电力电缆接头温度和PD参数的监测装置的制作方法

本发明属电力电缆监测装置的技术范畴；特别是指采集电力电缆接头的温度和PD双参数、温度传感器应用接头内部预埋和冗余规范安装技术、通过WiFi/2G/3G/4G多通道模块传输数据、感应取电+锂电池组合供电的监测装置。
背景技术：
：电网供电的可靠性关系到生产能否顺利进行，生活品质的好坏优劣。随着电网覆盖范围的扩大，故障波及区域和造成的负面影响越来越大。2003年8月14日，美国和加拿大经历了大面积停电事故，供电中断29小时，受灾人数5000余万；2012年7月30日，印度遭遇特大规模停电，影响人数一度达3.7亿，约1/3印度人无电可用。2008年1月10日～2月2日，我国南方地区接连出现四次罕见的冰冻灾害；冰雪灾害造成36740条10kV及以上电力线路、1743座变电站停运，1亿多人口供电中断；国家电网损失104.5亿元，中央直属发电企业损失613亿元。供电的可靠性涉及发电部门、输电部门和配电部门三家的可靠性，其中城市配电领域的可靠性很大程度上取决于电力电缆的可靠性。以二线城市X市为例，X市敷设的10kV电力电缆長600m，考虑到运维之需，约300m设一电缆接头；为降低技术与施工的难度，电力电缆接头均安装在供电电缆分接箱中。分接箱是一种户内或户外装置，通常安装于街边、路旁或者小区，对电缆线路进行分接、分支、接续或转换，扮演电能汇集与分配枢纽的角色。在电力电缆保有量逐年递增、早期敷设电缆步入或逼近寿命终点的双重因素推动下，2012～2014年X市电缆故障数呈明显的上升态势，统计数据见表1。必须指出，X市非个案特例，我国大中城市电力电缆的现状大同小异，形势非常严峻。业内同行的共识是：相当一段时间内，电力电缆的高故障数将是电力行业的新常态；电力电缆的囧境使电力系统的可靠性遇到了前所未有的挑战。表12012～2014年X市的电力电缆故障数据年份201220132014电力电缆故障数(次)513604723相对2012年的比值100％117.7％140.9％电缆接头是电缆线路中不可或缺的组成部分；根据连接对象的不同，电缆接头又称电缆终端头或电缆中间头，两者的专业术语统称为电缆附件。电缆导电线芯外是接地的铜屏蔽层，导电线芯与屏蔽层之间形成径向分布电场。正常电缆的电场只有从线芯沿半径向铜屏蔽层的电力线，没有线芯的轴向电场(电力线)，电场分布均匀。制作电缆头时剥去了屏蔽层，破坏了电缆电场分布，产生对绝缘不利的切向电场(轴向电力线)--在剥去屏蔽层的线芯处电力线向屏蔽层断口处集中，断口处就是电缆最易被击穿的部位。电缆接头外套装电应力管抑制切向电场是有效的，但是电缆接头依然是电缆电网的薄弱环节。统计表明：接头故障次数高居电缆总故障数的90％。因此，有必要在线监测电力电缆接头的运行状态；在线监测有助于发现故障和故障征兆，发现故障征兆是及时检修、提前排除电缆故障、提升运维水准的前提。在线监测电缆接头状态的设计任务书应包含：监测参数，采集监测参数的技术路线，获取电能的途径以及采集数据的传输方法。非电量参数温度是电缆接头在线监测的必选参数。温度升高，接头的接触电阻增加、氧化加速；绝缘介质温度升高(电阻值具有负温度系数)，导致流过绝缘介质的电流增大，即介质的功耗、发热量增大，促成绝缘介质的加速老化甚至击穿。温度测量有接触式、非接触式两大类；而接触式测温又细分出点式(热电偶、热电阻、热敏电阻、数字温度传感器)、线式(感温电缆、分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器)两种。从技术成熟度、易用性和经济指标的综合视角考量，业界倾向点接触的数字温度传感器；但数字温度传感器使用中曝露出三点缺陷，应分折原因并采取相应的技术手段补救。首先，测量的温度数据一致性欠佳；源由被测对象是接头的表面温度，测量值受环境和安装点不规范的影响；传感器预埋电缆接头内部、规范安装点能改进测量数据的一致性。其次，传感器可靠性有待提高的问题，拟通过冗余技术解决。缺陷之三，温度对象本质上是大时间常数、纯滞后对象，温升至故障发生存在一个量变到质变的渐变过程；显然，温度单参数很难满足“发现故障征兆”的用户诉求；解决方案是引入能实时表征电缆接头运行状态的监测参数--局部放电。局部放电(PartialDischarge，PD)是电场作用下绝缘介质发生的放电短路现象，PD既可发生在绝缘介质内部，也会出现在绝缘介质的表面或边缘。