中壓電纜終端故障在線監測裝置研制

劉驥　宗榜馗　張大寧　張顯亮

摘要：針對中壓電力電纜終端附件的接頭溫度過高、絕緣老化等問題，設計了中壓電纜終端故障在線監測系統，并給出了系統的總體結構原理與各單元模塊的硬件電路設計。下位機以MSP430F149為核心，集溫度傳感器、故障電流傳感器、高壓帶電傳感器于一體的檢測單元，組成一電纜終端智能檢測單元。每個電纜終端監測單元的數據采用GSM無線傳輸方式匯總到一基于LABVIEW平臺開發的無線終端基站的上位機實時顯示與存儲。通過搭建硬件電路實現了接頭溫度、線路的故障及帶電狀態信息的遠程在線監測，從而驗證了系統設計的合理性。

關鍵詞：電纜終端；GSM；LABVIEW；在線監測

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.017

中圖分類號： TM855

文獻標志碼： A

文章編號： 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

隨著智能電網的不斷發展，實時獲取電氣設備的狀態信息在電力系統的智能化建設中至關重要，作為電力系統重要的設備之一的電纜分接頭，也是電力系統安全運行中的最薄弱環節，主要是由于制作時受現場環境等不利因素的影響以及制作工藝的限制，造成接頭的壓接質量存在一些潛在的隱患。而電纜終端接頭的壓接質量，只能在運行中得以檢驗，經過一段時間的大電流（過負荷）運行后，在壓接點處產生過熱、氧化等現象，由此導致接觸電阻逐漸增大，并且電纜接頭溫度也會進一步升高，使得絕緣老化增大，壽命驟減，最終導致絕緣層損壞，從而造成事故發生，據統計，電纜接頭事故率高達電纜事故的90%[1-4]。為了確保電力電纜附件的安全，尋求一種系統來實現電纜分支箱的在線監測迫在眉睫，并設計合理的電纜終端監測系統可以為供電的可靠性提供技術保證和科學依據[5-7]。目前電纜終端監測是通過人工巡檢方式完成的，需現場檢查電纜接頭溫度情況，檢修中存在的檢修過剩或檢修不足等問題，也耗費大量人力、物力[8-12]。針對上述存在的問題，設計了集溫度傳感器、故障電流傳感器、高壓帶電傳感器于一體的電纜終端智能檢測單元。該系統體積小、布線少、運行穩定、易于維護，使電纜分支箱在線系統進一步朝“集成化、網絡化、智能化監測”方向發展，即具有自動溫度采集、數據共享等特征[13-16]。

1系統的工作原理與設計

此在線監測系統集成溫度的采集，故障電流判斷，高壓帶電的狀態信息于一體化的多功能系統。結合10kV電纜終端接頭的結構特點，系統可以分為三層：MCU數據的采集、GSM數據包傳輸、Labview上位機顯示。如圖1所示，在線監測系統整體方案圖。

數據采集部分設置在電纜分支箱內，節點的溫度信息、線路故障電流、帶電狀態等信息用MSP430單片機待定采集。采集系統分別設置在輸電線路多個電纜分支箱內，并對每個電纜分支箱進行編號處理，便于后續進行故障定位的判斷。當電纜終端接頭溫度達到上限值或線路出現掉電、過流等故障時，系統會立即將此刻信息采集出來，通過GSM無線網絡傳輸至主控制臺，進行報警。當電纜線路無故障時，信息采集時間主要由溫度采集模塊設置，當采集溫度時間到來，進行電纜接頭溫度采集，采集的溫度數據通過射頻無線傳輸方式送給已經休眠MSP430（低功耗狀態），產生中斷，單片機喚醒并執行其它信息采集的子程序，采集完成后，將數據打包并通過GSM無線模塊傳輸給主監測臺。主監測臺是基于Labview的上位機界面，監測臺匯集了多個電纜分支箱數據，實時顯示溫度曲線、線路電壓電流狀態信息及歷史故障次數等信息。

系統保證實現上述功能的同時，還應具有的要求：系統中的測量模塊與供電模塊應保證高壓側與低壓側可靠的電氣隔離，盡可能實現在線非侵入式的檢測技術，避免繁瑣的布線，實現遠程在線監控，做到簡單化、集成化、實用化。

2電纜終端采集層的硬件設計與原理

根據在線監測系統整體要求，采用圖2所示原理結構，多個監測現場單元采集的數據采用GSM無線傳輸方式送給上位機平臺Labview （H）。而在一個子系統內包括了電壓傳感器（A）、電流傳感器（B）、表帶式測溫傳感器（C）、GSM數據發送模塊（D）、下位機（監測點主機E）及CT+超級電容供電系統（G）六部分。

