張夢炎，文 博

（1.中冶南方城市建設工程技術有限公司，湖北 武漢 430000；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

0 引言

電纜附件缺陷是電纜故障的重要原因，對于長距離輸電的電纜勢必需要較多的中間接頭將各部分電纜連接在一起[1]。而中間接頭的制作工藝要求高，一旦不合格就會產生寄生電阻、電感和電容，長時間運行就會導致中間接頭的故障[2-3]。目前大部分故障的表現形式為溫度的變化。因此設計電力電纜中間接頭的測溫系統(tǒng)是十分必要的。同時，由于電力電纜的中間接頭的輸出功率不高，因此測溫系統(tǒng)的低功耗也是十分重要的指標。

為解決上述問題，本文擬采用有限元法[4-6]進行接頭溫度場的計算，對系統(tǒng)的設計進行初步仿真分析。在此基礎上，設計低功耗電力電纜中間接頭主系統(tǒng)[7-8]。按照主系統(tǒng)的設計思路，分別完成硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計，最終制作實物裝置進行測試[9]。測試結果較好地實現了系統(tǒng)設計要求。

1 電力電纜中間接頭溫度特性分析

對電力電纜中間接頭溫度的計算可以確定測溫系統(tǒng)的溫度傳感器測溫范圍、估算導體溫度和確定高溫報警值。中間接頭的溫度場求解將以有限元計算軟件COMSOL為工具，計算在不同運行工況下，中間接頭的溫度分布情況。電力電纜中間接頭溫度特性決定了后續(xù)系統(tǒng)的初值設定。

1.1 電力電纜溫升計算

測溫系統(tǒng)需要對中間接頭的表面溫度進行監(jiān)測，因此很有必要研究在不同運行條件下表面溫度的變化范圍，為溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計提供參考。

接頭表面溫度在不同的運行條件下呈現一定范圍內的波動，在接頭結構和材料參數確定的情況下，具體數值由接頭流通電流值以及環(huán)境溫度兩方面因素決定。電流越大，環(huán)境溫度越高，接頭的表面溫度也越高。對測溫系統(tǒng)而言，主要需要兩個數據：1）電纜額定運行時的接頭表面溫度，以確定溫度傳感器的主要工作溫度區(qū)間；2）電纜接頭表面最高工作溫度，以確定溫度傳感器的測溫上限值。確定了這兩個數據，也就確定了溫度傳感器的測溫范圍。下面分析兩種額定邊界條件下對電力電纜中間接頭溫升的計算。

1.1.1 邊界條件25?C空氣、415 A電流

將邊界條件設置為25?C空氣、415 A電流，這種計算條件模擬接頭額定運行的情況，結果如圖1、圖2所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)分布圖

圖2 徑向溫度變化曲線

由圖可知，在這種條件下接頭的導體溫度約為68.1?C。熱量由里向外傳遞的過程中，由于各層結構的參數不同，因此各層的溫度變化速率不等，最終傳遞到外表面的溫度為44.8?C，并與外界25?C空氣發(fā)生自然對流。因此，45?C可以認為是接頭表面的主要工作溫度。

1.1.2 邊界條件40?C空氣、250?C導體

將邊界條件設置為40?C空氣、250?C導體，這種情況模擬了在電力電纜短路故障時允許的導體最高溫度，計算結果如圖3、圖4所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)分布圖

圖4 徑向溫度變化曲線

可見，在短路情況下，外表面溫度約為136.4?C，此即為接頭表面溫度的最高值。從容納一定裕度的角度考慮，溫度傳感器的測溫上限取150?C為佳。由于溫度傳感器還需測量環(huán)境溫度，可取測溫下限為-30?C。綜合以上分析，取溫度傳感器測溫范圍為-30~150?C，即可保證電力電纜中間接頭溫度的全段檢測。

1.2 電力電纜內外部溫升關系及告警值確定

一個完善的測溫系統(tǒng)需要建立起一套故障判斷依據，以便對接頭故障時進行報警。GB/T 12706.2—2008標準規(guī)定：XLPE電纜在正常工作下導體最高溫度為90?C，因此超過90?C即可視為故障。由于導體溫度不易檢測，因此本文采用以外部溫升估算內部導體溫度的方法確定溫度告警值。

1.2.1 電力電纜表面溫度測定分析

接頭的表面溫度和環(huán)境溫度都易于檢測，因此可將導體溫度為90?C時的接頭表面溫度定為高溫報警值的大小，當測得表面溫度超過該值時，導體溫度必定高于90?C，此時便是故障狀態(tài)。

