电力电缆头温度监测与报警系统的设计与研究

王锟 谭王景 刘晓莎

摘 要：现代化城市对电能的依赖程度愈来愈高，日常生活用电与工业生产用电的需求量亦不断扩大，不但必须经由大型的电网系统供应电力，同时对电力电缆系统亦有较高要求。电力电缆线路因节约空间、供电可靠性高等诸多优点成为电能传输的重要载体。国家电网规模的不断扩大导致了电力电缆的铺设范围也相应扩大，与此同时，由于电力电缆的连接数量也越来越多，由电力电缆接头问题所引起的供电故障也更加明显，其中，由于电力电缆绝缘老化而引起的温度上升和接头渗漏等问题较为常见，再加上泄露时输出电压与温度上升呈反比，最严重时会导致绝缘击穿。所以，对电力电缆的发热分析就引起了人们前所未有的关注。

关键词：电力电缆头 温度监测 报警系统 设计研究

Abstract：Modern cities are increasingly reliant on electrical energy， and the demand for electricity for daily life and industrial production is also expanding. Not only must electricity be supplied through a large power grid system， but it also has higher requirements for power cable systems. Power cable lines have become an important carrier of power transmission due to many advantages such as space saving and high power supply reliability. The continuous expansion of the scale of the national grid has led to a corresponding expansion of the laying range of power cables. At the same time， due to the increasing number of power cables connected， the power supply failure caused by the problem of power cable joints is also more obvious. Problems such as temperature rise and joint leakage caused by insulation aging of power cables are relatively common. In addition， the output voltage is inversely proportional to the temperature rise during leakage， which will lead to insulation breakdown in the most serious cases. Therefore， the thermal analysis of power cables has attracted unprecedented attention.

Key words：power cable head， temperature monitoring， alarm system， design research

隨着传感器产品技术、测量技术及计算机技术的不断发展，目前中国国内的电力电缆测试领域已涌现出了通过测试预判线缆过热隐患、利用直流堆叠方法根据获取的直流分量测算线缆绝缘阻力、利用交流叠加法监测线缆的绝缘老化程度，及根据直流分量法测试由水树枝整流产生的直流泄漏分量等手段。目前，电力电缆发热分析方法主要有二个特点，一是聚焦于利用研究电缆对自身本身的发热来判断电力电缆的有效载流，另一是通过考察应用环境中产生的外部或人工热量对电力电缆有效载流的影响。

温度检测技术主要有光纤、热敏电阻等接触式测温，以及红外线等非接触式测温。光纤测温技术主要是将光纤在线缆中加工时预制在线缆的绝缘保护层，从而能够直接检测到线缆中绝缘保护层的温度，但是由于光缆测温技术具有成本高昂、光纤易断且不易更新等问题，制约着光纤测温技术的广泛使用。而热敏电阻测温技术由于简便、安全、检测精确、体积小和灵敏度高等而得到了大量的使用，但是由于热敏电阻测温的技术主要应用在短距离测温，而远距离传输时将会由于距离的增大，而产生温度信息的快速衰减。红外线测量温度尽管具备了测量范围较广，且不会改变被测量对象自身的温度场，且红外线测温仪自身也不受到被测量设备温度场的损伤等优势，但仍面临着易受周围环境温湿度检测影响且只能检测到设备外部环境温度等问题。本文设计了电力电缆头温度监测与报警系统。

1 系统总体设计方案

电力电缆头温度监测与报警系统的实现需要温度监测终端、4G通信、云服务器以及信息管理系统、温度异常判断以及报警功能动作之间相互联系，系统总体设计方案如图1所示。

本文所提出的电力电缆头温度监测与报警系统的工作原理，如图2所示。首先，在整个的系统中搭建4G网络通信，利用温度采集模块进行实时采集温度数据，将采集得到的温度数据由云服务器传输至信息管理系统，在信息管理系统中进行数据处理，主要是寻找异常的温度数据，并判断电力电缆头温度异常缺陷，并根据情况作出预警报警等功能动作，直至任务结束。系统的工作流程呈现单向的现行结构，不存在彼此之间任务的重复与交叉。这种结构最大的优势在于：系统各个部分的工作之间能够最大程度的减少干扰，各个部门各司其职，能够最大保证数据处理的准确性，避免因系统结构过于复杂，导致最终的数据处理结果出现问题，使得实际工作受到损失。