線路的帶電狀態采用電壓傳感器利用電容分壓原理的方式進行測量，耦合過來的信號通過光耦隔離器件傳輸給下位機（監測點主機）；故障電流信息用電流傳感器檢測，通過光纖傳輸給下位機；采用表帶式溫度傳感器采集電纜接頭溫度，溫度數據通過射頻無線方式傳輸給下位機；下位機處理后的數據通過GSM發射模塊傳輸給上位機Labview進行處理并實時顯示。

2.1MCU主接口電路設計

基于TI公司生產的16bit的MSP430F149片上系統芯片，是一款超低功耗微處理器，待機模式1.6μA，具有喚醒時間短（6μs）、RAM數據掉電保存、雙同道串行通信接口、低時鐘高速通信以及可進行同步串行通信等優點，適合作為多功能在線監測系統的MCU，其接口電路如圖3所示。

2.2取能電源的設計

電源部分主要由取能線圈（CT）、前端電能調理電路、后端電能調理電路三部分組成。

系統供電采用開合式CT就地取能的方式，直接套裝在電纜線路上，利用電磁感應原理，當線路通過電流時，CT副邊感應的電動勢為

U2≈4.44fN2μ0μr2ImlSλ（1）

式中：μ0為真空導磁率；μr為相對導磁率；N2為一次線圈匝數；Im為勵磁電流；S為鐵芯的截面積；λ為鐵芯疊片系數；l為平均磁路長度。

然后經過整流、濾波、穩壓后輸出直流電。其電路如圖4所示。

如圖所示，套設在線纜外側的取能線圈CT1和取能線圈CT2，CT1為一電流互感器，CT2為一帶氣隙的電流互感器，當一次母線電流16～220A時，主要CT1感應出電能經第一前端調理電路為后端供電；當一次母線電流在220～1000A時，CT2工作感應出電能第二前端調理電路為后端供電，CT1被短路保護；通過后端調理電路中的超級電容，可以保證在0～16A可靠供電；因此可以保證線路電流在0～1000A時，保證高壓側在線監測設備無死區供電。采用兩個電流互感器配合使用，啟動電流降到16A，結合超級電容后，不存在供電死區，可靠性強，安裝簡單，生產成本低，不受外界環境因素干擾及電氣隔離等優點[18-19]。

2.3溫度采集子系統的原理與實現

采用WD01L39無線測溫傳感器，內部集成DS18B20數字式測溫傳感器，主要特點：體積小、表帶式的外形可方便地安裝在電纜接頭表面，精確度高（分辨率為0.0625℃），定時溫度數據采集，低功耗（待機電流2mA），通信采用射頻方式進行數據的傳輸，具有無線通信自動校準技術[17]，保證數據的穩定性；內部通用數據包如表1。

無線測溫接收器與MCU采用標準UART協議方式進行通信并通過用于完成TTL電平轉換MAX485ESA芯片電路連接，其轉換電路如圖5所示，圖中A，B兩端之間需加120Ω的匹配電阻R7。

2.4短路故障系統原理與實現

短路電流傳感器、接地電流傳感器采用LDL系列短路接地電流故障傳感器，其信號不受線路、勵磁涌流、高次諧波、電流波動影響，直接安裝在電力電纜上，由它感應測量線路中的故障電流，當故障電流超過整定值時，傳感器發出光信號并通過光纖進行信號傳輸，實現了強電與弱電的隔離。

當短路傳感器檢測到電流高于整定時，光信號經光纖傳送給圖6所示的A、B、C三路信號調理電路，當光敏二極管接收到信號后，使三極管工作在線性區，最終信號通過單閥值比較器（LM139A）送給MCU的IO口，以發故障信號。

2.5高壓帶電狀態硬件結構和原理

電容式傳感器的原理分析如下，如圖7傳感器的電路圖及等效電路。

圖中電容式傳感器的電路的等效電路包括3個電容，其中Cg為空氣隙的電容，Cb為與空氣隙串聯的介質電容，Cm為絕緣完好部分的電容，不包括Cg和Cb，大體上Cm>>Cg>>Cb，故下面的近似計算可以忽略Cg和Cb的影響，僅以Cm為電容傳感器的等效電容即可。

當電容傳感器接入到高壓帶電設備測量時，其容抗值大小由下式得：

Xc=12πfCm（2）

式中： f為交流信號的頻率； Cm為傳感器的等效電容量。

高壓設備電壓穩定時，電容式傳感器可被視為交流恒流源，電流計算公式如下：

I=VXc=2πfCmV（3）

式中：V為高壓母線額定電壓。

由上式可以知道其對電流大小，以10kV電纜分支箱為例，當傳感器容量為pF時，可得對地短路電流約為62.8微安，可見其電流為微安級的，非常小對人不會有危險。

高壓帶電狀態的電路原理圖如圖8所示，電路的輸入端并聯接入電纜線路中，設置在電纜線路的電壓傳感器C1與電容C2，將線路的電壓進行分壓，分壓后的電壓經過BRIDGE整流橋整流，得到用于觸發光電耦合器的電壓信號，耦合過來的信號經過閾值比較電路進行比較，最終送入MCU處理，判斷當前的線路電壓狀態，其中，光電耦合器件采用高倍率高速達林頓光電耦合器6N139，隔離電壓達3750V，保證了MCU與強電隔離，閾值比較電路采用的滯回比較模式，可有效避免電壓波動帶來的誤動作。

