楊 志，王建軍，張桂英，閻梅芝，戴澗峰

(1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094； 2.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

小衛(wèi)星地面供電電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊 志1，王建軍2，張桂英1，閻梅芝1，戴澗峰1

(1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094； 2.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

隨著小衛(wèi)星研制數(shù)量的增多，地面電纜的敷設(shè)數(shù)量越來越多，一旦絕緣老化而發(fā)生熱擊穿將造成很大的損失;衛(wèi)星地面供電電纜的運行溫度是一個重要參數(shù)，必須對其進行監(jiān)視;為此，研制了小衛(wèi)星地面供電電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用T型熱電偶對電纜重點監(jiān)測部位進行測溫，并將測溫數(shù)據(jù)通過溫度數(shù)采盒轉(zhuǎn)換為RS-485信號進行遠程傳輸，利用工業(yè)串口服務器和以太網(wǎng)交換機接入測試網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)測溫數(shù)據(jù)的便捷訪問，通過基于LabVIEW開發(fā)的溫度監(jiān)視軟件實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)實時監(jiān)視以及其他綜合應用;最后，為了獲取小衛(wèi)星地面供電用電纜載流數(shù)據(jù)，進行了該類型電纜載流試驗，試驗數(shù)據(jù)表明了電纜溫度的重要性。

小衛(wèi)星; 電纜; 溫度; 監(jiān)測

0 引言

運行溫度是電纜的一個重要參數(shù)。通常將大量的電纜集中敷設(shè)在電纜溝內(nèi)，以方便布線、維護，視覺上也比較美觀[1]。當電纜長期滿負荷運行，會出現(xiàn)絕緣老化等現(xiàn)象；一旦過負荷運行，導體溫度急劇上升；如果電纜運行環(huán)境不好，就會加快絕緣老化進程，電纜局部溫度上升很快直至發(fā)生熱擊穿，甚至引起火災，將造成大面積電纜燒損，短時間內(nèi)無法恢復生產(chǎn)[2-3]。

隨著研制衛(wèi)星數(shù)量的增多，總裝大廳、電纜溝中地面電纜的敷設(shè)數(shù)量越來越多，電纜敷設(shè)集中，存在卷繞、堆置現(xiàn)象，電纜散熱不良，一旦絕緣老化而發(fā)生熱擊穿將造成很大的損失，因此需要加強電纜運行管理和維護工作。

為避免電纜絕緣老化，在設(shè)計階段就需要進行電纜的降額設(shè)計，考慮選用電纜的截面積、絕緣層的額定溫度、線纜捆扎導線數(shù)、大氣壓力、環(huán)境溫度等。

除對電纜進行降額設(shè)計外，由于地面供配電電纜使用環(huán)境的特殊性，還需要對其運行狀況進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)隱患并排除，防患于未然，形成地面供配電電纜“設(shè)計-使用-監(jiān)測-處置”閉環(huán)管理。

1 監(jiān)測方法與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度升高是引起電纜事故的一個主要因素，因此可將其作為反應電纜運行情況的參量[4]。鑒于電纜溫度的重要性，必須對電纜的運行溫度進行監(jiān)視和控制。溫度監(jiān)測是目前國內(nèi)外在電纜監(jiān)測中最被認可的一項重要技術(shù)[5]。選擇電纜排列密集、散熱條件差及有外界熱源影響的線段重點監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和排除隱患，防止電纜由于發(fā)熱導致絕緣老化而擊穿甚至起火。

電纜溫度監(jiān)視方法很多。使用溫度檢測儀器人工定期巡檢，費時費力，巡視時間間隔、巡視的準確性等都有問題，不具備實時檢測功能。采用感溫電纜，將感溫電纜與被測電纜平行放置，當電纜溫度超過固定溫度值時，感溫電纜被短路，系統(tǒng)僅能監(jiān)測出一個故障點，不能測出電纜的實際溫度值，系統(tǒng)安裝及維護工作不夠方便，不能進行早期故障預測，不能實時顯示測量值，無溫度趨勢分析[6]。近年國內(nèi)應用最為廣泛的是將溫度傳感器至于線路中易發(fā)生故障的地方，來監(jiān)測這些部位的溫度。采用熱敏電阻方式，一般傳輸距離不宜太長，抗干擾能力較差[7]。