2 温度监测与报警系统的硬件设计

电力电缆头温度监测装置的硬件设计结构如图3所示。主要由以下几个重要的部分组成：CPU核心板（STM32F103）、4G通信模块、温度采集模块、电源电路以及储能电池。在硬件设计当中，电源的设计是极其重要的一个部分，在系统硬件中所要应用到的电池，需要有着极大的储电量，在实际应用贯彻各种更不需要進行频繁的更换，这样在节省项目应用成本的同时，还能够很大程度上减少系统维护工作人员的工作压力，保障相关人员的工作安全。同时，电力电缆头部分工作过程中会产生局部的高温，用于电力电缆头部位的温度监测终端硬件要具备极强的耐高温能力，防止因高温造成系统硬件的使用故障。为此，本次设计中关于系统中硬件终端的电池，选择使用储能更多是，更能适应高温环境工作条件的高能电池，作为本次系统设计中温度监测终端硬件的基础电源。

温度采集模块中的温感元件主要是采用PT100监测温度。PT100温度传感器是一种以白金做成的电阻式温度检测器。PT100的测温原理主要是基于电阻的热效应进行温度测量，根据电阻的阻值随温度的变化而改变的特点，因此通过感温电阻的阻值来确定温度。PT100测温元件，当温度为0摄氏度时，阻值为100欧，其电阻R和温度T变化的关系式如式2-1：

PT100探头主要放置在电力电缆头相应的温度测量位置，温度变化会引起PT100阻值发生变化，对应单片机的ADC采集引脚的电压也会发生相应的变化，电压信号测量的准确度将直接影响温度测量的精确度。

为减小测量误差，采用了如图4所示的测温电路，该电路选用三线制的PT100测温元件通过桥式测温电路有效的消除传输过程中造成的信号干扰，通过AD623放大器将mV级压差信号放大51倍后传输至STM32F103的ADC引脚。

电压信号被单片机读取后，利用公式（2-2）可以计算得到PT100的实时阻值，通过公式（2-1）反求温度值，即得到电力电缆头的温度监测值。

3 温度监测与报警系统的软件设计

温度采集模块采集电力电缆头温度数据，设定每秒采样1次，每分钟内对比出最高温度Tmax，以配合4G网络通信程序每隔一分钟将Tmax值实时传输至信息管理与报警后台系统，做进一步数据处理，具体的流程如图5所示。

云服务器实时接收PT100温感元件测量的温度数据，温度数据被存入数据库中，然后调取云数据库feeder表数据，将feeder表数据存入本地数据库并和设定的温度进行对比，要是超过阈值就报警，如果温度正常等待新的温度数据，整个异常数据的报警算法的实现如图6所示。

4 温度监测终端功能模块检验

本文为了验证整个温度监测装置，通过在实验室恒温加热箱内进行温度采样实验，实验数据如表1所示。得出本系统温度监测终端采集的温度误差不大于±1℃，平均误差为0.36℃。实验结果证明本系统温度监测终端温度采样数据准确度高。

5 总结

电力电缆头是电网系统中的最为薄弱的环节，电缆头过热会引发电缆故障，如果不及时进行温度监测，将会引发电网瘫痪，为能够有效提升电网运行的可靠性和安全性，本文设计了电力电缆头温度监测和报警系统，介绍了温度监测与报警系统的软硬件设计并验证了温度监测终端功能，为电力电缆存在的隐患进行了提前预判，及时处理电缆异常情况，提高供电可靠性。

[基金项目]2021年陕西工业职业技术学院科研项目、自然科学类一般项目“电力电缆头温度监测与报警系统的设计与研究”（课题编号：2021YKYB-048）。

参考文献：

[1]王宪萍，贺丽芳.电力电缆故障原因分析及检测方法研究[J].中国高新技术企业，2016（25）：147-148.

[2]李冉.探讨35kV电缆故障原因及延长电缆头寿命的措施[J].黑龙江科技信息，2016（05）：108-109.

[3]席义安.“温差法”判断电力电缆头连接故障[J].有色冶金节能，2008（04）：51-53+48.

[4]肖振武.影响高压电缆泄漏电流测试结果的因素及预防[J].港口科技动态，2003（03）：8-9+18.

[5]王慧，王新超，潘贞存.电力电缆中间接头温度的测量与监视[J].测控技术，2002（04）：60-62.

[6]Jorgen Selsing，娄有载.电缆终端和钢管电缆导体温度的通用计算机方法[J].电线电缆，1988（03）：41-45.

作者简介

王锟：（1994—），男，陕西咸阳人，陕西工业职业技术学院助教，硕士。研究方向：电力系统运行与控制。