蔣 超，徐 妍，王江彬

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 210036）

電力電纜實際運行時負(fù)荷電流很大，由于導(dǎo)線電阻的存在，導(dǎo)線的熱量W=I2Rt，隨著時間的推移，電纜線芯逐漸發(fā)熱。如果電纜長期處在溫度過高的使用狀態(tài)，將會加速電纜絕緣層的老化，最終導(dǎo)致火災(zāi)、短路、爆炸等電力事故[1-4]。目前，針對電力電纜運行狀態(tài)的評估，主要是監(jiān)測電纜運行時的工作溫度。在電纜運行溫度在線監(jiān)測中，主要有兩種方法：1）接觸式溫度監(jiān)測；2）非接觸式溫度監(jiān)測。其中，接觸式溫度監(jiān)測方法按溫度傳感器的分布情況又可分為點分布式溫度監(jiān)測和線分布式溫度監(jiān)測[5-6]。點分布式溫度監(jiān)測采用熱電偶，熱敏電阻、數(shù)字式溫度傳感器等傳統(tǒng)溫度傳感器對電纜進(jìn)行局部測溫，一般安裝在電力運行線路的重點監(jiān)測區(qū)域，例如：電纜接頭等處[7-9]。這種方法測溫精度高，成本低，安裝簡單。不足之處在于只能點測量溫度不能長距離進(jìn)行溫度監(jiān)測。線分布式溫度監(jiān)測主要采用分布式光纖傳感器、光纖光柵傳感器，有著其他所有測溫技術(shù)所沒有的優(yōu)勢[10-11]。傳感器安裝方式有兩種：一種是沿著電纜線路敷設(shè)在電纜表面。這種方式可以測量電纜全線的溫度數(shù)據(jù)[12]，但是由于需要長距離敷設(shè)，成本較高，工程量大。另一種是將光纖溫度傳感器安裝在電纜的內(nèi)部，和電纜形成一個整體。這種方法在電纜制作、電纜鋪設(shè)中光纖傳感器受擠壓或者彎曲較嚴(yán)重時會影響系統(tǒng)測量精度[13]，而內(nèi)置光纖一旦損傷無法修復(fù)。同時，相關(guān)研究表明分布式光纖溫度傳感器雖有較大的優(yōu)越性，但離工業(yè)實用化還有很長的一段距離。非接觸式溫度監(jiān)測主要采用紅外熱成像技術(shù)，測量方便，響應(yīng)時間短[14-15]。目前，電力公司一般在巡線的時候采用紅外熱像儀對電纜設(shè)備進(jìn)行測溫。這種方法也只能進(jìn)行點式測量，不能全線在線監(jiān)測。文中結(jié)合點式、線式以及非接觸式測溫的方法，提出一種基于熱傳導(dǎo)梯溫度導(dǎo)熱傳感器的點式測溫方法，可大大提高點分布式測溫的范圍。

1 系統(tǒng)設(shè)計

ΔQ為從導(dǎo)線一端傳到另一端的熱量，Δt為熱傳遞的時間，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，S為導(dǎo)體的截面積，l為導(dǎo)體的長度。T1為發(fā)熱原點的溫度，T2為測量點的溫度，T1-T2為發(fā)熱原點到測量點的溫差。從式（1）可以看出，導(dǎo)體的溫差和導(dǎo)體的傳熱長度成反比。同時，電力電纜的絕緣層、護(hù)套層等都是均質(zhì)的，其熱傳導(dǎo)率也是均值的。由于電纜散熱很快，電纜運行時發(fā)熱點的熱量沿導(dǎo)線傳輸?shù)木嚯x很短。該系統(tǒng)設(shè)計了一種基于熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱傳感器，可將發(fā)熱點的溫度長距離傳至溫度監(jiān)測點。簡化式（1）為：

12月20日，@央視新聞的微博轉(zhuǎn)發(fā)了一則“國家語言資源監(jiān)測與研究中心”發(fā)布的“2018年度十大網(wǎng)絡(luò)用語”，還以此編輯了一段邏輯順暢、正能量爆棚的熱詞串燒：

由（1）可看出，溫差越大，傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)。文中做了相關(guān)試驗，試驗條件為：將線徑為2.5 mm2放在塑料線槽內(nèi)，用隔熱泡劑做好隔熱處理。導(dǎo)線一端剝開后放置在恒加熱的開水中作為發(fā)熱源點，導(dǎo)線另一點接在K值電阻熱傳感器上，為了減少熱量散失，將溫度測試處也用隔熱泡劑隔熱。試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 導(dǎo)熱傳感器熱傳導(dǎo)測試