本系統(tǒng)采用熱電偶對電纜重點監(jiān)測部位進行測溫，并將測溫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS-485信號進行遠程傳輸，利用工業(yè)串口服務器和以太網(wǎng)交換機接入測試網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)測溫數(shù)據(jù)的便捷訪問，通過基于LabVIEW開發(fā)的溫度監(jiān)視軟件實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)實時監(jiān)視以及其他綜合應用。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由熱電偶、溫度數(shù)采盒、溫采主機、監(jiān)視計算機、連接電纜等部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

分布在線纜上的多個T型熱電偶通過補償線和溫度數(shù)采盒連接；各個數(shù)采盒采集溫度數(shù)據(jù)，輸出接口為RS-485，通過超五類的網(wǎng)線與溫采主機實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的長距離傳送以及電源供給；溫采主機通過串口服務器、網(wǎng)絡(luò)交換機將各個溫度數(shù)采盒接入測試網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)視計算機運行基于LabVIEW開發(fā)的溫度監(jiān)視軟件，進行數(shù)據(jù)監(jiān)視、存儲與分析，并輸出打印曲線，在設(shè)備異常情況下報警通知相應人員。

該系統(tǒng)易于操作，安裝方便，數(shù)據(jù)自動記錄，測量安全高效，為供電電纜溫度提供嚴格監(jiān)控和管理。

2 系統(tǒng)組成

2.1 溫度傳感器

針對需求，我們選用T型熱電偶來測量衛(wèi)星供配電電纜溫度。熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫度器件，他的主要特點就是測溫范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應好，便于自動控制和集中控制。T型熱電偶，為銅-銅鎳熱電偶，又稱銅-康銅熱電偶，是一種最佳的測量低溫的金屬熱電偶，正極是純銅，負極是銅鎳合金，測量范圍為-200～350 ℃，線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜。

熱電偶焊接在金屬卡扣上，通過螺絲將卡扣和線纜固定在一起，熱電偶和線纜外皮接觸，這種方式便于安裝和維護。根據(jù)測試需求將傳感器分布于衛(wèi)星地面供電電纜各個部分，貼合在被測電纜表面，采集表面溫度。

圖2 溫度傳感器安裝示意

熱電偶和數(shù)采盒之間使用補償線連接，補償線外表面有絕緣膠皮包裹。

2.2 溫度數(shù)采盒

溫度數(shù)采盒放置在離供電電纜不遠的地方，每個溫度數(shù)采盒有8個溫度傳感器的接口，負責8個溫度傳感器的溫度采集，每個接口均可以直接通過專用接插件連接溫度傳感器，也可以通過補償線延長探測距離，使之滿足實際測量的需要。

溫度數(shù)采盒內(nèi)部配備鴻格科技有限公司模擬量輸入模塊I-7018R，通過溫度補償線連接至外部溫度傳感器接口，采集8路溫度傳感器的溫度。I-7018R內(nèi)置微處理器，自帶看門狗，可以方便快速接入RS-485網(wǎng)絡(luò)；具備冷端溫度檢測，可以適用于多種類型熱電偶；8路差分輸入或6路差分輸入+2路單端輸入(跳線選擇)；支持斷線檢測；輸入電壓范圍±15 mV、±50 mV、±100 mV、±500 mV、±1 V、±2.5 V可選；光電隔離保護3000VDC；16位分辨率；精度為±0.1%；零點漂移為±25 ppm/℃；采樣速率為10次/s；電源電壓為10～30 VDC；功耗為1.0 W。

各個溫度數(shù)采盒和溫采主機之間采用的是超5類線連接，通過RS-485總線協(xié)議和溫采主機通信，連接線傳遞的不僅有通信信號，還有數(shù)采盒的供電電源，無需現(xiàn)場提供額外的電源。

2.3 溫采主機

溫采主機采用的是4U高的19英寸上架結(jié)構(gòu)，由信號分配模塊，網(wǎng)絡(luò)交換機，24 V電源模塊，串口服務器、連接狀態(tài)指示板等組成，主要負責接口之間的相互轉(zhuǎn)換、電源管理等。

