输配电线路电缆火灾预警设计与实现

迟清 李鹏程

摘要：通过研究设计出了一种能够直观反映电缆头连接情况的在线火灾预警系统。整个系统的硬件部分结构形式简单，系统运行可靠，具有极强的拓展性，性价比也比较高。通过软件仿真设计后可以看出，在数据采集、数据显示、数据查询等各个方面都是实现了良好的电缆火灾预警功能，控制界面的设计也更加简单、直观，为操作人员提供了极大的便利，通过仿真发现整个系统具备的较强的稳定性，预警功能也更加精准，具有良好的市场推广价值。

关键词：输配电缆火灾;预警系统;数据采集

中图分类号：TM726

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）12-0086-04

火灾报警本身属于集合了数学、物理、机电、计算机、模拟识别等多项技术的一种综合性非常强的新技术门类。火灾报警最大的作用就是要在火灾发生的第一时间及时获取相关具体的信息，并以实际信息为准进行及时处理，从而实现火灾的报警目的。以火灾实际的发生情况来看，各个层次上的信息非常多，而且比较复杂，火灾预警最大的难点就是在众多复杂的信息中如何进行及时的处理，并实现对处理后各种信息的综合性利用，这也是当今火灾预警领域一个重点的研究课题之一。而当在发生或火灾后，其不仅电缆表面温度会直线上升，同时还会产生大量有害烟雾、气体，如CO2、SO2、CO等气体。因此，如何借助当前的信息技术实现对输配电线路的监控，成为当前思考和研究的重点。

1 硬件系统部分

考虑到输配电电缆线路在发生火灾时，包括温度等在内的环境都会变化，也会产生大量的有毒气体，如上述的CO、S02等气体。因此对于输配电光缆火灾报警系统的数据采集通过温湿度传感器、烟雾传感器等，以实现对火灾相关数据的采集。具体硬件架构如图1所示。

首先在电缆接头的各个部分设置温度、电流、环境、烟雾等各种传感器[1]，以此来实现对不同信息的检测，所有的采集数据最后通过数据采集模块处理后将其传输到工控机中。在数据采集模块中会针对采集的各种信息完成放大或者是進行A/D转换处理，RS485总线则是数据采集与工控机实现顺畅通讯的主要设备。系统通讯、信息传输所需要的局域网主要是通过计算机以及上位机来组成，在局域网构建起联网状态后，管理人员就能够及时这对现场状况进行查询。

1.1 传感器

传感器是整个系统中最基层的元件，该系统中主要应用的传感器有温度和烟雾传感器。以电缆实际的分布状况为基准，在需要进行检测的各个电缆头以及电缆沟道位置处布置相应得的传感器。温度传感器的作用主要是针对电缆头不同位置得的温度信息进行采集，而不同电缆沟道位置的烟雾信息则主要是通过烟雾传感器来进行采集。

1.2 数据采集器

在整个监测系统中最为关键的就是数据采集器，其主要的作用是实现系统中各种信息的高效传输和精确处理，是整个系统中发挥出承上启下作用的关键，也就是说，首先，数据采集器需要针对系统内部一部分传感器采集的信息进行A/D转换，同时也能够在关键环节发挥出良好的保护功能。体现出了集中作用;其次，整个监测系统中必须要同时布置多个数据采集器，这样才能很好的完成对所有传感器采集信息的高效处理，所有的数据采集器在针对具体信息进行处理后最终传输到工控机中。而数据采集器与工控机之间要想实现信息传输，就必须要建立起相应的通讯数据接口，由于2者之前的通讯质量会受到通讯距离和干扰能力等各种因素的干扰，因此在本次设计过程中针对数据采集器配备的是RS485串行接口，2者之前的通讯则主要是通过这种串行接口协议来实现。在结合整个系统的分布状态以及视觉的容量范围来合理的设置数据采集器。另外RS485通讯芯片实际的驱动性能也会对数据采集器的设置数量起到决定性作用[2]