溫度采集點監(jiān)測溫度信號，并把溫度模擬值轉(zhuǎn)成數(shù)字值，通過無線的方式傳至匯聚節(jié)點。每個采集點具有一個唯一的地址碼。匯聚節(jié)點為無線通信主機(jī)，溫度采集點為從機(jī)。該系統(tǒng)需要精確測量溫度，需要較高的A/D 轉(zhuǎn)換精度。溫度采集點主控芯片采用HOLTEK 公司的HT67F5640，該芯片內(nèi)置多通道20 位A/D 轉(zhuǎn)換器，1 路測量電纜溫度，1 路測量環(huán)境溫度。HT67F5640 串行接口模塊實現(xiàn)與NRF24L01 無線通信模塊的SPI 通信。溫度采集點地址編碼采用16 位撥碼開關(guān)設(shè)置，最多可布置65 536 個采集點。溫度采集點數(shù)量可依據(jù)實際情況增減。為了供電方便，溫度采集點設(shè)計鋰電池充電電路，電路設(shè)計如圖5 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.1 溫度采集點

匯聚節(jié)點[16-18]無線接收溫度采集點傳輸來的電纜溫度數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和地址編碼。每個匯聚節(jié)點根據(jù)溫度采集點布置的距離確定控制溫度采集點的數(shù)量。為了避免同頻道多點通信的碰撞問題，該系統(tǒng)設(shè)計了令牌環(huán)網(wǎng)式防碰撞算法。匯聚節(jié)點定時查詢所在范圍內(nèi)的溫度采集點的溫度值，整理打包后發(fā)送至上級集中控制器。

1.2.2 匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

圖2 導(dǎo)熱傳感器示意圖

溫度采集點傳感器采用精度為一級的K 型熱電偶，利用金屬的“熱電效應(yīng)”，把熱信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴＜串?dāng)金屬兩端溫度不同時，金屬兩端產(chǎn)生電位差，電位差的大小取決于溫度差的大小與金屬材料的自身屬性。熱電阻前端放大器采用AD8495 高增益高精度精密放大器，具有內(nèi)建的冷接點補(bǔ)償，可以針對環(huán)境溫度變化自動調(diào)整熱電偶輸出。J1接熱電偶，AIN1 接A/D 轉(zhuǎn)換電路的模擬輸入端。電路設(shè)計如圖4所示。

圖3 測溫度點布置示意圖

集中控制器通過RS485 通信方式與匯聚節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，讀取匯聚節(jié)點中的溫度數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)信息。集中控制器與控制中心上位機(jī)采用USB通信。集中控制器采用STM32F103 系列芯片為主控芯片。設(shè)計電路包括：1）RS485 通信電路；2）USB 通信電路；3）RS232串行通信電路。電路圖如圖8所示。

試驗結(jié)果表明，經(jīng)隔熱以后，熱量延導(dǎo)線軸向傳輸距離顯著增加了。為實現(xiàn)電纜長距離溫度監(jiān)測，該系統(tǒng)設(shè)計了電纜多點點式溫度采集，通過傳導(dǎo)傳感器延伸了溫度測量的距離，克服了點分布電纜溫度采集不足，從而為實現(xiàn)長距離電纜溫度的在線檢測提供一種方法。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

該系統(tǒng)采用點式溫度采集方式，即在監(jiān)測電纜上依據(jù)一定距離布置導(dǎo)熱傳感器，傳導(dǎo)并采集本段電纜的運行溫度。導(dǎo)熱傳感器示意圖如圖2 所示。導(dǎo)熱傳感器中心為導(dǎo)熱系數(shù)很高的金屬線芯，在線芯外圍是隔熱層，確保導(dǎo)熱線芯的熱量不散出去。隔熱層厚度和材料以熱傳導(dǎo)距離而定。在導(dǎo)熱傳感器的A、B、C 點處有熱傳導(dǎo)點與導(dǎo)熱線芯相連。溫度測量時，將導(dǎo)熱傳感器與電纜附在電纜表層，使測熱點與電纜表層良好接觸。為防止測熱點與電纜表層氣隙，可在測熱點處涂上少量導(dǎo)熱硅膠。B 點為溫度測量接口。發(fā)熱點如果在A 點附近，熱量就會沿著導(dǎo)熱傳感器傳至測量點，B、C 點同理。這樣溫度測量點就可以測量AC 段所覆蓋的電纜長度，擴(kuò)大了溫度測量的距離。

圖4 熱電偶放大電路

局部情況：傷口敷料滲出，呈淡紅色血漬印，更換敷料加壓包扎后短時間內(nèi)仍出現(xiàn)上述癥狀。有些患者傷口敷料雖清潔干燥，但傷口周圍皮膚出現(xiàn)隆起，觸及有波動感，提示皮下有腦脊液滲出。脊柱手術(shù)后24 h傷口引流量增多，有時多至1 000 ml以上，顏色呈淡紅色或清亮液體（正常＜300 ml，呈血清樣混濁液）。

