电缆分支箱故障在线监测系统设计与应用

徐友刚，徐 琳，周 青，陆敏安，方 祺

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799)

电缆分支箱故障在线监测系统设计与应用

徐友刚，徐 琳，周 青，陆敏安，方 祺

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799)

针对电网中经常发生的电缆分支箱中电缆头发热引起爆炸、烧毁等事故，设计出了一种电缆分支箱故障在线监测系统。该系统可实现电缆分支箱各运行回路的温度在线采集和监视，利用温度传感器采集各相电缆头以及电缆箱的温度，通过ZigBee无线信号传输到数据集中器，集中器通过GPRS将接收到的数据发送到后台监测系统。经测试，该系统运行稳定可及时发现设备温度缺陷并报警。

电缆分支箱；温度在线监测；ZigBee；GPRS

城市电网大多采用地下封闭式电缆线传输电能[1]，但在实际运行中，配电系统中电缆分支箱经常发生电缆头接触不良、绝缘受损等问题。现阶段电网不断增大，机组容量扩大，输电距离变长，而且设备的密封性和组合性也在不断加强。这就使得这类事故导致的问题越来越突出，并且查找检修也变得越来越困难。

现阶段供电公司运行人员需在例行巡视时用手持式热成像仪照射电缆对电缆分支箱进行温度监测[1-3]。但是单纯依靠人工巡检的方式，很难解决设备众多，检修周期变长，检修不到位的矛盾。在这种情况下，如果能对电缆分支箱电缆温度进行在线监测，则可提前发现故障隐患。因此本文提出了一个基于无线测温传感器的电缆分支箱温度在线监测系统，可为配电设备运维提供决策依据，减轻工作负担，提高工作效率。

1 总体结构设计

电缆分支箱温度在线监测系统由电缆分支箱温度采集子系统、GPRS无线通信网络、温度监测后台系统以及智能移动终端等四部分功能单元组成。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构图

首先在各电缆分支箱内安装无线温度传感器和无线温度采集器。温度传感器将采集到的各电缆头温度和箱体温度通过2.4G ZigBee无线通道传输给温度采集器。然后温度采集器通过RS-485接口外接一个GPRS通信模块，和远程后台监控系统实现透明数据传输。后台系统将采集到的数据通过电力云存储，手机、电脑等移动终端可以实时查询联网的各温度传感器的温度。当发现异常数据时，后台系统会将告警信息发送到移动终端，提醒运维检修工作人员。

2 温度采集子系统

温度采集子系统的功能是采集各电缆头及电缆分支箱的温度，将温度信号转化成可以远距离传输的信号发送到后台监测主机，实现电缆头实时在线监测的功能。温度采集子系统由温度传感器、温度采集器和GPRS无线通信模块组成。

2.1 温度传感器

无线式温度传感器在系统中主要用于电缆分支箱电缆接头和电缆箱的运行温度测量。在应用中必须保证数据采集的准确可靠性，并且能够抵御高温、潮湿等恶劣的工作环境。该无线传感器由DS18B20温度采集单元、CC2530数据处理发送单元、以及电源电路组成。具体结构见图2。

图2 温度传感器工作原理

图2中所示的DS18B20芯片主要用来采集环境中的温度信号，传感器具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。被广泛应用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域[2]。DS18B20将采集到的温度信号以数字信号形式通过I/O口发送到CC2530芯片的C51单片机上。其串口图见图3。该芯片由单片机供电。

图3 DS18B20管脚图

CC2530芯片主要由一个C51单片机和RF无线收发器组成，因为其低功耗、低成本，被广泛应用于各种无线信号采集系统中。C51单片机将接收到的数字信号进行编码，转化成Zigbee信号发送到无线式温度采集器上。

2.2 温度采集器

本系统中温度采集器和多个无线温度传感器通过2.4G ZigBee无线信号进行通信，获取各温度传感器采集的温度数据，数据采集刷新间隔为3 s。由于ZigBee无线信号传输距离较短[3]，室内只有30～40 m，电缆分支箱一般距离较远，因此考虑在一个电缆分支箱安装一个温度采集器，接收温度传感器采集到的温度并通过外接GPRS模块将温度数据发送到温度监测后台系统中。

温度采集器由电源模块、CPU模块、显示模块、ZigBee通信模块、RS-485通信模块等组成。该温度采集器提供RS-485有线通信接口和MODBUS通信规约，可外挂GPRS通信模块和部署在远程监视中心的后台温度监测系统进行通信。

2.3 GPRS无线通信网络

GPRS无线通信网络因为其传输速度快、传输距离远并且成本低而被本系统采用。通过GPRS无线通信模块可以实现温度采集器和温度监测主机之间的透明数据传输。

实际应用中需要在各电缆分支箱内部署GPRS无线通信模块，该模块通过RS485接口接入温度采集器。GPRS模块设置目标通信主机为远程后台温度监测主机的IP地址。温度监测主机需要具有固定IP地址，同时需要配置基于TCP/IP的MODBUS RTU规约，这样才能准确快速的接收GPRS模块发送的信号。后台温度监测主机接收到各电缆分支箱数据，需要对其处理后通过图形界面的形式展现到运维人员面前。

