基于無線技術的電纜接頭溫度監測系統終端設計

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本方案根據供電企業的實際需要,采用無線技術設計了一種新型電纜接頭溫度監測系統終端。它位于各電纜接頭處采集溫度數據和電纜電流數據,通過近距離微功耗無線技術將分接箱中的測量數據匯集于位于分接箱底部的數據集中器,再上傳至監控中心的PC,實現了城市供電電纜分接箱電纜接頭運行溫度和電流的低成本在線可靠監測。

 

  硬件電路設計

 

  測量原理

 

  實際運行經驗和理論分析均表明,電纜接頭處發生的各類故障并不是一個突發的過程,是一個由量變到質變的過程,通常表現為電纜接頭處溫度不斷升高。此外,在電力系統中,電力設備存在負載電流與溫度正相關的規律:當負載電流增大時會出現溫度升高,而負載電流減小時會出現降溫的現象。

 

  分接箱電纜接頭表面溫度是反映其運行狀態的重要參數。對電纜接頭溫度進行不間斷地監測和統計分析,可使運行人員全面掌握其工作狀況,及時了解電纜接頭的老化情況,在必要時結合生產情況提出檢修計劃,避免或減少故障的發生,提高供電系統安全性、可靠性,從而促進供電企業增收節支,提高經濟效益。

 

  根據分接箱電氣安全規程,相與相接頭之間空間距離不小于1cm,接頭與分接箱側壁和頂部的空間距離不小于15cm,各接頭與三芯電纜分裂處垂直距離不小于70cm。分接箱電纜接頭導體外部為絕緣護套層,而絕緣護套層表面實際上存在著幾百伏至上千伏不等的電壓。電纜接頭導體溫度主要取決于通過導體中的電流I、接觸電阻R和環境溫度TE,在通過電流和環境溫度變化不大的情況下,主要受接觸電阻的影響。測點溫度為接頭導體溫度T和環境溫度TE的分溫,通過它雖不能直接測出接頭導體部分的實際溫度,但在現場環境情況下,它與接頭導體溫度近似成線性關系。因此,對于分接箱電纜接頭溫度的監測,主要測量電纜接頭表面溫度與通過電纜接頭的電流,以及分接箱環境溫濕度等。

 

  供電系統設計

 

  監測終端供電電路的設計思想是,利用特制線圈從電纜感應出一定功率的交流電壓,通過整流、濾波和穩壓之后,提供給監測終端。電流大致在10A~300A范圍的中高壓電纜上的交流電壓,之后利用整流、濾波電路將交流變為直流,利用穩壓電路將約為5V的直流電壓變為+3.3V的直流恒壓供給監測終端。另外,為了防止在電纜大電流情況下,特制線圈感應電壓過大導致后端電路燒毀,為電路增加了過電壓保護電路,起到保護器件的作用。

 

  該電路設計的難點主要在于,電纜電流較小時,要盡量保證電源的供應;而當電纜處于大負荷運行狀態,甚至是短路故障電流時,要給予電源板足夠的保護,不能損壞器件。

 

  該電源包括供能線圈,整流濾波穩壓電路,控制線圈,控制電路以及防雷保護電路。

 

  供能線圈為特制的小型CT(電流互感器),利用電磁感應從電纜獲得能量。該裝置選用飽和磁感應強度較低、導磁率較高的硅鋼片制作鐵芯。供能線圈/控制線圈以及整流濾波穩壓電路,控制電路和防雷保護電路與監測終端固定在鐵芯一側,便于減小體積和重量。根據電磁感應原理,確定線圈的匝數,保證電纜電流在10A以上時可提供穩定的3.3V穩壓輸出。供能線圈的輸出接防雷保護電路后,再連接到整流濾波穩壓電路。

 

  由于高壓電纜上運行的電流變化范圍大,且暫態電流在達到數十倍的額定電流時還要保持電源穩定,要保證電流在達到300A時電源還能正常工作。電纜電流過大時感應線圈的鐵芯處于磁飽和狀態。鐵芯飽和后,磁化曲線呈非線性關系,感應電勢變為類似脈沖波,導致穩壓電源模塊輸入電壓過高燒毀,不利于電源的實現。 本設計增加了一個控制繞組和控制電路,當電纜電流過大,獲取能量過多時,控制供能線圈感應電壓在適當的工作范圍。


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