1.3 工控机

工控机的主要作用就是在接受数据采集器处理后的数据信息后，这对各种接收信息进行分析、判断并将结果进行显示，在此基础上来实现对整个监测系统运行状况的统一调度，实现系统信息的再集中。工控机在整个系统运行过程中主要可以完成以下一些任务：①对各个数据采集器进行循环访问，并在访问过程中实现各个位置数据信息的采集;②将电缆的分布模拟图显示出来，并对各个传感器实际的布设位置进行显示;③利用程序扩展功能，对整个区域内的分布的电缆进行高效管理。

2 传感器选型

2.1 选择温度传感器

在本次进行系统设计过程中针对电缆温度主要是利用测温电缆来实现。热电偶效应失去应用的基本原理，在整个电缆长度方向上，针对与温度信息相对应的毫伏信号进行测量，这种测量方法能够充分保证精度，而且还具有良好的线性度。

测温电缆FFLD和CITC通常情况下又被称为是线性连续热电偶或寻热式热电偶[3]。在近几十年在线温度传感器技术快速发展的基础上逐渐形成了测温电缆。这种专利产品温度探测功能具有其自身特点，与普通的热电偶相比较，热接点并不是处于固定状态，电缆这个温度点与热接点处于最新状态，当整个电缆上面其中一点（TI）实际温度要比其他部分高的时候，在这一位置热电偶导线的绝缘电阻（R）也会相应的降低，在这种情况下就会出现“临时”热电偶接头，这种热电偶接头的主要作用与常规单接点热电偶接头非常相似，当整个电缆上出现另外一个点（T2）温度超过（T1）点在情况下，（T2）位置的热电偶导线之间绝缘电阻将会成为最低点，在这种情况下.又会出现另外一个新的“临时”热电偶接头。

2.2 电流传感器选型

在本次系统设置的过程中对电磁式电流互感器进行了大量运动，这种互感器与普通变压器在工作原理上比较相似。下图2所示为电流互感器的原理接线。

利用电流互感器作为电流的检测主要满足以下特点：①由于电流互感器的原边线圈串联在回路中，而且线圈匝数较少，所以，在检测电流的过程中主要与负荷侧电流有关而与副边电流无关;②电流互感器的副边线圈电阻较小，因此通常情况下，电流互感器运行状况接近短路状况。通常将电流互感器的原边及副边电流的比值成为互感器的额定互感比，用公式表示成kn=I1n/I2n，由于在实际使用时电流互感器一次侧的额定电流数值已经形成固定的标准值，而二次侧电流出厂固定为5A、1A或者0.5A的固定数值，因此互感器的互感比就形成了标准数值，同时互感比还可以用一次侧以及二次侧的线圈匝数比进行表示kn=N1/N2。本文使用的数据采集器需要满足的数据输入等级为毫安信号等级，通常只有毫安型电流互感器能够输出毫安级电流信号，因此本文选用毫安型电流互感器作为满足数据采集器的电流数据检测器件。

2.3烟雾传感器

烟雾传感器是一种将检测到的烟雾浓度信号转换成光电信号的检测传感器。其中检测用的敏感元件是利用发光二极管以及光电二极管组成的，在电缆检测部位没有形成烟雾的状态下，传感器中的光电二极管短路状态。当发生火灾的时候，产生的烟雾进入传感器内部，由于烟雾粒子的折射使得光电二极管形成通路，并且所形成的的回路电流与烟雾粒子的浓度成正比关系，从而由于烟雾的浓度变化使得光电二极管形成光电流大小的变化，而后经过内部信号的转换形成一定比例关系的电流输出，利用输出的电流对报警系统形成控制。本文所利用的烟雾传感器型号为JTY-CD-CH3102型光电感烟探测器。

