環網柜電纜接頭溫度遠程在線監測系統設計

李 夢 符兆倫

（三亞學院 理工學院，海南 三亞572022）

1 概述

環網柜是一組輸配電氣設備裝在金屬或非金屬絕緣柜體內或做成拼裝間隔式環網供電單元的電氣設備，環網柜一般由開關室、斷路器室、操作機構室和電纜室四部分組成。其中電纜室作為配電系統進出線倉，主要負責柜體電纜接頭連接、保護功能。電力系統配電運行過程中，由于接頭老化、負荷超載、施工質量不足等原因，環網柜電纜接頭容易發熱，導致電纜金具接頭加速氧化，嚴重時會引起電纜接頭爆炸、絕緣擊穿等危害，進而造成大面積停電事故，使電力設備及周邊經濟受到損失。

2 背景闡述

環網柜是實現環網供電的關鍵設備，柜內電纜倉采用“T型”電纜接頭進行連接，隨著設備長時間運行，電纜接頭存在一定老化情況。在運行過程中，環網柜供電區域負荷較高，電纜接頭出現溫度過高情況，長時間運行容易引發電纜接頭燒毀、損壞，嚴重時會引起環網柜爆炸等嚴重情況。日常工作中，電力系統運維人員通過定期到場巡檢戶外環網柜電纜接頭溫度值、接頭老化情況、工作量較大、且工作效率較低，無法實現實時溫度監測需求，也不能及時發現問題，解決問題。

電纜接頭運行溫度監測方法較多，常用方法有柜外紅外熱成像法、接觸式傳感測溫法、柜內紅外測溫法等，以上方法均需要運維人員到達環網柜現場，進行人工操作檢測、記錄、分析，且檢測周期長、誤差大等問題。設計一套直接接觸式安裝于“T 型”電纜接頭后堵頭位置的溫度傳感器，接觸式獲取電纜接頭線芯運行溫度，通過電流感應模式隨著電纜接頭運行而持續監測溫度變化，實現溫度實時遠程在線監測。

3 系統架構

本系統設計由三個部分組成，由安裝于環網柜“T 型”電纜接頭后堵頭位置的溫度傳感器直接獲取電纜接頭線芯運行溫度，傳感器通過內置ZigBee 無線通訊模式將溫度數據信號上傳至數據處理終端，數據處理終端將數據信號進行預處理，一方面顯示于處理終端LED 顯示屏，另一方面通過4G 網絡信號將溫度數據上傳至遠程監控管理平臺（如圖1）。

3.1 溫度傳感器設計

“T 型”電纜接頭是環網柜電纜倉重要組成部件，主要用于環網柜進、出線電纜連接柜體電器元件，實現上下游電源輸入與輸出連接。

圖1 系統整體架構

3.1.1“T 型”電纜接頭結構

圖2

a.外半導電層：預制的EPDM 導電橡膠符合IEEE592 標準。b.絕緣層：特有配方和混合技術確保預制EPDM 絕緣橡膠的優質品質。c.內半導電層：預制的EPDM導電橡膠有效控制和分散電氣應力。d.接地眼：預注到外半導電層中用于接地線的連接。e.應力錐：不同尺寸的應力錐配合T 型電纜接頭使用，能確保水密封以及電纜應力釋放。f.壓接端子：全銅或銅鋁壓接端子適用于銅或鋁導體。g.絕緣塞：環氧樹脂絕緣塞內含有帶螺紋金屬件可以確保與雙頭螺栓緊密配合。

3.1.2 溫度傳感器結構設計

通過分析電纜接頭結構特點，設計改造電纜接頭“絕緣塞”，將傳感器模塊、無線通訊模塊、電磁感應模塊集成于“絕緣塞”內，形成帶有溫度傳感監測功能的新型“絕緣塞”，替代現有環網柜“T 型”電纜接頭絕緣塞，實現電纜接頭溫度監測功能。a.固定銅件；b.絕緣材料：選用特種橡膠材料；c.測溫電路板：溫度傳感器、ZigBee 無線模塊、電源模塊構成；d.電容感應罩：通過電磁感應獲得啟動電源。

3.1.3 溫度傳感器工作原理

無源無線工作：10kV 環網柜在運行過程中，電纜倉內電源等級均為10kV 高壓電，無法直接獲取220V 等級電源，因此安裝于電纜接頭上的溫度傳感器無法獲得有效電源正常啟動。因此設計采用CT 感應取能方式，通過監測電纜線運行電壓直接獲得可靠啟動電源，實現溫度傳感器無源無線工作模式。