90?C的導體可以通過調整電流大小的方式得到。以40?C空氣為例，導體90?C時的接頭穩(wěn)態(tài)溫度場分布如圖5、圖6所示。

圖5 穩(wěn)態(tài)分布圖

圖6 徑向溫度變化曲線

由圖可知，在40?C空氣環(huán)境下，接頭表面溫度約為62.94?C。計算方式不變的情況下，僅改變環(huán)境溫度，即可計算出不同的接頭表面溫度值。取高溫報警值比對應的接頭表面溫度高一點即可。

1.2.2 內部導體溫度告警值估算方法

導體溫度難以直接測量，因此本文采用估算的方法，利用導體表面溫度來對內部導體的溫度進行估算。

本文將從溫度場計算的角度解決導體溫度估算的問題。設導體流過的電流為I，環(huán)境溫度為x，表面溫度為y，導體溫度為z。導體溫度和表面溫度都是由內部的熱源和環(huán)境溫度共同決定的，而熱源由電流的熱效應產生。因此在電流大小和環(huán)境溫度已知的情況下，導體溫度和表面溫度都是確定的，它們之間必定存在一個對應的函數關系式為

若能通過選取幾個電流和環(huán)境溫度的樣本值，通過溫度場計算得到對應的導體溫度和表面溫度，再對這些數據進行分析，擬合出函數關系式

那么便可根據傳感器所檢測的環(huán)境溫度和表面溫度數據，計算出對應的導體溫度值。導體溫度估算流程如圖7所示。

圖7 導體溫度估算流程

2 系統(tǒng)設計

2.1 總系統(tǒng)設計

本文根據IEC61850《變電站網絡與通信協(xié)議》標準（以下簡稱IEC61850）提出變電站內信息分層的概念，將變電站的通信體系劃分成過程層、間隔層和站控層三部分。設計測溫系統(tǒng)主要由測溫終端、匯聚終端和監(jiān)測站三部分組成，構成分層管理通訊系統(tǒng)，其中測溫終端與匯聚終端間采用無線方式進行數據通訊。測溫終端與匯聚終端協(xié)調合作，服從監(jiān)測站的統(tǒng)一調度，從而實現中間接頭溫度的全方位監(jiān)測。系統(tǒng)總體結構設計如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)總體結構設計

2.2 測溫終端系統(tǒng)設計

測溫終端位于過程層，安裝于電纜中間接頭處，因此測溫終端的取電較為困難，是測溫系統(tǒng)真正需要實現低功耗設計的部分。測溫終端需采集溫度數據，之后將數據傳輸至匯聚終端，同時接收匯聚終端的控制信號。

據此設計測溫終端主要由控制器、無線通訊電路、溫度傳感器及電源組成，其結構如圖9所示。

圖9 測溫終端結構

2.3 匯聚終端系統(tǒng)設計

匯聚終端位于間隔層，安裝于弱電井或電纜井內，取電方式將變得簡單。匯聚終端需要完成數據處理、顯示、報警、通訊等功能。根據這個要求，設計匯聚終端的結構如圖10所示。

圖10 匯聚終端結構

監(jiān)測站位于站控層內，主要由計算機組成，它的主要任務是：通過網絡匯總測溫系統(tǒng)的實時數據信息；在線修改匯聚終端、測溫終端等相關工作參數；將有關數據信息送往電網調度或控制中心；接收電網調度或控制中心有關控制命令并轉匯聚終端、測溫終端執(zhí)行。

3 硬件電路設計

電力電纜中間接頭測溫系統(tǒng)需要完成溫度的檢測、數據的傳輸與記錄、故障情況下的報警等功能，而硬件設計就是這些功能實現的基礎。由于監(jiān)測站通過相應軟件便可實現對應功能，因此硬件設計主要分測溫終端和匯聚終端兩部分進行。在前述溫度場計算工作的基礎上，測溫終端將以低功耗為設計核心，為供電電源減負；匯聚終端則注重于性能的提升，確保系統(tǒng)功能的實現。

3.1 測溫終端硬件電路

電源電路是測溫終端工作的基礎。要求承受較寬的輸入電壓，以適應多種供電方式的需要，同時還需保證恒定電壓的輸出。為盡量降低功耗，測溫終端將以3.3 V作為主要工作電壓，設計電源電路如圖11所示。

