輸配電線路電纜火災預警設計與實現

遲清 李鵬程

摘要：通過研究設計出了一種能夠直觀反映電纜頭連接情況的在線火災預警系統。整個系統的硬件部分結構形式簡單，系統運行可靠，具有極強的拓展性，性價比也比較高。通過軟件仿真設計后可以看出，在數據采集、數據顯示、數據查詢等各個方面都是實現了良好的電纜火災預警功能，控制界面的設計也更加簡單、直觀，為操作人員提供了極大的便利，通過仿真發現整個系統具備的較強的穩定性，預警功能也更加精準，具有良好的市場推廣價值。

關鍵詞：輸配電纜火災;預警系統;數據采集

中圖分類號：TM726

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0086-04

火災報警本身屬于集合了數學、物理、機電、計算機、模擬識別等多項技術的一種綜合性非常強的新技術門類。火災報警最大的作用就是要在火災發生的第一時間及時獲取相關具體的信息，并以實際信息為準進行及時處理，從而實現火災的報警目的。以火災實際的發生情況來看，各個層次上的信息非常多，而且比較復雜，火災預警最大的難點就是在眾多復雜的信息中如何進行及時的處理，并實現對處理后各種信息的綜合性利用，這也是當今火災預警領域一個重點的研究課題之一。而當在發生或火災后，其不僅電纜表面溫度會直線上升，同時還會產生大量有害煙霧、氣體，如CO2、SO2、CO等氣體。因此，如何借助當前的信息技術實現對輸配電線路的監控，成為當前思考和研究的重點。

1 硬件系統部分

考慮到輸配電電纜線路在發生火災時，包括溫度等在內的環境都會變化，也會產生大量的有毒氣體，如上述的CO、S02等氣體。因此對于輸配電光纜火災報警系統的數據采集通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器等，以實現對火災相關數據的采集。具體硬件架構如圖1所示。

首先在電纜接頭的各個部分設置溫度、電流、環境、煙霧等各種傳感器[1]，以此來實現對不同信息的檢測，所有的采集數據最后通過數據采集模塊處理后將其傳輸到工控機中。在數據采集模塊中會針對采集的各種信息完成放大或者是進行A/D轉換處理，RS485總線則是數據采集與工控機實現順暢通訊的主要設備。系統通訊、信息傳輸所需要的局域網主要是通過計算機以及上位機來組成，在局域網構建起聯網狀態后，管理人員就能夠及時這對現場狀況進行查詢。

1.1 傳感器

傳感器是整個系統中最基層的元件，該系統中主要應用的傳感器有溫度和煙霧傳感器。以電纜實際的分布狀況為基準，在需要進行檢測的各個電纜頭以及電纜溝道位置處布置相應得的傳感器。溫度傳感器的作用主要是針對電纜頭不同位置得的溫度信息進行采集，而不同電纜溝道位置的煙霧信息則主要是通過煙霧傳感器來進行采集。

1.2 數據采集器

在整個監測系統中最為關鍵的就是數據采集器，其主要的作用是實現系統中各種信息的高效傳輸和精確處理，是整個系統中發揮出承上啟下作用的關鍵，也就是說，首先，數據采集器需要針對系統內部一部分傳感器采集的信息進行A/D轉換，同時也能夠在關鍵環節發揮出良好的保護功能。體現出了集中作用;其次，整個監測系統中必須要同時布置多個數據采集器，這樣才能很好的完成對所有傳感器采集信息的高效處理，所有的數據采集器在針對具體信息進行處理后最終傳輸到工控機中。而數據采集器與工控機之間要想實現信息傳輸，就必須要建立起相應的通訊數據接口，由于2者之前的通訊質量會受到通訊距離和干擾能力等各種因素的干擾，因此在本次設計過程中針對數據采集器配備的是RS485串行接口，2者之前的通訊則主要是通過這種串行接口協議來實現。在結合整個系統的分布狀態以及視覺的容量范圍來合理的設置數據采集器。另外RS485通訊芯片實際的驅動性能也會對數據采集器的設置數量起到決定性作用[2]