3監測系統的軟件設計

系統軟件主要包括下位機采集層匯聚節點的軟件設計和上位機的軟件設計兩方面。

3.1底層匯聚節點的軟件設計

底層包括各節點測量傳感器，采集的數據經MCU處理后匯聚成一數據包，經GSM網絡發送出去。MCU有兩種執行程序的方式：其一，各個節點溫度數據定時匯聚到寄存器內，此時MSP430由睡眠狀態喚醒，傳感器對線路的帶電狀態、電流等信息進行采集與處理；其二，如果線路出現故障電流或掉電狀態，故障信號經過調理電路會給MCU一個外部中斷信號，快速喚醒并執行相應子程序，最后，各個參數數據通過GSM網絡方式發送給主機。圖10為匯聚節點的程序流程圖。

3.2上位機的軟件設計

上位機軟件采用 Labview作為開發環境，基于NI設計平臺的核心，使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，編寫方便。上位機程序流程圖見圖11，對底層下位機監測系統采集的數據進行處理并判斷溫度值和電壓電流狀態量是否符合相關的電力系統安全規定[20-21]，并給出故障信號。最終可將數據進行曲線顯示，Excel大量數據的存儲。

4主監測臺界面設計與系統性能測試

合理的界面設計，可提供最直觀的電纜終端信息，介紹了上位機界設計和系統性能測試。

4.1上位機界面設計

根據實際需要，設計了如圖12所示的主界面窗口。圖中的前面板為某城區部分地理位置線路的鋪設結構，有15個節點（電纜分支箱）。包括節點的信息、歷史故障記錄、溫度曲線及GSM通信模塊的信號強度等信息。

4.2實驗臺的搭建及性能測試

模擬10kV、標稱面積185mm2的交聯聚乙烯電力電纜，其允許的載流量320A，根據圖13所示實驗平臺原理框圖搭建實驗平臺。

實驗中，采用一大容量的單相調壓器、導線、電感線圈，通過調節調壓器輸出電壓來調節負載導線電流的大小，實驗中采用20mH的電感線圈做負載，導線的截面積為2.5mm2，輸出電流能實現0～10A可調節，本實驗將負載線路順時針繞行100匝，這樣電流的范圍擴大為0～1000A，為實驗的工作提供了必要的工作環境。

現場采集的數據傳至上位機，圖12為節點數據子界面，為節點14號分支箱內A、B、C三相電纜接頭的溫度曲線、環境溫度曲線、三相帶電狀態及是否存在過流故障等狀態信息；過流與掉電故障用狀態量“1”表示，沒有故障用狀態“0”表示；實時曲線可直觀地觀測箱內電纜接頭的溫度狀況以及更好的預測溫度變化趨勢。

當系統超過6h沒有收到實時信息，系統自動報警，以確保監測的實時性。圖15為11號分支箱歷史數據子界面，根據歷史信息的記錄，能夠有效反映線路事故多發路段并對線路進行故障定位。

通過實際運行測試，如圖14所示，曲線可以反映11號電纜分支箱的電纜終端接頭溫度變化趨勢以及線路電壓電流狀態等故障信息；由圖15可以看出其歷史故障記錄信息，可直觀地反映此處電纜終端一些故障信息，故在線監測系統可以對電纜終端的電壓、電流、溫度等參數進行采集，并通過GSM傳入站內PC機上進行實時顯示與存儲，線路及接頭運行發生異常時可以做到及時報警。

5結語

中壓電纜終端故障在線監測裝置通過對硬件電路與軟件程序的設計實現了電纜終端接頭溫度、線路故障及帶電狀態信息的在線監測。中高壓側的檢測傳感器模塊及取能電源均與低壓側的監測點主機實現了可靠的電氣隔離，克服了箱內強電場、強電磁輻射的干擾問題。其中，電纜接頭溫度、故障信息的檢測，實現了在線非侵入式的檢測技術；數據采用GSM無線傳輸方式匯總到一基于LABVIEW平臺開發的上位機實時顯示與存儲，直觀地顯示出電纜終端溫度曲線，歷史數據等信息；通過解析歷史數據，可實現電纜電氣性能預判斷與線路故障區間定位的功能。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）