圖11 電源電路

3.2 溫度傳感器電路

溫度傳感器是測溫終端重要的器件。在前述溫度場計算工作中已確定溫度傳感器的測溫范圍需為-30~150?C，這便是其重要設計指標。設計三線制PT100溫度傳感器工作電路如圖12所示。

圖12 PT100工作電路

3.3 匯聚終端電源電路

匯聚終端安裝在電纜井或弱電井內，安裝環(huán)境內就存在著交流220 V市電，取電變得非常簡單。如選用一個電源適配器，即可解決匯聚終端的供電問題。

與測溫終端不同，匯聚終端的功能器件非常多，所選用的芯片不一定都支持同一個工作電平。為了提高匯聚終端的電平兼容性，有必要設計多種工作電平轉換電路，供不同器件使用。目前低壓硬件系統(tǒng)常用的電壓等級主要有：12 V、5 V以及3.3 V，故設計電平轉換電路如圖13、圖14所示。

圖13 12 V轉5 V電平電路

圖14 5 V轉3.3 V電平電路

電平轉換電路采用逐級變壓的方法，利用1個電源適配器、2個穩(wěn)壓器及其外圍電路實現電平轉換。首先，DC-10B為AC-220V轉DC-12V的電源適配器插口，通過適配器即可獲得12 V直流電壓。LM2576S-5.0為降壓型開關穩(wěn)壓器，當輸入電壓在7~40 V范圍內時可恒定輸出5 V電壓，并保證5%的可靠精度。5 V轉3.3 V電平電路中采用與測溫終端相同的穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3，電路也大體一致，與測溫終端不同的是，考慮到匯聚終端的供電設備更多，在3.3 V輸出端并聯(lián)多個小電容作為去耦電容，起著高頻濾波、降低等效阻抗、提高線路可靠性的作用。

4 軟件設計

軟件設計方面，針對CC1101開放式通訊協(xié)議的特點，本文首先進行無線組網的設計，在設計時同樣以實現測溫終端的低功耗為目標；在無線組網的基礎上，設計出測溫終端和匯聚終端的主程序工作流程；針對測溫終端溫度傳感器的測溫特點，推導出控制器處理的數字量與測量溫度值之間的數學關系，給出測溫終端數據處理流程。最后對樣機進行運行調試，檢驗系統(tǒng)的運行情況，根據調試數據開展功耗分析工作，驗證系統(tǒng)的功耗性能。

4.1 測溫終端主程序設計

根據無線組網中的分時處理過程可知，測溫終端在開始工作時需要先進入接收模式，以查詢系統(tǒng)當前運行于哪一時隙，確定等待時間，之后才正式進入周期工作環(huán)節(jié)。故設計測溫終端的主程序流程如圖15所示。

圖15 測溫終端主程序流程

測溫終端接入網絡后，首先進入接收模式，接收匯聚終端的查詢信號。根據查詢信號中的測溫終端地址信息，計算出等待時間，然后根據該等待時間配置睡眠模式并進入睡眠狀態(tài)，喚醒后正式進入周期工作環(huán)節(jié)。

周期工作環(huán)節(jié)中，配置定時器為1 個時隙長度并啟動，然后進入接收模式接收匯聚終端的查詢信號并進行校驗。校驗主要從地址、信號數據長度以及CRC 三部分進行，校驗通過則采集溫度信息并發(fā)送應答信號，若校驗失敗則進行相關的故障記錄。睡眠時間配置為1 幀與1 個時隙之差，最后等待定時器定時結束便切換到睡眠狀態(tài)進入睡眠，時間一到自動喚醒，繼續(xù)設置定時器并接收新的查詢信號，如此循環(huán)。

4.2 匯聚終端主程序設計

匯聚終端需要實現的功能較多，主要包括有與測溫終端的無線通訊、數據存儲、屏幕顯示、高溫報警等。與測溫終端不同，匯聚終端是整個無線組網的發(fā)起者與管理者，控制著工作時隙的切換，因此匯聚終端無需判斷當前工作時隙，它將一直處于周期性工作狀態(tài)。設計匯聚終端主程序流程圖如圖16所示。

