在線監測的距離，導熱傳感器安裝方便，更換快捷，產品成本低廉。忽略電纜本身的軸向熱傳導特性，導熱傳感器的間隙還是該系統的檢測盲區。目前系統只能確定發熱點基于導熱傳感器的位置，隨著導熱傳感器長度的增加，不能精確確定發熱點的位置。因此，還需在以下兩方面做進一步研究：1）研究導熱傳感器及制作工藝，增大導熱傳感器的檢測距離，得出溫度梯度下降的數學模型；2）依據導熱傳感器的傳導長度，適當增加溫度測量點數，通過不同溫度測量點的溫度梯度精確確定發熱點的位置。