便攜式無(wú)線XLPE電力電纜的過(guò)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

哈爾濱電氣國(guó)際工程有限責(zé)任公司 程體陽(yáng)

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中XLPE高壓電力電纜是電力系統(tǒng)應(yīng)用的主流，而隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，電力電纜的老化及表皮腐蝕破損問(wèn)題嚴(yán)重，表皮破損將導(dǎo)致電力電纜放電甚至局部短路。本文研究了一種基于藍(lán)牙的XLPE電力電纜無(wú)線過(guò)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電力電纜絕緣表面溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保電纜的運(yùn)行穩(wěn)定。

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，已經(jīng)逐漸應(yīng)用電力電纜來(lái)傳輸電能。近年來(lái)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)化水平和工業(yè)化水平不斷提高，電力系統(tǒng)也隨之迅猛發(fā)展，因此電力電纜的增長(zhǎng)量也逐年遞增。由于電力電纜空間占有率低，維護(hù)工作量小等特點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)電力系統(tǒng)中。而XLPE電力電纜是目前電力電纜最為廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行及研究經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電力電纜絕緣介質(zhì)的樹(shù)枝狀老化是其性能裂化的主要成因并影響其壽命。絕緣層老化甚至擊穿后，電纜易發(fā)生短路故障，而其局部放電的發(fā)生亦能造成電力電纜絕緣層溫度的升高。

因此，對(duì)于XLPE電力電纜絕緣層的溫度監(jiān)測(cè)在電力系統(tǒng)中十分重要。XLPE電力電纜絕緣過(guò)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于保護(hù)電纜，控制電纜運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)定時(shí)維護(hù)十分重要。而由于XLPE電力電纜常埋于地下或敷設(shè)于電纜槽溝中，其周圍空間狹小且環(huán)境復(fù)雜，因此對(duì)于XLPE電力電纜的絕緣過(guò)熱監(jiān)測(cè)及走線十分困難。基于以上考慮，本文介紹了一種基于無(wú)線藍(lán)牙的XLPE電力電纜絕緣過(guò)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

由于電纜溝或電纜槽盒的空間狹小及環(huán)境的復(fù)雜性，因此本設(shè)計(jì)選取一種無(wú)線藍(lán)牙的方式對(duì)XLPE電力電纜進(jìn)行測(cè)量。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫度傳感器陣列、數(shù)據(jù)傳輸模塊及數(shù)據(jù)采集終端組成。傳感器陣列圍繞著XLPE電力電纜外殼均勻布置，溫度傳感器陣列負(fù)責(zé)檢測(cè)電纜溫度，并將溫度信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)傳輸模塊匯總，溫度傳輸模塊將匯總的電纜溫度數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳遞至數(shù)據(jù)采集終端，在數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，監(jiān)測(cè)，顯示及報(bào)警，同時(shí)能夠與電腦上位機(jī)兼容，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至電腦進(jìn)行儲(chǔ)存或通過(guò)專用溫度測(cè)量軟件進(jìn)行上位機(jī)溫度監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)了溫度信號(hào)的陣列采集，以及溫度信號(hào)的無(wú)線傳輸及集成處理。由于篇幅所限，本文將對(duì)其中的幾個(gè)重要模塊進(jìn)行介紹。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器陣列設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器陣列布置設(shè)計(jì)

傳感器的作用為測(cè)量電纜溫度數(shù)據(jù)，而由于XLPE電力電纜的結(jié)構(gòu)特性（如圖2所示），單一的溫度傳感器無(wú)法滿足電力電纜的測(cè)量要求，因此選用溫度傳感器陣列的方式對(duì)XLPE電纜進(jìn)行過(guò)熱監(jiān)測(cè)。

