中压电缆终端故障在线监测装置研制

2018-03-24刘骥宗榜馗张大宁张显亮

哈尔滨理工大学学报 2018年1期

刘骥　宗榜馗　张大宁　张显亮

摘要：针对中压电力电缆终端附件的接头温度过高、绝缘老化等问题，设计了中压电缆终端故障在线监测系统，并给出了系统的总体结构原理与各单元模块的硬件电路设计。下位机以MSP430F149为核心，集温度传感器、故障电流传感器、高压带电传感器于一体的检测单元，组成一电缆终端智能检测单元。每个电缆终端监测单元的数据采用GSM无线传输方式汇总到一基于LABVIEW平台开发的无线终端基站的上位机实时显示与存储。通过搭建硬件电路实现了接头温度、线路的故障及带电状态信息的远程在线监测，从而验证了系统设计的合理性。

关键词：电缆终端；GSM；LABVIEW；在线监测

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.017

中图分类号： TM855

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）01-0093-06

Abstract：Considering to the joint temperature medium voltage power cable terminal accessory is too high and the aging problem of insulation， an online monitoring system is designed for medium voltage cable terminal fault， and gives the hardware circuit structure principle of the system and each module design. The lower computer takes MSP430F149 as the core， sets the temperature sensor， the fault current sensor， the high voltage electricity sensor in an integrated detection unit， which is composed of a cable terminal intelligent detection unit.Each cable terminal monitoring unit of the data using GSM wireless transmission mode to a summary of the LABVIEW platform based on the development of the wireless terminal of the host computer realtime display and storage. By building the hardware circuit， the temperature of the joint， the fault of the circuit and the remote online monitoring of the charged state information are realized， which proves the rationality of the system design.

Keywords：cable termination； GSM； LABVIEW； online monitoring

0引言

隨着智能电网的不断发展，实时获取电气设备的状态信息在电力系统的智能化建设中至关重要，作为电力系统重要的设备之一的电缆分接头，也是电力系统安全运行中的最薄弱环节，主要是由于制作时受现场环境等不利因素的影响以及制作工艺的限制，造成接头的压接质量存在一些潜在的隐患。而电缆终端接头的压接质量，只能在运行中得以检验，经过一段时间的大电流（过负荷）运行后，在压接点处产生过热、氧化等现象，由此导致接触电阻逐渐增大，并且电缆接头温度也会进一步升高，使得绝缘老化增大，寿命骤减，最终导致绝缘层损坏，从而造成事故发生，据统计，电缆接头事故率高达电缆事故的90%[1-4]。为了确保电力电缆附件的安全，寻求一种系统来实现电缆分支箱的在线监测迫在眉睫，并设计合理的电缆终端监测系统可以为供电的可靠性提供技术保证和科学依据[5-7]。目前电缆终端监测是通过人工巡检方式完成的，需现场检查电缆接头温度情况，检修中存在的检修过剩或检修不足等问题，也耗费大量人力、物力[8-12]。针对上述存在的问题，设计了集温度传感器、故障电流传感器、高压带电传感器于一体的电缆终端智能检测单元。该系统体积小、布线少、运行稳定、易于维护，使电缆分支箱在线系统进一步朝“集成化、网络化、智能化监测”方向发展，即具有自动温度采集、数据共享等特征[13-16]。

1系统的工作原理与设计

此在线监测系统集成温度的采集，故障电流判断，高压带电的状态信息于一体化的多功能系统。结合10kV电缆终端接头的结构特点，系统可以分为三层：MCU数据的采集、GSM数据包传输、Labview上位机显示。如图1所示，在线监测系统整体方案图。

数据采集部分设置在电缆分支箱内，节点的温度信息、线路故障电流、带电状态等信息用MSP430单片机待定采集。采集系统分别设置在输电线路多个电缆分支箱内，并对每个电缆分支箱进行编号处理，便于后续进行故障定位的判断。当电缆终端接头温度达到上限值或线路出现掉电、过流等故障时，系统会立即将此刻信息采集出来，通过GSM无线网络传输至主控制台，进行报警。当电缆线路无故障时，信息采集时间主要由温度采集模块设置，当采集温度时间到来，进行电缆接头温度采集，采集的温度数据通过射频无线传输方式送给已经休眠MSP430（低功耗状态），产生中断，单片机唤醒并执行其它信息采集的子程序，采集完成后，将数据打包并通过GSM无线模块传输给主监测台。主监测台是基于Labview的上位机界面，监测台汇集了多个电缆分支箱数据，实时显示温度曲线、线路电压电流状态信息及历史故障次数等信息。

系统保证实现上述功能的同时，还应具有的要求：系统中的测量模块与供电模块应保证高压侧与低压侧可靠的电气隔离，尽可能实现在线非侵入式的检测技术，避免繁琐的布线，实现远程在线监控，做到简单化、集成化、实用化。