PD具有间歇性和实时性，绝缘介质中未形成永久的放电通道，尚不足使绝缘介质击穿；但它是电缆附件绝缘劣化的主要原因之一，又是表征电缆附件绝缘状态的重要特征量；监测局部放电有利于“发现故障征兆”。IEC、IEEE以及CIGRE等国际电力权威机构推荐PD试验作为电缆绝缘状况评价的最佳方法；PD监测有脉冲电流测试、振动加速、电磁波、局部放电量和超声波法等，其中脉冲电流法是唯一纳入国际标准(IEC60270)的方法--根据耦合原理、通过HFCT传感器，采集电缆PD时产生的脉冲电流信号，判断电缆附件绝缘状态，实施故障预警。温度和PD的双参数监测补齐了温度单参数在“发现故障征兆”上的短板。电缆分接箱高度分散设置在X全市，电缆接头监测装置的主流供能架构是CT感应+锂电池在线充电；主流供能架构的技术成熟，缺点是可靠性差强人意，需探寻源由并设计针对性电路。CT取能线圈一次侧的电流是变量、存在过压，应设计过电压保护电路；电缆线路存在无法避免的微秒级雷电冲击或短路电流，可设计基于TVS的冲击保护电路。锂电池的充电电路相对复杂，可靠性一般，舍弃锂电池充电电路；因为国家电网X市的运维条例要求，10kV电力电缆的巡检周期≤3个月，因此锂电池在线充电略显多余。感应取电电源配置过压保护和冲击保护电路，采用开口卡装式结构的取能CT线圈；再辅以锂电池备用电源，构成电缆接头监测装置的组合式电源。2008年8月，X市进入无线数字城市；10kV电力电缆线路大多位于无线数字城市的WiFi覆盖域内，采集数据借助WiFi/2G/3G/4G多通道模块传输是不二选择。不失一般性，本文面向X市的10kV电力电缆户内终端接头展开论述。电力电缆接头监测装置领域较有代表性的知识产权成果综述如下：·发明专利“一种基于射频技术的电缆接头精确测温技术和装置”(ZL201110056255.6)，提出直接接触式方法测量电缆接头或芯线表面温度，通过射频将数据传输到外置接收器，外置接收器通过射频向内置测温器提供电能，解决内置测温器的供电问题。·发明专利“高压电缆接头局部放电在线监测装置及其在线监测方法”(ZL200910024123.8)，提出电容耦合传感器的高压XLPE电缆接头局部放电在线监测方法，通过在电缆接头两端的电缆本体上固定金属箔构成容性电极来耦合局部放电信号，并通过检测阻抗将耦合到的电流信号转换为电压信号。上述有益探索，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限。因此，有必要在现有电力电缆接头监测装置基础上，作进一步的创新设计。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电力电缆接头温度和PD参数的监测装置温度和PD双参数监测装置由温度测量单元、组合式电源单元、PD测量单元、MCU主控单元和WiFi/2G/3G/4G多通道单元组成；组合式电源单元与温度测量单元、PD测量单元、MCU主控单元和WiFi/2G/3G/4G多通道单元相连，提供温度和PD双参数监测装置的电能；温度测量单元和PD测量单元与主控单元相连，MCU主控单元与WiFi/2G/3G/4G多通道单元相连；根据温度和PD双参数监测装置安装地点的无线信号情况，WiFi/2G/3G/4G多通道单元自动选择网络：如存在WiFi网络则优先选择WiFi，如处在WiFi网络盲点则选择2G或3G或4G网络；温度测量单元由第1数字温度传感器、第2数字温度传感器、第3数字温度传感器、第4数字温度传感器，电缆接头均温环组成；电缆接头均温环与电缆接头过盈配合，电缆接头均温环外径环面上、等距设置4个数字温度传感器安装孔，孔间夹角90°，4个数字温度传感器安装孔与4个数字温度传感器一一对应；数字温度传感器预埋在安装孔内，安装空隙用导热材料填充；数字温度传感器型号DS18B20；第1数字温度传感器脚3接VCC、脚5接地，脚4与电阻R0相连、接MCU主控单元C8051F060脚55，电阻R0的另一端接VCC；第2数字温度传感器、第3数字温度传感器和第4数字温度传感器的设置方式与第1数字温度传感器相同。