圖5 溫度采集點控制電路圖

1.2 匯聚節(jié)點

軟件系統(tǒng)主要包括兩部分：1）與溫度采集點無線通信，匯聚節(jié)點為主機(jī)模式，溫度傳感器為從機(jī)模式；2）與集中控制器總線通信，匯聚節(jié)點為從機(jī)模式，集中控制器為主機(jī)模式。多點通信軟件較為復(fù)雜，文中僅給出了單點通信時的軟件流程圖，如圖7所示。

結(jié)合實際實驗，最終優(yōu)化后的微波烘干鳳尾魚片的工藝參數(shù)是：烘干質(zhì)量120 g，烘干時間12 min，微波功率3 kW，最后采用該優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行剪切力和感官評價試驗，感官評價分為94.5分，同時感官評價最佳風(fēng)味魚片的硬度值為1538.45 g，2.03%的硬度誤差和1.24%的感官評價誤差，說明經(jīng)過響應(yīng)曲面優(yōu)化后的Y1，Y2 模型應(yīng)用于實踐中是非?？尚械摹?/p>

圖6 匯聚節(jié)點控制電路

綜上所述，河道整治工程要保護(hù)河道的生態(tài)環(huán)境，以維護(hù)物種的多樣化作為首要前提條件[3]。要摒棄過去防洪為主、利于航行以及穩(wěn)定河流演變的觀念，單一的、維穩(wěn)的觀念造成今天自然災(zāi)害頻發(fā)、人類與自然不能和諧相處的境遇。因此，河道整治工作要意識到河流生態(tài)環(huán)境的平衡與生態(tài)平衡發(fā)展的重要性，要認(rèn)識到河道性質(zhì)及河道演變的適度性，從而真正使河道整治工程產(chǎn)生益處。

2 集中控制器

測量電纜溫度時，如圖3 布置導(dǎo)熱傳感器。發(fā)熱點在X處，則M 點溫度高于N、Q。忽略電纜本身的軸向熱量傳輸，測試盲區(qū)為導(dǎo)熱傳感器的間隙。

從四川省申報全國特色小鎮(zhèn)的類型分析，主要為自然風(fēng)光、農(nóng)業(yè)、古鎮(zhèn)三大特色，基本以文旅小鎮(zhèn)為主，整體處于向融合、跨界、共享的新時期轉(zhuǎn)變。四川省將利用特有的文化、歷史資源，將文旅小鎮(zhèn)營造為生產(chǎn)、生活、生態(tài)的“三生融合”，產(chǎn)業(yè)、文化、旅游“三位一體”，一二三產(chǎn)業(yè)聯(lián)動的“三產(chǎn)聯(lián)動”于一身的小鎮(zhèn)［6］。

圖7 單點通信時的軟件流程圖

圖8 集中控制器電路圖

表2 集中控制器與上位機(jī)通信數(shù)據(jù)定義

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)提出了一種基于熱傳導(dǎo)梯度的導(dǎo)熱傳感器電纜溫度在線監(jiān)測方法，并設(shè)計了基于該方法的電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。實際使用中，在電纜相應(yīng)節(jié)點上布置一定長度的導(dǎo)熱傳感器形成帶狀溫度采集點，多個溫度采集點組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)根據(jù)溫度采集點的地址編碼和匯聚節(jié)點地址編碼，精確采集溫度采集點的溫度，確定電纜發(fā)熱點的區(qū)域，為電纜運行狀況監(jiān)測和故障點判斷提供數(shù)據(jù)支持。文中在小功率短距離電纜上做了相關(guān)測試，取得了較為理想的效果。該系統(tǒng)采用在電纜表層粘連導(dǎo)熱傳感器的方式，增加了電纜溫度在線監(jiān)測的距離，導(dǎo)熱傳感器安裝方便，更換快捷，產(chǎn)品成本低廉。忽略電纜本身的軸向熱傳導(dǎo)特性，導(dǎo)熱傳感器的間隙還是該系統(tǒng)的檢測盲區(qū)。目前系統(tǒng)只能確定發(fā)熱點基于導(dǎo)熱傳感器的位置，隨著導(dǎo)熱傳感器長度的增加，不能精確確定發(fā)熱點的位置。因此，還需在以下兩方面做進(jìn)一步研究：1）研究導(dǎo)熱傳感器及制作工藝，增大導(dǎo)熱傳感器的檢測距離，得出溫度梯度下降的數(shù)學(xué)模型；2）依據(jù)導(dǎo)熱傳感器的傳導(dǎo)長度，適當(dāng)增加溫度測量點數(shù)，通過不同溫度測量點的溫度梯度精確確定發(fā)熱點的位置。