1.3 工控機

工控機的主要作用就是在接受數據采集器處理后的數據信息后，這對各種接收信息進行分析、判斷并將結果進行顯示，在此基礎上來實現對整個監測系統運行狀況的統一調度，實現系統信息的再集中。工控機在整個系統運行過程中主要可以完成以下一些任務：①對各個數據采集器進行循環訪問，并在訪問過程中實現各個位置數據信息的采集;②將電纜的分布模擬圖顯示出來，并對各個傳感器實際的布設位置進行顯示;③利用程序擴展功能，對整個區域內的分布的電纜進行高效管理。

2 傳感器選型

2.1 選擇溫度傳感器

在本次進行系統設計過程中針對電纜溫度主要是利用測溫電纜來實現。熱電偶效應失去應用的基本原理，在整個電纜長度方向上，針對與溫度信息相對應的毫伏信號進行測量，這種測量方法能夠充分保證精度，而且還具有良好的線性度。

測溫電纜FFLD和CITC通常情況下又被稱為是線性連續熱電偶或尋熱式熱電偶[3]。在近幾十年在線溫度傳感器技術快速發展的基礎上逐漸形成了測溫電纜。這種專利產品溫度探測功能具有其自身特點，與普通的熱電偶相比較，熱接點并不是處于固定狀態，電纜這個溫度點與熱接點處于最新狀態，當整個電纜上面其中一點（TI）實際溫度要比其他部分高的時候，在這一位置熱電偶導線的絕緣電阻（R）也會相應的降低，在這種情況下就會出現“臨時”熱電偶接頭，這種熱電偶接頭的主要作用與常規單接點熱電偶接頭非常相似，當整個電纜上出現另外一個點（T2）溫度超過（T1）點在情況下，（T2）位置的熱電偶導線之間絕緣電阻將會成為最低點，在這種情況下.又會出現另外一個新的“臨時”熱電偶接頭。

2.2 電流傳感器選型

在本次系統設置的過程中對電磁式電流互感器進行了大量運動，這種互感器與普通變壓器在工作原理上比較相似。下圖2所示為電流互感器的原理接線。

利用電流互感器作為電流的檢測主要滿足以下特點：①由于電流互感器的原邊線圈串聯在回路中，而且線圈匝數較少，所以，在檢測電流的過程中主要與負荷側電流有關而與副邊電流無關;②電流互感器的副邊線圈電阻較小，因此通常情況下，電流互感器運行狀況接近短路狀況。通常將電流互感器的原邊及副邊電流的比值成為互感器的額定互感比，用公式表示成kn=I1n/I2n，由于在實際使用時電流互感器一次側的額定電流數值已經形成固定的標準值，而二次側電流出廠固定為5A、1A或者0.5A的固定數值，因此互感器的互感比就形成了標準數值，同時互感比還可以用一次側以及二次側的線圈匝數比進行表示kn=N1/N2。本文使用的數據采集器需要滿足的數據輸入等級為毫安信號等級，通常只有毫安型電流互感器能夠輸出毫安級電流信號，因此本文選用毫安型電流互感器作為滿足數據采集器的電流數據檢測器件。

2.3煙霧傳感器

煙霧傳感器是一種將檢測到的煙霧濃度信號轉換成光電信號的檢測傳感器。其中檢測用的敏感元件是利用發光二極管以及光電二極管組成的，在電纜檢測部位沒有形成煙霧的狀態下，傳感器中的光電二極管短路狀態。當發生火災的時候，產生的煙霧進入傳感器內部，由于煙霧粒子的折射使得光電二極管形成通路，并且所形成的的回路電流與煙霧粒子的濃度成正比關系，從而由于煙霧的濃度變化使得光電二極管形成光電流大小的變化，而后經過內部信號的轉換形成一定比例關系的電流輸出，利用輸出的電流對報警系統形成控制。本文所利用的煙霧傳感器型號為JTY-CD-CH3102型光電感煙探測器。

