基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障檢測系統研究

廣東建能電力工程有限公司 陸基權

1 引言

包含配電箱在內的較多電氣設備出現故障時，人們首先會想到是否出現線纜“接觸不嚴”的情況，之后會將電線接頭拔掉并重新插入，以此判斷是否因電線接頭處存在故障而導致接觸不嚴。事實上，配電箱的電纜接頭在長時間使用后容易出現多種故障。為了提高故障檢測的準確率，不能僅憑借技術人員的經驗進行判斷，而是需要設計一種高效率、準確性高的電纜接頭故障檢測系統。

2 常見的配電箱電纜接頭故障簡析

2.1 外力損傷

配電箱的電纜接頭因受到外力損傷而出現故障是最常見的現象。容易造成該種故障的原因包含：電纜接頭插入拔出配電箱時，操作人員使用的力度較大，導致接頭頻繁被磨損。此外，一些操作人員在操作電纜接頭時，容易將接頭與其他物體接觸。受此影響，接頭在與其他物質接觸時，可能發生分子層面的物質交換，導致接頭再次插入配電箱之后，會將一些雜質帶入其中，最終導致配電箱的性能下降。

2.2 化學損傷

配電箱的電纜接頭也經常出現化學損傷。具體而言，電纜接頭插在配電箱中時，配電箱在運轉的過程中會出現電流做功情況，由于電流強度超過負荷，導致配電箱升溫，造成電纜接頭被燒壞。尤其在用電高峰期，配電箱內部的電纜接頭常會由于超負荷承載電流而出現溫度過高的情況，進而造成大面積停電的現象，情況嚴重的甚至會引起電纜接頭爆炸，引發火災。

總體而言，配電箱電纜接頭出現的諸多故障之中，如果因插頭線纜斷裂而導致斷路時，會形成斷電，故此故障沒有監測的必要性；因短路等多種原因導致的電纜插頭溫度迅速升高時，危險性會大幅度增加?；诖耍潆娤潆娎|接頭故障檢測系統的重點監測內容便是電纜接頭處的實時溫度。

3 無線網絡支持下的配電箱電纜接頭故障檢測系統設計研究

3.1 基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障檢測系統的整體設計構思

本文介紹的基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障自動檢測系統在正常運轉時，重點內容并不是確定導致電纜接頭出現故障的原因，而是檢測電纜接頭是否存在故障?；谠撃繕?，設計該系統的思路如下。

一是電纜接頭處于“插在配電箱對應位置”的狀態時，常見的故障表現形式為，由于配電箱的負荷超過了額定范圍，導致電力電纜的接頭會在長時間受到較高溫度的作用下被燒壞。如在每年的夏季高溫時，民居建筑內的常住人口會集中開啟空調用于乘涼?？照{設備功耗較大，同一段時間內配電箱的整體負載會大幅度增加。在這種情況下，電纜插頭輕則因為無法承受高溫而導致內部元件損毀，進而無法發揮傳輸電能的作用，重則直接爆炸，導致整個電路受到波及，甚至引發火災。

二是傳統針對配電箱電纜接頭故障的檢測方式在檢測原理方面較為一致，通過檢測溫度的方式判斷電纜接頭是否存在故障。如感溫電纜式測溫系統（如圖1所示）。一般將具有溫度感應功能的電纜與插頭插入配電箱的電纜平行放置。在該設置下，如果配電箱的電纜的溫度較為異常（溫度過高），具備感溫功能的電纜會陷入短路狀態，由此可以判斷配電箱電纜出現了異常情況。但該方式具備較大的弊端。首先，無法直接針對配電箱電纜插頭是否出現故障進行判斷。其次，只能通過感溫電纜是否短路對配電箱電纜的工況進行大致判斷，不僅無法精確測量到配電箱電纜出現異常狀態時的精確溫度，感溫電纜在使用一次后也會報廢。此外，由于此種測量方式只會在故障發生時有效，無法起到預警作用，故效果極其有限。

圖1 感溫電纜式測溫系統示意圖

基于熱敏電阻的配電箱溫度測量系統。該方法是第一種方法的升級版，雖然可以顯示出配電箱電纜的溫度，但需要配置的熱敏電阻數量較多，傳感器不具備自主檢測功能，故同樣無法大規模應用。圖2是一種mf52珠狀測溫型ntc 熱敏電阻構成圖。