信號分配模塊負責為溫度數(shù)采盒供電，并提供溫度數(shù)采盒和串口服務器的接口。

串口服務器選用MOXA公司成熟的工控產(chǎn)品8串口RS-422/485設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務器Nport 5630-8，通過簡單設(shè)置就可以將現(xiàn)有串口設(shè)備立即聯(lián)網(wǎng)，將串口數(shù)據(jù)映射到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的IP地址和端口號，在串口和以太網(wǎng)界面之間輕松執(zhí)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，同時集中管理串口設(shè)備；采用專業(yè)外殼設(shè)計，前面板具有所有串口的TX/RX狀態(tài)指示，后面板具有8個RJ45形式的RS-422/485接線口；在安裝了驅(qū)動程序的Windows系統(tǒng)中被視為Real Com端口；簡單易用的LCM操作界面，可以用于設(shè)置IP地址；所有RS-422/485端口皆有突波保護功能(15KV ESD)，通信速率為50～921.6 kbps；支持TCP Server、TCP Client、UDP和Real Com模式；LAN口自適應10/100 Mbps傳輸速率，內(nèi)嵌1.5 KV電磁隔離保護；電源電壓100～240 VAC。

網(wǎng)絡(luò)交換機將串口服務器接入綜合測試網(wǎng)絡(luò)，選用TP-Link公司8口全千兆以太網(wǎng)交換機TLSG-1008，提供8個10/100/1000 Mbps自適應RJ45端口，背板帶寬16 Gbps。

連接狀態(tài)指示板用于指示各路溫度數(shù)采盒連接是否正確，方便用戶辨識。

電源模塊提供上述各種設(shè)備工作的24 V直流電源，選用了明偉SP-350-24電源模塊，輸入電壓220 V，輸出電壓24 V，輸出功率350 W。

溫采主機和外部是通過以太網(wǎng)連接，用戶可以通過計算機直接訪問各個傳感器的溫度，也可以接入其他網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上其他的端點都可以訪問到各個傳感器的溫度值。

數(shù)采盒采用的RS-485協(xié)議通信，主機將串行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議，便于把數(shù)據(jù)放在網(wǎng)絡(luò)上，和其他計算機互聯(lián)互通。主機中串口服務器和網(wǎng)絡(luò)交換機配合使用，實現(xiàn)這個功能。

由于測試現(xiàn)場的環(huán)境影響，不可能在被測現(xiàn)場提供電源，所以，電源必須由主機提供，主機內(nèi)部通過信號分配模塊和電源模塊配合使用，來實現(xiàn)遠程供電的功能。

2.4 監(jiān)視計算機

監(jiān)視計算機通過網(wǎng)口與溫采主機連接，與串口服務器同處于交換機所設(shè)置的局域網(wǎng)路上。監(jiān)視計算機通過交換機訪問串口服務器上的8個串口，8個串口通過RS-485協(xié)議與溫度數(shù)采盒相連接，然后溫度數(shù)采盒通過T型傳感器連接到被測電纜上讀取溫度值并通過串口服務器經(jīng)由交換機送回監(jiān)視計算機。

3 系統(tǒng)應用軟件

監(jiān)視計算機上運行系統(tǒng)監(jiān)視軟件。軟件上使用基于LabView圖形的編譯器編寫的專用程序，通過以太網(wǎng)存儲各個溫度采集盒采集到的溫度信息。

通過Nport Administrator配置串口服務器，通過DCON_Utility應用程序嘗試連接溫度數(shù)采盒以確定串口服務器等設(shè)備是否配置正確。

溫度監(jiān)視軟件基于LabView圖形的編譯器編寫，具有如下功能特點：

提供人性化的操作，設(shè)置各種輸入判斷，濾除因人為輸入影響的系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和健壯性；

提供用戶自定義設(shè)置功能，各溫度傳感器注釋命名、采樣時間間隔、存儲路徑、報警溫度等參數(shù)均可以設(shè)置，并可以生成配置文件；

數(shù)值顯示與圖形顯示相結(jié)合，曲線圖形可用各種縮放拖拽工具查看；

具備數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)回放功能，存儲信息包含采集時間、各溫度傳感器名稱和溫度數(shù)值，可以存儲為標準文本文件；

具備各溫度數(shù)采盒狀態(tài)檢測功能。

軟件實現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 軟件實現(xiàn)流程圖

4 電纜載流試驗

小衛(wèi)星地面供電電纜采用的是聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護套的成纜電纜。為了獲取該電纜載流數(shù)據(jù)，進行了電纜載流試驗。

4.1 試驗電纜

試驗的電纜采用聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護套的成纜電纜，該電纜的導線芯數(shù)為52，導線由多股軟銅線絞合而成，單根導線截面積為0.35 mm2，絕緣標稱厚度為0.2 mm，護套厚度為1.5 mm，電纜外徑為14.6 mm，電纜橫截面示意圖如圖4所示。

圖4 電纜橫截面示意圖

4.2 試驗狀態(tài)

