孟洋
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：在日益增長的電力負荷需求下，為保證電力系統的配變電，需要對10 kV環網柜電纜接頭的溫度進行監測，解決因電纜接頭溫度過高而導致故障的問題。文中針對此問題，提出了基于單片機的利用非接觸式傳感器對電纜接頭進行溫度在線監測的方法。在設計中，該方案具體使用紅外攝像頭與超聲波模組，還使用電壓電流測量模組進行輔助測量。根據相關函數關系由所得數據推算出接頭溫度數據，將溫度數據進行處理。與實際測試數據結果進行對比發現，該系統溫度監測準確，測量誤差始終＜0.5℃，可實現對電纜接頭及其周邊線路較為準確的溫度監測。
關鍵詞：電纜接頭；溫度；紅外攝像頭；超聲波模組；電壓電流
0 引言
隨著科技的發展，電氣技術應用泛濫，電能已成為目較為清潔環保的能源之一，被大面積應用。但隨著經濟的快速發展，電能需求在不斷提高，用戶負荷不斷擴大，電網系統供電要求的可靠性壓力隨之增加，因此也帶來一些新的問題。
根據資料文獻得知，電氣系統常出現電氣線路里的一些高壓接頭與一些觸點在正常工作時溫升過高的現象，從而加速設備的老化。同時，也會因為長時間的高溫導致一些電纜接頭失效而引發故障。在電網中，10 kV環網柜作為小區域電網配電變電的核心設備部分，其運行對于電網有較大的意義，尤其在環網柜電纜接頭位置，易由于高溫出現問題。故基于此情況，本文提出了一種10 kV環網柜電纜接頭溫度在線監測的方案設計，以此來減少或者防止此類情況的發生。
1 網柜接頭溫度監測方案原理設計
1.1 檢測原理和要求
在設計時，對于 10 kV 環網柜電纜接頭溫度的在線監測而言，設計方案應當可以滿足對多個電纜接頭進行實施的溫度檢測，且還可以將這些溫度的數據值傳輸回主站或者操作間的系統進行顯示，并由相關工作人員進行查看，將其存儲分析。
環網柜電纜接頭的溫度值監測其原理是依靠溫度傳感器測量得到的值與當溫度存在一定的線性函數關系，對監測值進行多元線性回歸分析并擬合曲線，得到溫度的函數公式。同時根據系數計算出溫度值，將其送入微控制器進行數據處理。
1.2 總體方案設計
整體架構的原理圖，如圖 1 所示。本次方案設計考慮到現場情況與實際問題，且在監測時不能損傷電纜接頭或者是需要連接過多線路，這樣均會對測量及系統產生影響。
在本次設計中采用非接觸式溫度測量方法。在測量中，使用超聲波聲波測量與紅外成像攝像頭作為傳感器在線溫度測量。同時，通過不同溫度下測得的線路電壓與線路電流大小，對當線路設備的溫度進行輔助判斷。先通過傳感器采集溫度模擬量，再根據傳感器內部信號調理電路輸出數字量。然后由微控制器對信號進行處理，使用微控制器將信號傳輸至工作人員電腦的上位機中進行查看，由工作人員判斷保存并對數據進行查看。
上位機與微控制器之間采用串口通信進行數據傳輸。本方案微控制器采用STC89C51單片機，其內部有較多存儲機構，可將信號值存儲進自己的128 kB RAM中。再由微控制器通過控制網絡對電路內的傳感器、控制器件繼電器或是接觸器做出故障切除操作，完成遠程控制操作。同時，微控制器會觸發報警電路，從而達到溫度監測的效果。
2 接頭電纜頭溫度在線監測各組件設計
2.1超聲波聲波測量模組
本次設計采用HC-SR04超聲波模組，該超聲波模組是通過聲波的傳遞時間和速度來監測線路上一些器件的指標，如環網柜的10 kV電纜接頭溫度，其工作機理如圖2所示
2.2紅外攝像頭成像模組
此設計采用OV7725攝像頭模組，該攝像頭顯示模組主要是對電纜接頭溫度進行實時監測或者人工判斷。因為存儲圖像需要用到攝像頭模塊，其可通過紅外成像拍照和視頻的方式對電纜接頭溫度進行檢測判斷。
對于該模塊的使用主要是根據時序圖進行編程，處理好時鐘脈沖與其他數據信號的關系。設計中先存儲圖像數據；其次讀取圖像數據。本次設計中使用的是OV7725攝像頭模塊，在設置時代碼先初始化OV7725相關的IO口（包括SCCB_Init），按照廠家提供參考配置序列配置多個OV7725寄存器，完成寄存器值的初始化即可。
2.3電壓電流傳感器檢測模組
本設計采用PT，CT電壓電流測量模組。該電壓模塊需要并聯到被測線路中，電流模塊串聯進被測線路內。檢測方式為PT和CT電壓電流一二次側傳感監測。
在進行電壓和電流的采集后，需通過一些由運放組成的信號調理電路去對電壓與電流信號進行調理，運放芯片可以采用成本較為低廉的 LM358。其電壓電流信號的采樣電路主要是通過 LM358放大器搭建的比例積分電路實現。設計中對電流信號進行壓流轉換，易于采集。
在運放調理后的電壓電流信號輸出到微控制器ADC上識別采集。由于微控制器的ADC上限采集電壓為3.3 V，所以在模擬采樣電路輸出口加一組反并聯二極管，防止系統異常時采樣電路輸出點電壓過高而損壞微控制器。電流采樣則是將電流霍爾傳感器輸出的電流信號經采樣電阻轉換為電壓信號后，在通過電壓跟隨電路與濾波電路調理后送入微控制器的ADC模塊。
2.4接觸器切除模組
本次設計采用的執行結構是開關接頭常用的接觸器模組[15-16]。該執行機構通過電路內的接觸器，如當監測到環網柜的電纜接頭溫度過高時，就需要切除相關的線路并進行檢修或換；或者先直接切除環網柜電纜接頭的兩段線路，將電纜接頭獨立出來，防止給整個電網帶來危害。
在控制過程中需要通過驅動給接觸器中的控制線圈高電平控制時，控制線圈產生電磁力，使得接觸線圈內部控制電磁鐵被吸合，帶動接觸器的投切觸頭進行閉合，電路接通；相反則會使接觸線圈內部控制的電磁鐵被松開。在控制中，微控制器判斷故障后便可通過控制網絡輸出信號給IO口，使其控制接觸器的端口電平有高低的變化，進行電路的關斷控制。
3 系統實現與測試分析
本系統實現主要是從電纜接頭溫度測量背景、測量方案、具體方案實施選型與設計等3個方面對10 kV電纜接頭的在線溫度監測裝置進行了設計。針對當環網柜電纜頭溫度在線監測的問題，綜合使用了3種測溫方法，并根據線監測裝置的結構組成完成了溫度采集傳輸、控制以及電源供電與執行模塊等的設計。制作完成了環網柜電纜頭溫度在線監測裝置。與傳統設計相比，溫度測量誤差＜0.5oC，測量較準確。且綜合使用3種測量方法，使得系統可靠性較高。