2.4 環境溫度傳感器

為了對電纜使用位置的環境溫度進行檢測，本文利用型號為DS18820的溫度傳感器進行溫度檢測。此種傳感器適一種利用數字電路實現溫度檢測的器件，是由美國DALLAS公司生產的一種單線型溫度傳感器，由于其穩定的檢測性能以及低廉的價格使得其得到了廣泛的應用。同時該傳感器具有體積小，連接方便，信號傳輸遠的特點。

2.5 數據采集器的選型

為了將檢測到的各個物理量進行信號處理、傳輸，需要對其進行采集處理。本文利用型號為AD-AM-4018的16位18路輸入的模擬量采集裝置對模擬量進行采集、傳輸。此款模擬量采集模塊具有較高的經濟性，能夠將輸入信號以及輸出信號形成光電隔離，隔離電壓達到了直流3000V，從而實現輸入的弱電檢測信號與外部電纜傳輸電流彼此隔離，保證檢測信號的準確性。ADAM-4018信號處理用后可以通過RS-485串口通信將檢測數據傳輸到下位機進行處理。同時該款模塊支持熱電偶測溫模塊輸入信號的處理，可以用來進行溫度檢測。

2.6 數據采集器與工控機的通信

現場檢測到的物理量通過數據采集器采集以后可以通過RS-485串口通信進行傳輸，本文選擇的下位機系統是工控機，由于工控機的串口通信方式為RS-232接口，因此需要利用RS485/232轉換器將彼此信號轉換，才能實現兩者的通信。工控機根據硬件檢測信號，在軟件系統的處理、計算，得到當前電纜狀況，對其作出綜合判斷。

3 系統軟件設計

3.1 整體流程設計

整個火災報警系統的流程如圖3所示。

根據以上流程看出，當傳感器采集到電纜表現的溫度、煙霧等信號后，將得到的數據與系統設定的閾值進行比對，如果超過某個設定的閾值，那么系統做出判斷，自動報警。

3.2 火災預警探測數據融合判斷實現

當電纜接頭出現溫度過高而產生火災的情況下，環境溫度會逐漸上升，而且會產生大量煙霧，與此同時，環境、季節、晝夜情況的變化也會對電纜接頭表面溫度、環境溫度、煙霧等參數產生一定的影響，因此在系統設計過程中可以將上述3種參數作為基本的模糊變量，通過對3種傳感器快捷信息進行融合之后，提取其中的有效信息，這樣就實現了整個過程的可用模糊算法。模糊邏輯是構建模糊系統的基本條件，但是在選擇實際應用過程中只能通過經驗來選擇模糊系統的規則集和隸屬函數等參數，而且這幾種參數的調整比較困難。充分利用加權模糊邏輯就能夠針對整個系統的規則集合進行進一步優化。系統的算法如圖4所示。

通過對輸入檢測信號的判斷，對電纜狀況進行如下報警判斷：①如果系統檢測到煙霧信號，就會發出火警報警;②如果所有信號均達到預警值較高范圍，則輸出預警類型為火警;③如果熊有2組信號檢測超過預警值，其它信號正常，那么系統會發預警2;④如果系統已經存在預警1，其它信號為正常或者或者出現預警類型2，系統輸出預警類型1;⑤如果3個出現預警類型1，那么系統輸出報警類型為預警2;⑥其余情況均輸出正常，無預警。

4 系統仿真

本次系統設計的核心部分屬于火災預警模塊，在本節研究過程中主要以2211電纜接頭作為對象，并主要選擇了電纜表面溫度、環境溫度、煙霧等一些參數繼續分析[4]。可以以實際發生電纜接頭故障情況下的數據來對整個系統預警模塊進行測試。如表1所示。

從表1的分析結果可以看出，本次設計系統完全能夠實現火災預警功能，與此同時還能夠保證預警的精確率。

5 結語

文章在研究過程中主要是以溫度信息來反映電纜接頭絕緣在線監測的重要性，在針對具體狀況進行全面闡述分析后，通過模擬分析方法，最終選擇溫度、電流、環境溫度、煙霧等幾項主要信息，最終設計出了電纜接頭在線監測系統的軟硬件系統，通過仿真驗證后發現，本次系統設計完全滿足電纜火災預警的實際需求。

參考文獻

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