3 系统后台软件功能设计

该系统后台功能设计主要分为数据显示单元、数据缺陷判断单元以及数据查询单元。实现了数据的接收、自动缺陷判断、显示等功能，工作人员还可以通过后台系统对历史数据进行查询。系统后台软件运行流程如图4所示。

图4 后台软件运行流程图

3.1 数据显示

采用图形显示界面直观的显示设备温度历史曲线、设备温度工况、温度安全及热缺陷等信息。主要采用Visual Studio 2010嵌入式软件开发系统来对后台监测主机进行数据解码和图形显示界面设计。

3.2 数据热缺陷判断

3.2.1热缺陷分类

电力系统中的设备热缺陷一般分为三类，分别是一般缺陷、重大缺陷和危急缺陷，危险程度依次递增。

一般缺陷，是指对近期安全运行影响不大的缺陷。可列入季度、年检修计划中消除。重大缺陷，是指缺陷比较重大，但设备仍可在短期内继续安全运行的缺陷。应在短期内消除，消除前应加强监视。危急缺陷，是指严重程度已使设备不能安全运行，随时可能导致发生事故或危及人身安全的缺陷。必须尽快消除或采取必要的安全技术措施进行处理。

3.2.2设备热缺陷判断

设备热缺陷主要从绝对温差和相对温差两个方面判断：

电缆的绝对温差是指测点A，B，C三相温度差绝对值在10～20℃区间为一般缺陷；20～35℃为重大缺陷，大于35℃为危急缺陷。

电缆的相对温差计算公式如下：

ΔTAB=(TA-TB)/(TA-T0)×100%，

ΔTBC=(TB-TC)/(TB-T0)×100%，

ΔTCA= (TC-TA)/(TC-T0)×100%，

其中T0为环境温度，TA、TB、TC分别为统一电缆线路中A、B、C三相电缆头的温度。相对温差在35%～80%范围内为一般缺陷，80%～95%范围内为重大缺陷，>95%为危急缺陷。

3.3 数据查询

数据查询主要是对数据存储器中的历史数据进行查询，从历史数据中可以分析电缆头的运行工况、对其进行状态评估等。

4 工程应用

该系统研发完成后，选取了某小区作为项目实施试点。该小区安装6台低压电缆分支箱。通过在各电缆分支箱内安装故障检测系统，监测各电缆分接头的温度。监测数据上传到远程控制中心的后台检测系统，实现了该小区各电缆分支箱及电缆头的温度在线采集、监测。系统能够稳定可靠的运行。登录到主界面以后，在监视画面上显示电缆分支箱电气结构图，测点位置，测点实测温度及测量时间等信息。显示界面如图5所示。

图5 电缆头温度在线监测系统主界面

除此之外显示界面还设置了系统温度安全和热缺陷显示。设计表征设备发生温度安全或者热缺陷时的信号量，这些信号量可以触发监视画面上的光子牌变色、变文字显示。

5 结语

电缆分支箱是配电系统中的重要配电设施，通过对电缆分支箱实现温度在线监测可提早发现设备的安全隐患。同时采用在线监测也可大大提升工作效率,降低工作强度。本文提出了一个基于无线测温的电缆分支箱温度在线监测系统，可实现电缆分支箱温度在线监测和热缺陷分析，后台软件系统可分析电缆分支箱的温度安全和热缺陷，为运维保障提供决策依据。

[1] 李勇.给予分布式光纤温度传感器的高压电缆在线监测系统设计[J].电工技术,2011(1):51-52.

[2]Xiaobi Han, Yongwen Zhu. Digital temperature sensor DS18B20 and its application[J]. Electronic technology, 2002(5):43-45.

[3]黄炜宏，谢章洪，陈祥伟，等．基于Zigbee技术的成套式开关设备温度监测系统的设计与应用[J].高压电器,2013,49 (2):125-130.

DesignandApplicationofOnlineFaultMonitoringSystemforCableBranchBox

XU Yougang, XU Lin, ZHOU Qing, LU Minan, FANG Qi

(State Grid Qingpu Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201799, China)

An online fault monitoring system for cable branch box is designed to deal with such problems as explosion and burning of the taps inside cable branch box. The system can realize the online collection and monitoring of the temperature on the running circuit of the cable branch box. The temperature of each phase cable head and the cable box are collected by the temperature sensor, and transmitted to the data concentrator through the ZigBee wireless signal. The concentrator sends the

data through the GPRS to the background monitoring system. The testing shows that the system runs stably and can detect and alarm the temperature defect of the equipment in time.

cable branch box; online temperature monitoring; ZigBee; GPRS

10.11973/dlyny201705037

徐友刚(1985—)，男，硕士，工程师，从事变电一次设备运行维护工作。

TM41

A

2095-1256(2017)05-0645-04

2017-08-15

(本文编辑：杨林青)