便攜式無線XLPE電力電纜的過熱監(jiān)測系統(tǒng)研究

哈爾濱電氣國際工程有限責任公司 程體陽

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中XLPE高壓電力電纜是電力系統(tǒng)應用的主流，而隨著運行時間的增加，電力電纜的老化及表皮腐蝕破損問題嚴重，表皮破損將導致電力電纜放電甚至局部短路。本文研究了一種基于藍牙的XLPE電力電纜無線過熱監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了電力電纜絕緣表面溫度的實時監(jiān)測，確保電纜的運行穩(wěn)定。

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，已經逐漸應用電力電纜來傳輸電能。近年來，國家經濟化水平和工業(yè)化水平不斷提高，電力系統(tǒng)也隨之迅猛發(fā)展，因此電力電纜的增長量也逐年遞增。由于電力電纜空間占有率低，維護工作量小等特點，其被廣泛應用于城鄉(xiāng)電力系統(tǒng)中。而XLPE電力電纜是目前電力電纜最為廣泛的應用。

根據(jù)近年來國內外的運行及研究經驗來看，電力電纜絕緣介質的樹枝狀老化是其性能裂化的主要成因并影響其壽命。絕緣層老化甚至擊穿后，電纜易發(fā)生短路故障，而其局部放電的發(fā)生亦能造成電力電纜絕緣層溫度的升高。

因此，對于XLPE電力電纜絕緣層的溫度監(jiān)測在電力系統(tǒng)中十分重要。XLPE電力電纜絕緣過熱監(jiān)測系統(tǒng)對于保護電纜，控制電纜運行狀態(tài)，及時定時維護十分重要。而由于XLPE電力電纜常埋于地下或敷設于電纜槽溝中，其周圍空間狹小且環(huán)境復雜，因此對于XLPE電力電纜的絕緣過熱監(jiān)測及走線十分困難。基于以上考慮，本文介紹了一種基于無線藍牙的XLPE電力電纜絕緣過熱監(jiān)測系統(tǒng)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

由于電纜溝或電纜槽盒的空間狹小及環(huán)境的復雜性，因此本設計選取一種無線藍牙的方式對XLPE電力電纜進行測量。監(jiān)測系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

監(jiān)測系統(tǒng)由溫度傳感器陣列、數(shù)據(jù)傳輸模塊及數(shù)據(jù)采集終端組成。傳感器陣列圍繞著XLPE電力電纜外殼均勻布置，溫度傳感器陣列負責檢測電纜溫度，并將溫度信號傳輸至數(shù)據(jù)傳輸模塊匯總，溫度傳輸模塊將匯總的電纜溫度數(shù)據(jù)通過藍牙傳遞至數(shù)據(jù)采集終端，在數(shù)據(jù)采集終端進行數(shù)據(jù)的進一步處理，監(jiān)測，顯示及報警，同時能夠與電腦上位機兼容，將數(shù)據(jù)導出至電腦進行儲存或通過專用溫度測量軟件進行上位機溫度監(jiān)測。實現(xiàn)了溫度信號的陣列采集，以及溫度信號的無線傳輸及集成處理。由于篇幅所限，本文將對其中的幾個重要模塊進行介紹。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器陣列設計

2.1.1 傳感器陣列布置設計

傳感器的作用為測量電纜溫度數(shù)據(jù)，而由于XLPE電力電纜的結構特性（如圖2所示），單一的溫度傳感器無法滿足電力電纜的測量要求，因此選用溫度傳感器陣列的方式對XLPE電纜進行過熱監(jiān)測。

圖2 XLPE電力電纜結構圖

圖3 溫度傳感器電路圖

圖4 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設計

每個溫度傳感器陣列由8個溫度傳感器構成，傳感器均勻布置在電纜外殼上，精確的測量電纜外殼的溫度數(shù)據(jù)，并將其傳至數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1.2 傳感器陣列硬件設計

本設計中溫度傳感器采用業(yè)內較為常用的高精度數(shù)字溫度傳感器ADT7420。ADT7420具有工作溫度款，功耗低，封裝小，接線簡單等優(yōu)點，適合在小空間，長續(xù)航等環(huán)境中應用。本設計中ADT7420的傳感器連接如圖3所示。

溫度傳感器通過I2C總線與數(shù)據(jù)傳輸模塊進行連接，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊的電源為溫度傳感器陣列進行供電。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設計

數(shù)據(jù)傳輸模塊是整個系統(tǒng)的核心所在。它負責整個溫度傳感器陣列所采集的數(shù)據(jù)，并通過其所搭配的藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠端主機進行進一步分析處理。數(shù)據(jù)傳輸模塊的電路設計如圖4所示。

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用STM32單片機作為其數(shù)據(jù)處理核心采用STM32L052這款低功耗單片機核心，供電采用紐扣電池供電。電池供電加低功耗器件的設計是為了滿足數(shù)據(jù)傳輸模塊在電纜槽溝安裝的需求，無需外部供電以及繁瑣的外部接線。ADT1420溫度傳感器陣列與單片機核心通過I2C總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而該款單片機有4條I2C總線接口，因此一個數(shù)據(jù)傳輸模塊能夠連接4個溫度傳感器，一個陣列需要2個溫度傳輸模塊。溫度傳輸模塊與上位機通過藍牙交換數(shù)據(jù)，藍牙選用NRF51822藍牙芯片，該芯片具有藍牙5.0協(xié)議，及低功耗等優(yōu)點，在工業(yè)上被廣為使用。每個數(shù)據(jù)傳輸模塊搭載一個藍牙NRF51822芯片。

2.3 數(shù)據(jù)采集終端硬件設計

電力電纜溫度數(shù)據(jù)經溫度傳感器采集后，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊整合處理，在通過藍牙發(fā)送至數(shù)據(jù)采集終端。數(shù)據(jù)采集終端的藍牙芯片仍然采用NRF51822芯片，能夠與數(shù)據(jù)傳輸模塊形成1對1的手拉手連接，單片機核心采用較為常用的STM32F103芯片，采用鋰離子電池和電源多重模式供電，既滿足長續(xù)航能力也能夠實現(xiàn)便攜的需求。數(shù)據(jù)采集終端終端可連接3組NRF51822芯片，而通過nrf51822可實現(xiàn)3個數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)互聯(lián)。數(shù)據(jù)采集終端設置有程序燒錄模塊，存儲模塊，按鍵控制模塊，顯示模塊以及上位機通訊模塊。能夠實現(xiàn)XLPE電力電纜的溫度實時顯示，陣列檢測，超限報警，定值設定，數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)上傳和導出等功能。實現(xiàn)了電力電纜的溫度監(jiān)測以及過熱報警等實用功能。

3 設備安裝及測試

在溫度傳感器陣列，數(shù)據(jù)數(shù)傳模塊以及數(shù)據(jù)采集終端搭建完成后，依照原理圖進行PCB的繪制，元器件按照以及整體裝配。裝配及程序下載完成后進行整體聯(lián)調。

傳感器陣列安裝完成后，利用大電流通過電纜，并通過紅外測溫儀對設備進行測試，測試結果如表1所示。

表1 溫度測試結果

結果證明，該設計能夠有效地測出電力電纜表面溫度，并及時的進行數(shù)據(jù)上傳及處理，對溫度過熱情況及時報警，實現(xiàn)本設計所需求的功能。

結論：本文設計了一種基于藍牙的XLPE電力電纜無線過熱監(jiān)測系統(tǒng)，對其原理，電路結構以及測試結果進行了論述，測試結果較理想，能夠時間電力電纜的溫度監(jiān)測及過熱報警。對工程上電力電纜的運行維護具有重要意義。