電力電纜頭溫度監測與報警系統的設計與研究

王錕 譚王景 劉曉莎

摘 要：現代化城市對電能的依賴程度愈來愈高，日常生活用電與工業生產用電的需求量亦不斷擴大，不但必須經由大型的電網系統供應電力，同時對電力電纜系統亦有較高要求。電力電纜線路因節約空間、供電可靠性高等諸多優點成為電能傳輸的重要載體。國家電網規模的不斷擴大導致了電力電纜的鋪設范圍也相應擴大，與此同時，由于電力電纜的連接數量也越來越多，由電力電纜接頭問題所引起的供電故障也更加明顯，其中，由于電力電纜絕緣老化而引起的溫度上升和接頭滲漏等問題較為常見，再加上泄露時輸出電壓與溫度上升呈反比，最嚴重時會導致絕緣擊穿。所以，對電力電纜的發熱分析就引起了人們前所未有的關注。

關鍵詞：電力電纜頭 溫度監測 報警系統 設計研究

Abstract：Modern cities are increasingly reliant on electrical energy， and the demand for electricity for daily life and industrial production is also expanding. Not only must electricity be supplied through a large power grid system， but it also has higher requirements for power cable systems. Power cable lines have become an important carrier of power transmission due to many advantages such as space saving and high power supply reliability. The continuous expansion of the scale of the national grid has led to a corresponding expansion of the laying range of power cables. At the same time， due to the increasing number of power cables connected， the power supply failure caused by the problem of power cable joints is also more obvious. Problems such as temperature rise and joint leakage caused by insulation aging of power cables are relatively common. In addition， the output voltage is inversely proportional to the temperature rise during leakage， which will lead to insulation breakdown in the most serious cases. Therefore， the thermal analysis of power cables has attracted unprecedented attention.

Key words：power cable head， temperature monitoring， alarm system， design research

隨著傳感器產品技術、測量技術及計算機技術的不斷發展，目前中國國內的電力電纜測試領域已涌現出了通過測試預判線纜過熱隱患、利用直流堆疊方法根據獲取的直流分量測算線纜絕緣阻力、利用交流疊加法監測線纜的絕緣老化程度，及根據直流分量法測試由水樹枝整流產生的直流泄漏分量等手段。目前，電力電纜發熱分析方法主要有二個特點，一是聚焦于利用研究電纜對自身本身的發熱來判斷電力電纜的有效載流，另一是通過考察應用環境中產生的外部或人工熱量對電力電纜有效載流的影響。

溫度檢測技術主要有光纖、熱敏電阻等接觸式測溫，以及紅外線等非接觸式測溫。光纖測溫技術主要是將光纖在線纜中加工時預制在線纜的絕緣保護層，從而能夠直接檢測到線纜中絕緣保護層的溫度，但是由于光纜測溫技術具有成本高昂、光纖易斷且不易更新等問題，制約著光纖測溫技術的廣泛使用。而熱敏電阻測溫技術由于簡便、安全、檢測精確、體積小和靈敏度高等而得到了大量的使用，但是由于熱敏電阻測溫的技術主要應用在短距離測溫，而遠距離傳輸時將會由于距離的增大，而產生溫度信息的快速衰減。紅外線測量溫度盡管具備了測量范圍較廣，且不會改變被測量對象自身的溫度場，且紅外線測溫儀自身也不受到被測量設備溫度場的損傷等優勢，但仍面臨著易受周圍環境溫濕度檢測影響且只能檢測到設備外部環境溫度等問題。本文設計了電力電纜頭溫度監測與報警系統。

1 系統總體設計方案

電力電纜頭溫度監測與報警系統的實現需要溫度監測終端、4G通信、云服務器以及信息管理系統、溫度異常判斷以及報警功能動作之間相互聯系，系統總體設計方案如圖1所示。

本文所提出的電力電纜頭溫度監測與報警系統的工作原理，如圖2所示。首先，在整個的系統中搭建4G網絡通信，利用溫度采集模塊進行實時采集溫度數據，將采集得到的溫度數據由云服務器傳輸至信息管理系統，在信息管理系統中進行數據處理，主要是尋找異常的溫度數據，并判斷電力電纜頭溫度異常缺陷，并根據情況作出預警報警等功能動作，直至任務結束。系統的工作流程呈現單向的現行結構，不存在彼此之間任務的重復與交叉。這種結構最大的優勢在于：系統各個部分的工作之間能夠最大程度的減少干擾，各個部門各司其職，能夠最大保證數據處理的準確性，避免因系統結構過于復雜，導致最終的數據處理結果出現問題，使得實際工作受到損失。