所述的组合式电源单元由开气隙卡口式取能线圈、过电压保护模块、整流滤波模块、瞬态保护模块、DC-DC模块、超级电容存储和备用锂电池模块组成；开气隙卡口式取能线圈套装在电缆外部，依次与整流滤波模块端点a和b，DC-DC模块端点c1和d，超级电容存储和备用锂电池模块相连，超级电容存储和备用锂电池模块的输出端提供温度和PD双参数监测装置的电能；过电压保护模块并接在整流滤波模块的a、b输入端，瞬态保护模块并接在整流滤波模块的c1、d输出端；开气隙卡口式取能线圈从电力电缆取能，整流滤波后给温度和PD双参数监测装置供电，同时给超级电容充电储能；锂电池是整流滤波模块供电、以及超级电容存储电能供电的备用电源，电力电缆巡检时定期更换锂电池；过电压保护模块由过电压保护的执行子模块和过电压保护的检测控制子模块组成；过电压保护的执行子模块并接在a、b端，以固态继电器SSR为核心，SSR输出的一端与a相连，SSR输出的另一端经耗能电阻R220与b相连；过电压保护的检测控制子模块并接在c1、d端，包括依次相连的稳压管D221、D222和D223，D223的另一端与可调电阻R221相连、两者公共点的电压V220，可调电阻R221的另一端经稳压管D224接地、即d端，D221的另一端则接c1端；V220与SSR的控制端相连；当c1、d端电压Vc1d＞75V时，V220≥SSR的动作电压VT、常开型SSR导通闭合、开气隙卡口式取能线圈的感应电流通过导通闭合的SSR和耗能电阻R220泄放，箝制Vc1d≤75V；稳压管D221、D222和D223型号1N4747A，稳压管D224型号1N4742A，SSR型号JZC-22F-12VDC-1ZS；整流滤波模块由桥式整流电路、∏型滤波电路组成，桥式整流电路的输入端a和b、输出端c和d，∏型滤波电路的输入端c和d、输出端c1和d；瞬态保护模块以瞬变电压抑止二极管D240为核心，D240并接在c1和d端，电缆上出现短路电流、特别是雷电冲击电流时，D240提供后续电路的瞬态保护，瞬变电压抑止二极管D240型号5KP78CA；DC-DC模块以MAX5035B为核心，MAX5035B的脚7与电阻R251、电容C251相连并连接c1端，电阻R251的另一端与电阻R252相连，电阻R252另一端与电容C251另一端、MAX5035B的脚3、6相连接地，MAX5035B脚2经电容C252接地，MAX5035B脚8、电容C253、二极管D250和电感L250相连，电容C253另一端接MAX5035B脚1、二极管D250另一端接地、电感L250另一端接MAX5035B脚4，D250型号50SQ100；超级电容存储和备用锂电池模块包括串联肖特基二极管D260的锂电池E250支路、超级电容C260支路，两支路并联，并联电路的一端接地，另一端接MAX5035B的脚4、VCC和MCU主控单元C8051F060的脚18，肖特基二极管D260型号D80-004。WiFi/2G/3G/4G多通道单元由STM32F103RC作为主控制器，通过USART通讯去控制WiFi模块和2G/3G/4G模块。STM32F103RC的USART1的RX,TX引脚分别接C8051F060的62,61引脚，USART2的RX,TX引脚分别接WIFI模块的5，6引脚，USART3的RX,TX分别接2G/3G/4G模块的1,2引脚。通过STM32F103RC控制器的判断，可以选择WIFI或者2G/3G/4G哪种通讯方式。系统的主控制单元C8051F060仅需要将数据通过串口发送给WiFi/2G/3G/4G多通道单元，此单元会自动根据当前的网络环境，选择合适的通讯方式。所述的PD测量单元由HNC型磁平衡霍尔电流传感器、传感器信号调理电路组成，传感器信号调理电路以第1运放、第2运放和第3运放为核心，运放型号OP-27，第1运放和第2运放构成自举反馈前置放电路，第3运放构成带通滤波器；HNC型磁平衡霍尔电流传感器脚1、2分别接入+12V、-12V电源，脚4接地，脚3接电容C311；电阻R300、R312和电容C311的另一端相连，电阻R312的另一端与电阻R311相连后接入第1运放的脚2，电阻R311的另一端与第1运放的脚6相连，电阻R313的一端接地、另一端接入第1运放的脚3；电阻R323的一端接地、另一端接入第2运放的脚3，电阻R322、R321相连接入后第2运放的脚2；电阻R322的另一端与第1运放的脚6相连，电阻R321的另一端与R300的另一端相连后接入第2运放的脚6；电容C330、C333和电阻R330、R331相连，R331的另一端接地，R330的另一端与第1运放的脚6相连；电阻R332的一端接地、另一端接入第3运放的脚2，电阻R333与电容C333的另一端相连后接入第3运放的脚3，电容C334的一端接地、另一端接入第3运放的脚4，电容C337的一端接地、另一端接入第3运放的脚7，电容C330的另一端与电阻R333的另一端相连后接入第3运放的脚6；第3运放的脚6输出VOUT至MCU主控单元C8051F060的脚9。