圖3

ZigBee 無線通訊：ZigBee 是一種低速短距離傳輸的無線網上協議，底層是采用IEEE 802.15.4 標準規范，主要特色有低耗電、低成本、快速、可靠、安全等特性。溫度傳感器與數據處理終端通過集成ZigBee 通訊芯片，實現本地短距離可靠高效傳輸。

熱傳導獲取溫度：溫度傳感器直接安裝于“T 型”電纜接頭絕緣塞位置，直接與電纜銅件接觸，內置NTC 熱敏電阻通過熱傳導模式直接獲取電纜銅件運行溫度數據，通過ZigBee 無線傳輸至數據處理終端。

3.1.4 溫度傳感器特點

免維護：由于高壓設備運行后很難有機會停電檢修，因此終端的可靠性要求極高。且不需要日常的運行維護也能穩定運行工作；無源取電：利用電磁場獲取能源，不需要額外的電源；由于電池存在著使用壽命受環境影響因素急劇減少，因此不能使用電池作為裝置的電源，采用電壓取電原理為溫度傳感器進行供能；安裝簡便：將溫度傳感器直接替換現有電纜接頭絕緣塞，螺紋圈設計拆裝簡便高效。

3.2 數據處理終端設計

數據處理終端通過與溫度傳感器形成ZigBee 無線通訊網絡，數據實時上傳至數據處理終端，通過內置算法將數據進行分類處理，按照安裝點位位置信息、溫度信息、信號強度信息等內容顯示于LED 顯示屏之上，并通過4G 網絡將溫度數據上傳至遠程監控管理平臺，實現遠程監控功能。

數據處理終端結構設計:

ZigBee 無線通訊最大網絡節點可達65536 個節點，環網柜電纜接頭數量最大僅有18 個節點，一套數據處理終端即可實現環網柜所有節點數據交互傳輸。數據處理終端可安裝于環網柜自動化控制儀表倉內，可直接獲得交流220V電源。a.設備電源接口：支持AC 220V 電源。b.RS-485 接口：支持數據終端現場調試、數據備份等操作。c.按鍵區域：支持數據終端本地歷史數據查閱、當前數據查閱。d.SIM物聯卡插口：支持4G 網絡卡插拔、更換、維護等。e.4G 天線接口：支持4G 信號發射、接收，將數據上傳至監控管理平臺。f.RF天線接口：ZigBee 無線接收溫度傳感器的數據。g.LED 顯示屏：顯示管理終端個數、安裝環境溫度、軟件版本信息、TD-LTE 連接狀態和信號強度、終端安裝位置和溫度等。h.狀態指示燈：顯示4G 運行狀態指示、溫度告警指示、設備運行狀態指示。

圖4

3.3 遠程監控管理平臺設計

實現環網柜“T 型”電纜接頭的溫度在線監測系統，不僅需要溫度監測硬件設備，還需設計一套集數據處理、數據展示、圖表分析、高溫告警、輔助決策于一體的遠程監控管理平臺。遠程監控管理平臺收集展示各監測環網柜電纜接頭溫度數據，通過可視化圖表直觀展示各監測點溫度變化情況，電力系統運維人員通過辦公室辦公電腦，通過B/S 模式訪問平臺，遠程監控各監測點溫度數據，系統可進行高溫閾值設置，監測點溫度超過閾值時，推送告警提示，運維人員可提前介入處理高溫點位負荷，避免發生故障。

4 結論

本設計旨在解決電力系統配電環節10kV 環網柜“T型”電纜接頭溫度在線監測問題，設計符合環網柜電纜接頭結構，安裝簡便的溫度傳感器。結合CT 感應取電技術、ZigBee 無線通信技術、4G 網絡傳輸技術等物聯網技術，打造一套環網柜電纜接頭溫度遠程在線監測系統，替代傳統人工監測方式，提升配電管理效率與安全水平。未來可根據此原理研究設計符合更多電力系統設備電纜接頭溫度在線監測設備，全面提升智能電網、電力物聯網技術水平，打造智能化電網、智能化監測管理平臺。

圖5 環網柜電纜接頭溫度遠程在線監測系統結構設計