圖2 XLPE電力電纜結(jié)構(gòu)圖

圖3 溫度傳感器電路圖

圖4 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)溫度傳感器陣列由8個(gè)溫度傳感器構(gòu)成，傳感器均勻布置在電纜外殼上，精確的測(cè)量電纜外殼的溫度數(shù)據(jù)，并將其傳至數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1.2 傳感器陣列硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中溫度傳感器采用業(yè)內(nèi)較為常用的高精度數(shù)字溫度傳感器ADT7420。ADT7420具有工作溫度款，功耗低，封裝小，接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合在小空間，長(zhǎng)續(xù)航等環(huán)境中應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中ADT7420的傳感器連接如圖3所示。

溫度傳感器通過(guò)I2C總線與數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行連接，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊的電源為溫度傳感器陣列進(jìn)行供電。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在。它負(fù)責(zé)整個(gè)溫度傳感器陣列所采集的數(shù)據(jù)，并通過(guò)其所搭配的藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端主機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。數(shù)據(jù)傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用STM32單片機(jī)作為其數(shù)據(jù)處理核心采用STM32L052這款低功耗單片機(jī)核心，供電采用紐扣電池供電。電池供電加低功耗器件的設(shè)計(jì)是為了滿足數(shù)據(jù)傳輸模塊在電纜槽溝安裝的需求，無(wú)需外部供電以及繁瑣的外部接線。ADT1420溫度傳感器陣列與單片機(jī)核心通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而該款單片機(jī)有4條I2C總線接口，因此一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊能夠連接4個(gè)溫度傳感器，一個(gè)陣列需要2個(gè)溫度傳輸模塊。溫度傳輸模塊與上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙交換數(shù)據(jù)，藍(lán)牙選用NRF51822藍(lán)牙芯片，該芯片具有藍(lán)牙5.0協(xié)議，及低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上被廣為使用。每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊搭載一個(gè)藍(lán)牙NRF51822芯片。

2.3 數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計(jì)

電力電纜溫度數(shù)據(jù)經(jīng)溫度傳感器采集后，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊整合處理，在通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至數(shù)據(jù)采集終端。數(shù)據(jù)采集終端的藍(lán)牙芯片仍然采用NRF51822芯片，能夠與數(shù)據(jù)傳輸模塊形成1對(duì)1的手拉手連接，單片機(jī)核心采用較為常用的STM32F103芯片，采用鋰離子電池和電源多重模式供電，既滿足長(zhǎng)續(xù)航能力也能夠?qū)崿F(xiàn)便攜的需求。數(shù)據(jù)采集終端終端可連接3組NRF51822芯片，而通過(guò)nrf51822可實(shí)現(xiàn)3個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)互聯(lián)。數(shù)據(jù)采集終端設(shè)置有程序燒錄模塊，存儲(chǔ)模塊，按鍵控制模塊，顯示模塊以及上位機(jī)通訊模塊。能夠?qū)崿F(xiàn)XLPE電力電纜的溫度實(shí)時(shí)顯示，陣列檢測(cè)，超限報(bào)警，定值設(shè)定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)上傳和導(dǎo)出等功能。實(shí)現(xiàn)了電力電纜的溫度監(jiān)測(cè)以及過(guò)熱報(bào)警等實(shí)用功能。

3 設(shè)備安裝及測(cè)試

在溫度傳感器陣列，數(shù)據(jù)數(shù)傳模塊以及數(shù)據(jù)采集終端搭建完成后，依照原理圖進(jìn)行PCB的繪制，元器件按照以及整體裝配。裝配及程序下載完成后進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)。

傳感器陣列安裝完成后，利用大電流通過(guò)電纜，并通過(guò)紅外測(cè)溫儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測(cè)試結(jié)果

結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)能夠有效地測(cè)出電力電纜表面溫度，并及時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳及處理，對(duì)溫度過(guò)熱情況及時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所需求的功能。

結(jié)論：本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙的XLPE電力電纜無(wú)線過(guò)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其原理，電路結(jié)構(gòu)以及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了論述，測(cè)試結(jié)果較理想，能夠時(shí)間電力電纜的溫度監(jiān)測(cè)及過(guò)熱報(bào)警。對(duì)工程上電力電纜的運(yùn)行維護(hù)具有重要意義。