取20 m該電纜，電纜自然堆盤于地面，兩端撥線各0.3 m，取其中16根為正導線，16根為負導線，電纜兩端分別連接大功率直流電源和電子負載，規(guī)定兩根正導線與兩根負導線組成一組，共分為八組。試驗原理如圖5所示。

圖5 電纜載流實驗原理圖

4.3 試驗結(jié)果

對每組電纜依次通不同檔位電流，每組電纜加電持續(xù)約2小時，同時測出某時刻電纜表面的最大溫度值并記錄。之后，增加電流到11A/組，維持約40分鐘后，電纜表面最高溫度在一分鐘內(nèi)迅速上升5.4℃，從98.93℃上升到104.32℃，電源出現(xiàn)過流保護，斷電后立刻標記此時電纜最高溫度的位置，通過萬用表測得每組電纜的正負極均短路。對電纜標記部分進行了剝皮檢查，發(fā)現(xiàn)該電纜有約10 cm導線全部處于粘結(jié)狀態(tài)。

表1 電纜載流試驗結(jié)果

4.4 試驗結(jié)論

通過試驗可以得知：在外界條件不變的情況(氣壓、溫濕度、電纜擺放方式、電流大小)下，電纜表面的溫升速度會逐漸減緩，待達到熱平衡后，其表面溫度應趨于穩(wěn)定；在導線一定的情況下，導線的溫度隨電流的增加而上升，并在某一溫度處于動態(tài)平衡；電纜的擺放方式(直置、圈置、堆置)與其最終達到的穩(wěn)定溫度大小有直接關(guān)系，并且各種擺放方式之間的溫差很大；對于該型號電纜，在常溫常壓下，每根導線的最大載流量為5A；在電纜堆盤方式下，對于該型號電纜，電纜表面允許的最高溫度為104℃；電纜短路是由于持續(xù)通過大電流，電纜內(nèi)部溫度接近導線絕緣層熔點(140℃)時，絕緣層發(fā)生熔化并相互粘著。

5 總結(jié)

衛(wèi)星地面供電電纜的運行溫度是一個重要參數(shù)，必須對其進行監(jiān)視，為此研制了小衛(wèi)星地面供電電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由熱電偶、溫度數(shù)采盒、溫采主機、監(jiān)視計算機、連接電纜等部分組成，采用T型熱電偶對電纜重點部位進行測溫，通過位于現(xiàn)場的溫度數(shù)采盒將測溫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS-485信號進行遠程傳輸，通過溫采主機內(nèi)工業(yè)串口服務器和以太網(wǎng)交換機接入測試網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)視計算機上基于LabVIEW開發(fā)溫度監(jiān)視軟件，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的便捷訪問，實時監(jiān)視，該系統(tǒng)易于操作，安裝方便，數(shù)據(jù)自動記錄，測量安全高效，為供電電纜溫度提供嚴格監(jiān)控和管理。最后，為了獲取小衛(wèi)星地面供電電纜的載流數(shù)據(jù)，進行了電纜載流試驗，試驗數(shù)據(jù)表明電纜溫度的重要性。

[1] 周健健.電纜故障檢測中溫度傳感的研究[D].南京：南京郵電大學,2012.

[2] 劉永波．電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D]．大連：大連海事大學,2005.

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Design of Temperature Monitoring System for Small Satellite Ground Power Supply Cable

Yang Zhi1，Wang Jianjun2，Zhang Guiying1，Yan Meizhi1，Dai Jianfeng1

(1.DFH Satellite Co., Ltd., Beijing 100094, China;2.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094,China)

Ground cable has become more and more with increasing number of developing small satellite. It will cause a great loss once hot breakdown happens as insulation aging. As one of the important parameters, the temperature of ground power supply cable is necessary to be monitored. Therefore the paper developed a ground cable temperature monitoring system, it adopted T-type thermocouple to monitor the important positions of the power supply cable, transfers data to RS-485 signal through DAQ box, connects to test network using serial server and Ethernet switch, realizes convenient access, developed monitoring software based on LabVIEW to real time monitoring and other comprehensive application. Finally, a current carrying test of this type cable has to be done in order to obtain current carrying data , and the test data further indicates the important of cable temperature.

small satellite; overall checkout; temperature; cable

2017-01-06；

2017-02-13。

楊 志(1984-),男,黑龍江牡丹江人,工程師,碩士,主要從事衛(wèi)星研制和衛(wèi)星綜合測試方向的研究。

1671-4598(2017)07-0047-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.012

TP3

A