所述的MCU主控单元以C8051F060为核心，温度测量单元4个数字温度传感器的测量值通过单总线接C8051F060脚55，4个温度数据作中位均值滤波处理、得电缆接头的温度值；PD测量单元的局部放电参数VOUT接C8051F060脚9，由内嵌AD口的C8051F060进行AD转换；组合式电源单元提供的电源VCC接C8051F060脚64和18，C8051F060通过脚18对VCC进行AD转换：若VCC≤(5-0.2)V，温度和PD双参数监测装置进入电池供电模式，否则进入在线取能模式；4个温度传感器的温度数据中位均值滤波算法如下：式中，t[i]是第i个数字温度传感器的测量值；电池供电/在线取能模式：1.VCC≤(5-0.2)V，进入电池供电模式WiFi/2G/3G/4G多通道单元传输数据的周期×10仅传输电力电缆的运行数据，电力电缆设备数据本地暂存，留待巡检时传输2.VCC＞(5-0.2)V，进入在线取能模式恢复WiFi/2G/3G/4G多通道单元传输数据的周期传输电力电缆全工况数据，包括运行数据和设备数据。本发明与
背景技术：
相比，具有的有益效果是：监测电缆接头的温度和PD双参数，有助于正确地评估电缆状态，发现故障和故障征兆；实现故障预警能提前排除电缆故障，提升运维水准。数字温度传感器采用接头内部预埋和冗余规范安装技术，提高了温度测量的可靠性和测量数据的一致性。采集数据通过WiFi/2G/3G/4G多通道模块传输，降低了监测装置的运维开销，具有优异的性价比。开口卡装式结构的取能CT线圈、以及过压保护和冲击保护电路，提高了感应取电电源的可靠性；感应取电电源+锂电池备用电源构成组合式电源，组合式电源结构简单、性能可靠。附图说明图1是温度和PD双参数监测装置的结构框图；图2(a)是温度测量单元的结构图；图2(b)是温度测量单元的电路图；图3(a)是组合式电源单元的框图；图3(b)是过电压保护模块的电路图；图3(c)是整流滤波和瞬态保护模块的电路图；图3(d)是DC-DC、超级电容存储和备用锂电池模块的电路图；图4是PD测量单元的电路图；图5是MCU主控单元的电路图；图6为WiFi/2G/3G/4G多通道单元的电路图；具体实施方式如图1所示，温度和PD双参数监测装置由温度测量单元100、组合式电源单元200、PD测量单元300、MCU主控单元400和WiFi/2G/3G/4G多通道单元500组成；组合式电源单元200与温度测量单元100、PD测量单元300、MCU主控单元400和WiFi/2G/3G/4G多通道单元500相连，提供温度和PD双参数监测装置的电能；温度测量单元100和PD测量单元300与主控单元400相连，MCU主控单元400与WiFi/2G/3G/4G多通道单元500相连；根据温度和PD双参数监测装置安装地点的无线信号情况，WiFi/2G/3G/4G多通道单元500自动选择网络：如存在WiFi网络则优先选择WiFi，如处在WiFi网络盲点则选择2G或3G或4G网络。如图2(a)、图2(b)所示，温度测量单元100由第1数字温度传感器10、第2数字温度传感器20、第3数字温度传感器30、第4数字温度传感器40，电缆接头均温环50组成；电缆接头均温环50与电缆接头过盈配合，电缆接头均温环50外径环面上、等距设置4个数字温度传感器安装孔，孔间夹角90°，4个数字温度传感器安装孔与4个数字温度传感器一一对应；数字温度传感器预埋在安装孔内，安装空隙用导热材料填充；数字温度传感器型号DS18B20；第1数字温度传感器10脚3接VCC、脚5接地，脚4与电阻R0相连、接MCU主控单元400C8051F060脚55，电阻R0的另一端接VCC；第2数字温度传感器20、第3数字温度传感器30和第4数字温度传感器40的设置方式与第1数字温度传感器10相同。