圖16 匯聚終端主程序流程圖

初始化時，匯聚終端首先啟動定時器進行時隙長度設定，之后進入發(fā)送模式配置好相關數據后發(fā)送查詢信號，然后切換到接收模式等待應答信號。若接收失敗則進行故障記錄，接收成功則保存數據并更新屏幕顯示，同時通過通訊接口將數據進一步上傳至監(jiān)測站。之后根據測量結果判斷是否超過高溫報警值，若判斷成立則啟動報警電路。最后等待時隙結束后切換到下一個測溫終端，如此循環(huán)工作。

5 系統(tǒng)調試與分析

5.1 功耗分析

測溫終端的功耗分析主要通過測量各工作模式下的電流和時間來完成。除睡眠模式外，測溫終端其它模式的工作時間都非常短，電流表無法穩(wěn)定顯示，在此以示波器作為檢測設備，在測溫終端的干路中串聯(lián)一個10 Ω的功率電阻，測量該功率電阻兩端電壓波形后，根據歐姆定律便可計算出對應電流。測量方法如圖17所示。

圖17 測量方法原理圖

電源以輸出電壓為3.7 V的鋰電池代替，為減小測試等待時間，在此設定整個測溫系統(tǒng)中只有2個測溫終端參與工作，并設定測溫終端的時隙長度為1 s（即工作周期為2 s），對某一測溫終端進行現場實測，得功率電阻兩端電壓的波形如圖18所示。

圖18 功率電阻兩端電壓波形

根據圖18所示電壓波形可知，測溫終端主要工作于5個模式。為深入分析，依歐姆定律計算出測溫終端的電流波形結構如圖19所示。

圖19 測溫終端工作電流波形結構

5.2 樣機設計

根據前文設計內容，設計的低功耗電力電纜中間接頭測溫系統(tǒng)樣機如圖20所示。

圖20 低功耗測溫終端樣機

測溫終端采用防水塑料外殼設計，尺寸為，體積小便于安裝。傳感器頭安裝于電纜接頭外表面，安裝時傳感器與電纜接頭表面貼緊，并采用導熱硅膠將傳感器覆蓋住，使電纜接頭表面熱量能均勻傳導至傳感器，如圖21所示。

圖21 傳感器安裝示意圖

匯聚終端采用金屬外殼包裝，天線則引出到殼體外，這樣可以將外殼進行接地處理，同時抑制內部電磁泄漏，屏蔽外界干擾。

5.3 掛網運行調試

系統(tǒng)的調試在國網某供電公司變電站內進行，調試對象為5 個測溫終端、1 個匯聚終端以及1 個監(jiān)測站，其中測溫終端安裝于10 kV 電纜中間接頭處，地址設為0~4。匯聚終端則安裝于弱電井內，監(jiān)測站則為計算機。安裝完畢掛網運行后，匯聚終端的顯示情況如圖22所示。

圖22 詳細信息界面

匯聚終端的RS232接口與計算機連接，通過計算機上SecureCRT軟件，檢驗匯聚終端與監(jiān)測站的數據通訊。軟件啟動并配置串口信息后，經過一段時間，計算機接收情況如圖23所示。

圖23 計算機接收情況

計算機上成功接收到匯聚終端發(fā)送過來的數據，并將所有數據進行實時打印，所有信息一覽無遺。根據通訊時間可以很清楚地看到匯聚終端與監(jiān)測站間進行了多次通訊，每次通訊間隔為128 s，與所設置的工作周期相吻合，表明匯聚終端與監(jiān)測站通訊正常。

測溫精度方面，由于運行環(huán)境的限制，現場無法實現精密測溫設備進行校驗，在此采用變電站內FLUKE紅外測溫槍作為測溫準確性檢測?，F場用紅外測溫槍測得環(huán)境溫度為19?C，各接頭溫度主要集中在39?C，與匯聚終端所顯示的溫度基本吻合。通訊距離方面，現場試驗結果表明：在0 dBm發(fā)射功率下，無線通訊距離約為230 m，在10 dBm發(fā)射功率下則可達360 m，滿足系統(tǒng)設計指標。

6 結語

本文通過對電力電纜中間接頭的溫度特性分析，給出了接頭處內外溫度的近似關系，確定了告警溫度及相關數據；給出了低功耗電力電纜中間接頭測溫系統(tǒng)設計方案，并完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設計，最終完成了實物測試裝置，并對其進行實地測試。在實驗環(huán)境下對低功耗電力電纜中間接頭測溫系統(tǒng)進行測試，結果表明測溫系統(tǒng)可以較準確地測量電力電纜中間接頭溫度，并可以實時反饋相應信息，滿足系統(tǒng)設計要求。