2电缆终端采集层的硬件设计与原理

根据在线监测系统整体要求，采用图2所示原理结构，多个监测现场单元采集的数据采用GSM无线传输方式送给上位机平台Labview （H）。而在一个子系统内包括了电压传感器（A）、电流传感器（B）、表带式测温传感器（C）、GSM数据发送模块（D）、下位机（监测点主机E）及CT+超级电容供电系统（G）六部分。

线路的带电状态采用电压传感器利用电容分压原理的方式进行测量，耦合过来的信号通过光耦隔离器件传输给下位机（监测点主机）；故障电流信息用电流传感器检测，通过光纖传输给下位机；采用表带式温度传感器采集电缆接头温度，温度数据通过射频无线方式传输给下位机；下位机处理后的数据通过GSM发射模块传输给上位机Labview进行处理并实时显示。

2.1MCU主接口电路设计

基于TI公司生产的16bit的MSP430F149片上系统芯片，是一款超低功耗微处理器，待机模式1.6μA，具有唤醒时间短（6μs）、RAM数据掉电保存、双同道串行通信接口、低时钟高速通信以及可进行同步串行通信等优点，适合作为多功能在线监测系统的MCU，其接口电路如图3所示。

2.2取能电源的设计

电源部分主要由取能线圈（CT）、前端电能调理电路、后端电能调理电路三部分组成。

系统供电采用开合式CT就地取能的方式，直接套装在电缆线路上，利用电磁感应原理，当线路通过电流时，CT副边感应的电动势为

U2≈4.44fN2μ0μr2ImlSλ（1）

式中：μ0为真空导磁率；μr为相对导磁率；N2为一次线圈匝数；Im为励磁电流；S为铁芯的截面积；λ为铁芯叠片系数；l为平均磁路长度。

然后经过整流、滤波、稳压后输出直流电。其电路如图4所示。

如图所示，套设在线缆外侧的取能线圈CT1和取能线圈CT2，CT1为一电流互感器，CT2为一带气隙的电流互感器，当一次母线电流16～220A时，主要CT1感应出电能经第一前端调理电路为后端供电；当一次母线电流在220～1000A时，CT2工作感应出电能第二前端调理电路为后端供电，CT1被短路保护；通过后端调理电路中的超级电容，可以保证在0～16A可靠供电；因此可以保证线路电流在0～1000A时，保证高压侧在线监测设备无死区供电。采用两个电流互感器配合使用，启动电流降到16A，结合超级电容后，不存在供电死区，可靠性强，安装简单，生产成本低，不受外界环境因素干扰及电气隔离等优点[18-19]。

2.3温度采集子系统的原理与实现

采用WD01L39无线测温传感器，内部集成DS18B20数字式测温传感器，主要特点：体积小、表带式的外形可方便地安装在电缆接头表面，精确度高（分辨率为0.0625℃），定时温度数据采集，低功耗（待机电流2mA），通信采用射频方式进行数据的传输，具有无线通信自动校准技术[17]，保证数据的稳定性；内部通用数据包如表1。

无线测温接收器与MCU采用标准UART协议方式进行通信并通过用于完成TTL电平转换MAX485ESA芯片电路连接，其转换电路如图5所示，图中A，B两端之间需加120Ω的匹配电阻R7。

2.4短路故障系统原理与实现

短路电流传感器、接地电流传感器采用LDL系列短路接地电流故障传感器，其信号不受线路、励磁涌流、高次谐波、电流波动影响，直接安装在电力电缆上，由它感应测量线路中的故障电流，当故障电流超过整定值时，传感器发出光信号并通过光纤进行信号传输，实现了强电与弱电的隔离。

当短路传感器检测到电流高于整定时，光信号经光纤传送给图6所示的A、B、C三路信号调理电路，当光敏二极管接收到信号后，使三极管工作在线性区，最终信号通过单阀值比较器（LM139A）送给MCU的IO口，以发故障信号。

2.5高压带电状态硬件结构和原理

电容式传感器的原理分析如下，如图7传感器的电路图及等效电路。

图中电容式传感器的电路的等效电路包括3个电容，其中Cg为空气隙的电容，Cb为与空气隙串联的介质电容，Cm为绝缘完好部分的电容，不包括Cg和Cb，大体上Cm>>Cg>>Cb，故下面的近似计算可以忽略Cg和Cb的影响，仅以Cm为电容传感器的等效电容即可。

