基于nRF24L01的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)終端的研究

　　引言

　　城市中高壓供電電纜大約每300米就存在一處電纜接頭，很多情況下為了降低技術(shù)與施工的難度，將電纜接頭安裝在供電電纜分接箱中。電纜分接箱是一種戶內(nèi)或戶外裝置，通常安裝于街邊、路旁或者小區(qū)等地，用于對電纜線路進(jìn)行分接、分支、接續(xù)或轉(zhuǎn)換，在某些場合可斷開運行中的電纜線路，以便于電纜線路和電氣設(shè)備的檢修。由于分接箱中電纜接頭施工質(zhì)量不過關(guān)，施工人員對預(yù)制式電纜附件的施工工藝不熟悉等一系列原因，使得電纜接頭在長時間、大電流(過負(fù)荷)運行條件下容易發(fā)生過熱，導(dǎo)致事故，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全可靠運行，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

　　本方案根據(jù)供電企業(yè)的實際需要，采用無線技術(shù)設(shè)計了一種新型電纜接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)終端。它位于各電纜接頭處采集溫度數(shù)據(jù)和電纜電流數(shù)據(jù)，通過近距離微功耗無線技術(shù)將分接箱中的測量數(shù)據(jù)匯集于位于分接箱底部的數(shù)據(jù)集中器，再上傳至監(jiān)控中心的PC，實現(xiàn)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(jiān)測。

　　硬件電路設(shè)計

　　測量原理

　　實際運行經(jīng)驗和理論分析均表明，電纜接頭處發(fā)生的各類故障并不是一個突發(fā)的過程，是一個由量變到質(zhì)變的過程，通常表現(xiàn)為電纜接頭處溫度不斷升高。此外，在電力系統(tǒng)中，電力設(shè)備存在負(fù)載電流與溫度正相關(guān)的規(guī)律:當(dāng)負(fù)載電流增大時會出現(xiàn)溫度升高，而負(fù)載電流減小時會出現(xiàn)降溫的現(xiàn)象。

　　分接箱電纜接頭表面溫度是反映其運行狀態(tài)的重要參數(shù)。對電纜接頭溫度進(jìn)行不間斷地監(jiān)測和統(tǒng)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(jié)合生產(chǎn)情況提出檢修計劃，避免或減少故障的發(fā)生，提高供電系統(tǒng)安全性、可靠性，從而促進(jìn)供電企業(yè)增收節(jié)支，提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　根據(jù)分接箱電氣安全規(guī)程，相與相接頭之間空間距離不小于1cm，接頭與分接箱側(cè)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(dǎo)體外部為絕緣護(hù)套層，而絕緣護(hù)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(dǎo)體溫度主要取決于通過導(dǎo)體中的電流I、接觸電阻R和環(huán)境溫度TE，在通過電流和環(huán)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(dǎo)體溫度T和環(huán)境溫度TE的分溫，通過它雖不能直接測出接頭導(dǎo)體部分的實際溫度，但在現(xiàn)場環(huán)境情況下，它與接頭導(dǎo)體溫度近似成線性關(guān)系。因此，對于分接箱電纜接頭溫度的監(jiān)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(huán)境溫濕度等。

　　供電系統(tǒng)設(shè)計

　　監(jiān)測終端供電電路的設(shè)計思想是，利用特制線圈從電纜感應(yīng)出一定功率的交流電壓，通過整流、濾波和穩(wěn)壓之后，提供給監(jiān)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?yōu)橹绷鳎梅€(wěn)壓電路將約為5V的直流電壓變?yōu)?3.3V的直流恒壓供給監(jiān)測終端。另外，為了防止在電纜大電流情況下，特制線圈感應(yīng)電壓過大導(dǎo)致后端電路燒毀，為電路增加了過電壓保護(hù)電路，起到保護(hù)器件的作用。如圖1所示。

　　該電路設(shè)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(yīng);而當(dāng)電纜處于大負(fù)荷運行狀態(tài)，甚至是短路故障電流時，要給予電源板足夠的保護(hù)，不能損壞器件。

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

　　供能線圈為特制的小型CT(電流互感器)，利用電磁感應(yīng)從電纜獲得能量。該裝置選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低、導(dǎo)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(wěn)壓電路，控制電路和防雷保護(hù)電路與監(jiān)測終端固定在鐵芯一側(cè)，便于減小體積和重量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，確定線圈的匝數(shù)，保證電纜電流在10A以上時可提供穩(wěn)定的3.3V穩(wěn)壓輸出。供能線圈的輸出接防雷保護(hù)電路后，再連接到整流濾波穩(wěn)壓電路。

　　由于高壓電纜上運行的電流變化范圍大，且暫態(tài)電流在達(dá)到數(shù)十倍的額定電流時還要保持電源穩(wěn)定，要保證電流在達(dá)到300A時電源還能正常工作。電纜電流過大時感應(yīng)線圈的鐵芯處于磁飽和狀態(tài)。鐵芯飽和后，磁化曲線呈非線性關(guān)系，感應(yīng)電勢變?yōu)轭愃泼}沖波，導(dǎo)致穩(wěn)壓電源模塊輸入電壓過高燒毀，不利于電源的實現(xiàn)。 本設(shè)計增加了一個控制繞組和控制電路，當(dāng)電纜電流過大，獲取能量過多時，控制供能線圈感應(yīng)電壓在適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶?/p>