2 溫度監測與報警系統的硬件設計

電力電纜頭溫度監測裝置的硬件設計結構如圖3所示。主要由以下幾個重要的部分組成：CPU核心板（STM32F103）、4G通信模塊、溫度采集模塊、電源電路以及儲能電池。在硬件設計當中，電源的設計是極其重要的一個部分，在系統硬件中所要應用到的電池，需要有著極大的儲電量，在實際應用貫徹各種更不需要進行頻繁的更換，這樣在節省項目應用成本的同時，還能夠很大程度上減少系統維護工作人員的工作壓力，保障相關人員的工作安全。同時，電力電纜頭部分工作過程中會產生局部的高溫，用于電力電纜頭部位的溫度監測終端硬件要具備極強的耐高溫能力，防止因高溫造成系統硬件的使用故障。為此，本次設計中關于系統中硬件終端的電池，選擇使用儲能更多是，更能適應高溫環境工作條件的高能電池，作為本次系統設計中溫度監測終端硬件的基礎電源。

溫度采集模塊中的溫感元件主要是采用PT100監測溫度。PT100溫度傳感器是一種以白金做成的電阻式溫度檢測器。PT100的測溫原理主要是基于電阻的熱效應進行溫度測量，根據電阻的阻值隨溫度的變化而改變的特點，因此通過感溫電阻的阻值來確定溫度。PT100測溫元件，當溫度為0攝氏度時，阻值為100歐，其電阻R和溫度T變化的關系式如式2-1：

PT100探頭主要放置在電力電纜頭相應的溫度測量位置，溫度變化會引起PT100阻值發生變化，對應單片機的ADC采集引腳的電壓也會發生相應的變化，電壓信號測量的準確度將直接影響溫度測量的精確度。

為減小測量誤差，采用了如圖4所示的測溫電路，該電路選用三線制的PT100測溫元件通過橋式測溫電路有效的消除傳輸過程中造成的信號干擾，通過AD623放大器將mV級壓差信號放大51倍后傳輸至STM32F103的ADC引腳。

電壓信號被單片機讀取后，利用公式（2-2）可以計算得到PT100的實時阻值，通過公式（2-1）反求溫度值，即得到電力電纜頭的溫度監測值。

3 溫度監測與報警系統的軟件設計

溫度采集模塊采集電力電纜頭溫度數據，設定每秒采樣1次，每分鐘內對比出最高溫度Tmax，以配合4G網絡通信程序每隔一分鐘將Tmax值實時傳輸至信息管理與報警后臺系統，做進一步數據處理，具體的流程如圖5所示。

云服務器實時接收PT100溫感元件測量的溫度數據，溫度數據被存入數據庫中，然后調取云數據庫feeder表數據，將feeder表數據存入本地數據庫并和設定的溫度進行對比，要是超過閾值就報警，如果溫度正常等待新的溫度數據，整個異常數據的報警算法的實現如圖6所示。

4 溫度監測終端功能模塊檢驗

本文為了驗證整個溫度監測裝置，通過在實驗室恒溫加熱箱內進行溫度采樣實驗，實驗數據如表1所示。得出本系統溫度監測終端采集的溫度誤差不大于±1℃，平均誤差為0.36℃。實驗結果證明本系統溫度監測終端溫度采樣數據準確度高。

5 總結

電力電纜頭是電網系統中的最為薄弱的環節，電纜頭過熱會引發電纜故障，如果不及時進行溫度監測，將會引發電網癱瘓，為能夠有效提升電網運行的可靠性和安全性，本文設計了電力電纜頭溫度監測和報警系統，介紹了溫度監測與報警系統的軟硬件設計并驗證了溫度監測終端功能，為電力電纜存在的隱患進行了提前預判，及時處理電纜異常情況，提高供電可靠性。

[基金項目]2021年陜西工業職業技術學院科研項目、自然科學類一般項目“電力電纜頭溫度監測與報警系統的設計與研究”（課題編號：2021YKYB-048）。

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作者簡介

王錕：（1994—），男，陜西咸陽人，陜西工業職業技術學院助教，碩士。研究方向：電力系統運行與控制。