当电容传感器接入到高压带电设备测量时，其容抗值大小由下式得：

Xc=12πfCm（2）

式中： f为交流信号的频率； Cm为传感器的等效电容量。

高压设备电压稳定时，电容式传感器可被视为交流恒流源，电流计算公式如下：

I=VXc=2πfCmV（3）

式中：V为高压母线额定电压。

由上式可以知道其对电流大小，以10kV电缆分支箱为例，当传感器容量为pF时，可得对地短路电流约为62.8微安，可见其电流为微安级的，非常小对人不会有危险。

高压带电状态的电路原理图如图8所示，电路的输入端并联接入电缆线路中，设置在电缆线路的电压传感器C1与电容C2，将线路的电压进行分压，分压后的电压经过BRIDGE整流桥整流，得到用于触发光电耦合器的电压信号，耦合过来的信号经过阈值比较电路进行比较，最终送入MCU处理，判断当前的线路电压状态，其中，光电耦合器件采用高倍率高速达林顿光电耦合器6N139，隔离电压达3750V，保证了MCU与强电隔离，阈值比较电路采用的滞回比较模式，可有效避免电压波动带来的误动作。

3监测系统的软件设计

系统软件主要包括下位机采集层汇聚节点的软件设计和上位机的软件设计两方面。

3.1底层汇聚节点的软件设计

底层包括各节点测量传感器，采集的数据经MCU处理后汇聚成一数据包，经GSM网络发送出去。MCU有两种执行程序的方式：其一，各个节点温度数据定时汇聚到寄存器内，此时MSP430由睡眠状态唤醒，传感器对线路的带电状态、电流等信息进行采集与处理；其二，如果线路出现故障电流或掉电状态，故障信号经过调理电路会给MCU一个外部中断信号，快速唤醒并执行相应子程序，最后，各个参数数据通过GSM网络方式发送给主机。图10为汇聚节点的程序流程图。

3.2上位机的软件设计

上位机软件采用 Labview作为开发环境，基于NI设计平台的核心，使用的是图形化编辑语言G编写程序，编写方便。上位机程序流程图见图11，对底层下位机监测系统采集的数据进行处理并判断温度值和电压电流状态量是否符合相关的电力系统安全规定[20-21]，并给出故障信号。最终可将数据进行曲线显示，Excel大量數据的存储。

4主监测台界面设计与系统性能测试

合理的界面设计，可提供最直观的电缆终端信息，介绍了上位机界设计和系统性能测试。

4.1上位机界面设计

根据实际需要，设计了如图12所示的主界面窗口。图中的前面板为某城区部分地理位置线路的铺设结构，有15个节点（电缆分支箱）。包括节点的信息、历史故障记录、温度曲线及GSM通信模块的信号强度等信息。

4.2实验台的搭建及性能测试

模拟10kV、标称面积185mm2的交联聚乙烯电力电缆，其允许的载流量320A，根据图13所示实验平台原理框图搭建实验平台。

实验中，采用一大容量的单相调压器、导线、电感线圈，通过调节调压器输出电压来调节负载导线电流的大小，实验中采用20mH的电感线圈做负载，导线的截面积为2.5mm2，输出电流能实现0～10A可调节，本实验将负载线路顺时针绕行100匝，这样电流的范围扩大为0～1000A，为实验的工作提供了必要的工作环境。

现场采集的数据传至上位机，图12为节点数据子界面，为节点14号分支箱内A、B、C三相电缆接头的温度曲线、环境温度曲线、三相带电状态及是否存在过流故障等状态信息；过流与掉电故障用状态量“1”表示，没有故障用状态“0”表示；实时曲线可直观地观测箱内电缆接头的温度状况以及更好的预测温度变化趋势。

当系统超过6h没有收到实时信息，系统自动报警，以确保监测的实时性。图15为11号分支箱历史数据子界面，根据历史信息的记录，能够有效反映线路事故多发路段并对线路进行故障定位。

通过实际运行测试，如图14所示，曲线可以反映11号电缆分支箱的电缆终端接头温度变化趋势以及线路电压电流状态等故障信息；由图15可以看出其历史故障记录信息，可直观地反映此处电缆终端一些故障信息，故在线监测系统可以对电缆终端的电压、电流、温度等参数进行采集，并通过GSM传入站内PC机上进行实时显示与存储，线路及接头运行发生异常时可以做到及时报警。

5结语

中压电缆终端故障在线监测装置通过对硬件电路与软件程序的设计实现了电缆终端接头温度、线路故障及带电状态信息的在线监测。中高压侧的检测传感器模块及取能电源均与低压侧的监测点主机实现了可靠的电气隔离，克服了箱内强电场、强电磁辐射的干扰问题。其中，电缆接头温度、故障信息的检测，实现了在线非侵入式的检测技术；数据采用GSM无线传输方式汇总到一基于LABVIEW平台开发的上位机实时显示与存储，直观地显示出电缆终端温度曲线，历史数据等信息；通过解析历史数据，可实现电缆电气性能预判断与线路故障区间定位的功能。

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