圖2 mf52珠狀測溫型ntc 熱敏電阻構成圖

三是分布式網絡化測溫系統。以分布式智能電網光纖測溫系統為代表，該測溫系統是指在配電箱周圍的電路中增設智能光纖溫度傳感器裝置，由溫度傳感器、智能管理系統等構成。當溫度傳感器發現配電箱電纜接頭出現異常溫度升高現象之后（智能系統控制傳感器時，會設置一個“臨界溫度值”，當溫度傳感器發現電纜插頭的溫度超過臨界值之后），會向系統發出安全預警信息。此時，智能管理系統會根據預設程序，可將配電箱完全從電路中切斷，也可以及時通知電力公司的有關人員，之后派遣專人前往現場查看。

四是考慮到上述三種傳統檢測方式的局限性，需要設計出一種能夠長時間、不間斷檢測配電箱電纜接頭是否存在故障，且能夠將相關信息基于無線網絡實時上傳，使電力部門及時獲悉哪一個區域的配電箱出現問題[1]。不僅如此，由于配電箱的應用范圍極其廣泛（存在于所有建筑之中），故為了有效監測所有配電箱電纜接頭是否存在故障，還需要考慮成本問題。

五是無線網絡應用于配電箱電纜接頭故障系統時，其主要作用在于“將電纜接頭故障信息及時發送給電力企業的遠程監控系統”，只起到信息傳輸的作用，并不具備其他作用。

3.2 基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障檢測系統主要功能及子系統

3.2.1 系統中的重要裝置和子系統的連接

一是數據信息采集裝置；二是數據信息接收裝置。上述兩種裝置直接相連，前者包含金屬高溫變形取電模塊、振蕩感應電路、調制電路、報警信息預設裝置以及高頻放大電路。后者內設解調電路和報警裝置。其中，金屬高溫變形模塊與震蕩感應電路、調制模塊、報警信息預設裝置依次呈現出串聯形式，調制電路與高頻放大電路以串聯的形式連接。三是數據接收裝置包含解調電路以及報警裝置。四是高頻放大電路與解調電路之間依靠天線進行連接，也可將天線轉換成無線網絡連接系統，以達到提高信號監測上傳范圍的目的。

3.2.2 系統的運行原理

上述裝置及子系統對應的功能分別為：一是金屬高溫變形模塊中使用的金屬材料具備高度熱敏性，即在高溫條件下會發生變形。將該模塊與電纜接頭直接接觸，可以完成“取電”的目的。該裝置是系統中的直接檢測裝置。

二是設置振蕩電路的作用為，如果金屬高溫變形取電模塊與電纜插頭接觸時，發現插頭的溫度并沒有高于正常范圍時，則振蕩電路保持“靜默”狀態。當電纜插頭的溫度高于正常范圍，直接檢測裝置反饋結果為“金屬變形取電”時，“取得的電”便會成為振蕩電路的啟動及維持用電。此時，振蕩電路通電響應，進入工作狀態，會發出高頻載波震蕩信號。

三是報警信息預設裝置的主要作用在于，為整個系統提供調制信號，且此種信號符合正弦波變化趨勢。

四是調制電路提供的調制信號經由高頻放大電路處理后，主要在波形方面發生明顯變化（放大變化），可向更遠的范圍傳播（理論上，只要高頻放大電路能夠無限放大，且無線網絡裝置具備信息接收能力，便可以接收到相關信號）。

五是解調模塊從“云端”收到高頻放大信號之后，會采用“逆向調制”的方法完成解調處理，之后發出預警信息。

六是上文提到的所有電路（包含振蕩、調制、高頻放大、解調）均可以由具備相同功能的處理芯片直接替代。

七是為了使無線網絡也具備在配電箱電纜插頭沒有發生故障時保持靜默狀態，在出現故障時立刻啟動并將故障信息及時上傳，可采用的方法為：在高頻放大電路之后設置無線網絡傳輸模塊，該模塊需設置在高頻放大電路之后，采用串聯的方式進行連接。當該模塊之前的設備全部通電復位之后，電流會傳輸到該模塊并使其啟動，從而將故障信息經由無線網絡向遠端發送。