2.4 环境温度传感器

为了对电缆使用位置的环境温度进行检测，本文利用型号为DS18820的温度传感器进行温度检测。此种传感器适一种利用数字电路实现温度检测的器件，是由美国DALLAS公司生产的一种单线型温度传感器，由于其稳定的检测性能以及低廉的价格使得其得到了广泛的应用。同时该传感器具有体积小，连接方便，信号传输远的特点。

2.5 数据采集器的选型

为了将检测到的各个物理量进行信号处理、传输，需要对其进行采集处理。本文利用型号为AD-AM-4018的16位18路输入的模拟量采集装置对模拟量进行采集、传输。此款模拟量采集模块具有较高的经济性，能够将输入信号以及输出信号形成光电隔离，隔离电压达到了直流3000V，从而实现输入的弱电检测信号与外部电缆传输电流彼此隔离，保证检测信号的准确性。ADAM-4018信号处理用后可以通过RS-485串口通信将检测数据传输到下位机进行处理。同时该款模块支持热电偶测温模块输入信号的处理，可以用来进行温度检测。

2.6 数据采集器与工控机的通信

现场检测到的物理量通过数据采集器采集以后可以通过RS-485串口通信进行传输，本文选择的下位机系统是工控机，由于工控机的串口通信方式为RS-232接口，因此需要利用RS485/232转换器将彼此信号转换，才能实现两者的通信。工控机根据硬件检测信号，在软件系统的处理、计算，得到当前电缆状况，对其作出综合判断。

3 系统软件设计

3.1 整体流程设计

整个火灾报警系统的流程如图3所示。

根据以上流程看出，当传感器采集到电缆表现的温度、烟雾等信号后，将得到的数据与系统设定的阈值进行比对，如果超过某个设定的阈值，那么系统做出判断，自动报警。

3.2 火灾预警探测数据融合判断实现

当电缆接头出现温度过高而产生火灾的情况下，环境温度会逐渐上升，而且会产生大量烟雾，与此同时，环境、季节、昼夜情况的变化也会对电缆接头表面温度、环境温度、烟雾等参数产生一定的影响，因此在系统设计过程中可以将上述3种参数作为基本的模糊变量，通过对3种传感器快捷信息进行融合之后，提取其中的有效信息，这样就实现了整个过程的可用模糊算法。模糊逻辑是构建模糊系统的基本条件，但是在选择实际应用过程中只能通过经验来选择模糊系统的规则集和隶属函数等参数，而且这几种参数的调整比较困难。充分利用加权模糊逻辑就能够针对整个系统的规则集合进行进一步优化。系统的算法如图4所示。

通过对输入检测信号的判断，对电缆状况进行如下报警判断：①如果系统检测到烟雾信号，就会发出火警报警;②如果所有信号均达到预警值较高范围，则输出预警类型为火警;③如果熊有2组信号检测超过预警值，其它信号正常，那么系统会发预警2;④如果系统已经存在预警1，其它信号为正常或者或者出现预警类型2，系统输出预警类型1;⑤如果3个出现预警类型1，那么系统输出报警类型为预警2;⑥其余情况均输出正常，无预警。

4 系统仿真

本次系统设计的核心部分属于火灾预警模块，在本节研究过程中主要以2211电缆接头作为对象，并主要选择了电缆表面温度、环境温度、烟雾等一些参数继续分析[4]。可以以实际发生电缆接头故障情况下的数据来对整个系统预警模块进行测试。如表1所示。

从表1的分析结果可以看出，本次设计系统完全能够实现火灾预警功能，与此同时还能够保证预警的精确率。

5 结语

文章在研究过程中主要是以温度信息来反映电缆接头绝缘在线监测的重要性，在针对具体状况进行全面阐述分析后，通过模拟分析方法，最终选择温度、电流、环境温度、烟雾等几项主要信息，最终设计出了电缆接头在线监测系统的软硬件系统，通过仿真验证后发现，本次系统设计完全满足电缆火灾预警的实际需求。

参考文献

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