在線下實際測試中，如表1和圖9所示。根據在線測量結果與實際測量相比較，經分析，在外部環境溫度變化的情況下，通過表1的數據可以發現，其監測溫度存在誤差。但是誤差始終＜0.5oC，上限誤差為0.3oC，在實際現場使用*可以滿足精度要求。由圖9可以發現，在實施中（環網柜接頭測量溫度恒定為50oC），環境溫度變化范圍高達25oC。但測量精度不受影響，是一條恒定直線，誤差上下限僅相差0.1oC，因此*可靠使用。
4 安科瑞無線測溫系統介紹與選型
安科瑞無線測溫監控系統是根據當無線測溫系統的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎上,充分吸收當內外廠家的成功案例，并結合安科瑞多年來的豐富經驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動化技術、計算機技術、網絡技術、通信技術而設計的一款無線測溫軟件。
4.1 Acrel-2000T無線測溫系統結構
Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通信（如圖4），系統設計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約，可靠性和開放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T無線測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。
Acrel-2000T無線測溫監控系統主要特點是開放式系統結構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統的設計依據軟件工程的設計規范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。
4.2 Acrel-2000T無線測溫系統功能
■實時監測
Acrel-2000T無線測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節點的溫度數據及有關故障、告警等信息
■溫度查詢
溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）
■運行報表
查詢各回路設備運行溫度報表.
■實時報警
壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出告警。
■設備提供以下凡種方式：
a.彈岀事件報驚窗口.
b.實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警.
C.短信吿警，可以向發送吿警信息短信（需選配）.
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
■用戶權限管理
Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統穩定運行，設置了用戶權限管理功能。
通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。
■定值設置
用于修改高溫定值、超溫定值。
■WEB（可選）
展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息， 設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。頁顯示場站的變壓器數量、回路個數、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數據曲線可監測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。
能耗統計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環比，用電。
運維管理\通信狀態顯示監測接入系統設備的通信狀態。
■手機APP（可選）
設備數據員面顯示各設備的電參量數據、溫度數據以及曲線。
4.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產品選型
安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發熱接點，將測溫數據通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統（如圖5）。
4.3.1 安科瑞無線溫度傳感器
無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。
4.3.2 安科瑞無線收發器
無線測溫收發器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數據。收發器根據不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。
4.3.3 安科瑞顯示終端
顯示裝置通過RS485連接收發器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現場及時查看電氣節點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網通訊的方式在后臺系統查看現場情況。
5 結束語
經過初步調試運行，本文設計的環網柜電纜頭溫度在線監測裝置監測可靠，測溫數據傳輸、誤差值滿足使用要求，達到了所需功能。實現對環網柜電纜頭溫度的在線監測，能夠進行大規模的工程應用推廣，具有一定價值和實用意義。且隨著微控制器與傳感技術的進一步發展，使用的溫度在線監測方案會越發簡單，測量也會加準確。
【參考文獻】
[1]陳紅友,王曉冬.基于單片機的溫度監測系統設計[J].物聯網技術,2017(4):112-113.
[2]秦煥鑫,譚競,王永清,王梓健，孫淼.10KV環網柜電纜接頭溫度在線監測方案設計.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.
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