3.2.3 系統的應用優勢

一是本文介紹的基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障檢測系統，在針對電纜插頭故障進行檢測時，檢測原理與傳統的檢測技術相比并無本質差異，依然以溫度測量為主。但在此基礎上，通過搭配具有多種功能的電路（或芯片），能夠將檢測到的電纜插頭溫度信息進行一系列處理，搭配無線傳輸網絡，可以實現數據的實時上傳，從而達到在短時間盡快被人知曉，迅速派人檢修的目的。經過實踐測量后發現，如果選擇的在高溫環境下變形的金屬具備較高的熱敏性，則在電纜插頭溫度超過正常溫度范圍的一瞬間便可發現，具備較高的實用價值。

二是經過實踐檢測后發現，此種基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障檢測系統，具備較強的環保性。如圖3所示，數據采集裝置在配電箱電纜插頭溫度處于較低狀態（處于正常范圍內，由金屬高溫變形取電模塊中使用的金屬材料決定）時，系統的振蕩電路及很多裝置都處于靜默狀態，幾乎不耗電，故具有較強的環保性。

圖3 基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障檢測系統構成電路示意圖

三是本文介紹的系統中，較多電路裝置可以通過其他元器件（芯片等）進行替代（包含無線網絡）[2]?；诖?，本系統具備較強的適應性，能夠根據現場實際情況自由搭配。如除了常規的住宅小區建筑之外，一些大型工廠同樣需要設置配電箱。但這些工廠與住宅小區不同，環境溫度可能較高。為了避免金屬高溫變形取電模塊受到較高環境溫度的影響而向后續系統發出錯誤信息，可以通過改變敏感金屬的方式，實現靈活調控。

四是經濟成本控制方面，在配電箱電纜插頭溫度處于正常范圍時，由于系統的振蕩電路、其他裝置均沒有進入工作狀態，保持“靜默”，意味著這些設備并沒有產生電能消耗。這種情況相較于上文介紹的第三種傳統測溫裝置——分布式網絡化測溫系統在以下方面實現了升級：分布式網絡化測溫系統的智能控制功能必須全程處于運行狀態，且較多元器件的耗電量原本便處于較高水平，加之本身價格較高，故無論是購入成本還是運行成本均極高，實用性極低。而本文提出的測溫裝置中，數據采集模塊主要基于金屬高溫變形取電模塊進行數據信息的收集，只有在熱敏金屬受到高溫影響而出現變形情況時，系統的后續裝置才會通電啟動。此外，振蕩電路、調制電路、報警信息預設裝置、高頻放大電路、解調電路、報警裝置等均屬于“低成本裝置”。因此，該系統無論是購入成本還是運行成本，均遠遠低于分布式網絡化測溫系統，實際上在保證系統溫度檢測功能不變的情況下，實現了綜合成本的大幅度降低，故適合推廣應用。

五是本文介紹的配電箱電纜接頭故障檢測系統具有較強的實時性和實用性，利用金屬在高溫下會發生變形的原理，在電纜接頭處安裝取電模塊，取電模塊中設置金屬片，在電纜接頭溫度升高時，金屬片會發生變形，從而能夠對電纜接頭進行實時監控，確保溫度變化能夠被有效檢測到。在電纜接頭溫度變高被檢測到時，系統會發出警報提醒工作人員進行處理。該系統還具有環保節能的效果，其數據采集功能只在電纜接頭溫度變高時工作，降低了該系統的能耗。該系統使用方便，而且靈活可靠，工作人員可以根據實際需要，進行參數的設置，檢測產品、檢測工具和維護方法安全、可靠[3]。

六是本文提出的基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障檢測系統，從某種程度上可被視為一種“問題解決思維”，針對配電箱電纜接頭出現高溫故障進行監測時，方式方法可以多樣化，只要能夠滿足在極短時間內發現配電箱電纜插頭溫度提升即可。在前置條件（即配電箱電纜插頭溫度升高）不成立的情況下，后續的振蕩電路、調制電路等沒有啟動的必要性，可達到節省電能的目的。

綜上所述，基于無線網絡的配電箱電纜接頭故障檢測系統與傳統檢測系統相比，在原理上并無本質不同。但考慮到幾種傳統檢測方式具備的局限性之后，本系統在配電箱插頭電纜溫度檢測方面，檢測信息上傳方面進行了一定的改進，最終形成的結果是在電纜插頭溫度正常的情況下，系統幾乎保持靜默狀態；在檢測到電纜插頭溫度超過正常值的瞬間，系統其他裝置迅速響應，可將相關信息上傳，并盡快派遣專人前往維修。