如图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)所示，组合式电源单元200由开气隙卡口式取能线圈210、过电压保护模块220、整流滤波模块230、瞬态保护模块240、DC-DC模块250、超级电容存储和备用锂电池模块260组成；开气隙卡口式取能线圈210套装在电缆外部，依次与整流滤波模块230端点a和b，DC-DC模块250端点c1和d，超级电容存储和备用锂电池模块260相连，超级电容存储和备用锂电池模块260的输出端提供温度和PD双参数监测装置的电能；过电压保护模块220并接在整流滤波模块230的a、b输入端，瞬态保护模块240并接在整流滤波模块230的c1、d输出端；开气隙卡口式取能线圈210从电力电缆取能，整流滤波后给温度和PD双参数监测装置供电，同时给超级电容充电储能；锂电池是整流滤波模块供电、以及超级电容存储电能供电的备用电源，电力电缆巡检时定期更换锂电池；过电压保护模块220由过电压保护的执行子模块和过电压保护的检测控制子模块组成；过电压保护的执行子模块并接在a、b端，以固态继电器SSR为核心，SSR输出的一端与a相连，SSR输出的另一端经耗能电阻R220与b相连；过电压保护的检测控制子模块并接在c1、d端，包括依次相连的稳压管D221、D222和D223，D223的另一端与可调电阻R221相连、两者公共点的电压V220，可调电阻R221的另一端经稳压管D224接地、即d端，D221的另一端则接c1端；V220与SSR的控制端相连；当c1、d端电压Vc1d＞75V时，V220≥SSR的动作电压VT、常开型SSR导通闭合、开气隙卡口式取能线圈210的感应电流通过导通闭合的SSR和耗能电阻R220泄放，箝制Vc1d≤75V；稳压管D221、D222和D223型号1N4747A，稳压管D224型号1N4742A，SSR型号JZC-22F-12VDC-1ZS；整流滤波模块230由桥式整流电路、∏型滤波电路组成，桥式整流电路的输入端a和b、输出端c和d，∏型滤波电路的输入端c和d、输出端c1和d；瞬态保护模块240以瞬变电压抑止二极管D240为核心，D240并接在c1和d端，电缆上出现短路电流、特别是雷电冲击电流时，D240提供后续电路的瞬态保护，瞬变电压抑止二极管D240型号5KP78CA；DC-DC模块250以MAX5035B为核心，MAX5035B的脚7与电阻R251、电容C251相连接c1端，电阻R251的另一端与电阻R252相连，电阻R252另一端与电容C251另一端、MAX5035B的脚3、6相连接地，MAX5035B脚2经电容C252接地，MAX5035B脚8、电容C253、二极管D250和电感L250相连，电容C253另一端接MAX5035B脚1、二极管D250另一端接地、电感L250另一端接MAX5035B脚4，D250型号50SQ100；超级电容存储和备用锂电池模块260包括串联肖特基二极管D260的锂电池E250支路、超级电容C260支路，两支路并联，并联电路的一端接地，另一端接MAX5035B的脚4、VCC和MCU主控单元400C8051F060的脚18，肖特基二极管D260型号D80-004。说明：整流滤波电路属公知知识范畴，考虑到内容的完整性、本文仅提及但不展开论述。如图4所示，PD测量单元300由HNC型磁平衡霍尔电流传感器340、传感器信号调理电路组成，传感器信号调理电路以第1运放310、第2运放320和第3运放330为核心，运放型号OP-27，第1运放310和第2运放320构成自举反馈前置放电路，第3运放330构成带通滤波器；HNC型磁平衡霍尔电流传感器340脚1、2分别接入+12V、-12V电源，脚4接地，脚3接电容C311；电阻R300、R312和电容C311的另一端相连，电阻R312的另一端与电阻R311相连后接入第1运放310的脚2，电阻R311的另一端与第1运放310的脚6相连，电阻R313的一端接地、另一端接入第1运放310的脚3；电阻R323的一端接地、另一端接入第2运放320的脚3，电阻R322、R321相连接入后第2运放320的脚2；电阻R322的另一端与第1运放310的脚6相连，电阻R321的另一端与R300的另一端相连后接入第2运放320的脚6；电容C330、C333和电阻R330、R331相连，R331的另一端接地，R330的另一端与第1运放310的脚6相连；电阻R332的一端接地、另一端接入第3运放330的脚2，电阻R333与电容C333的另一端相连后接入第3运放330的脚3，电容C334的一端接地、另一端接入第3运放330的脚4，电容C337的一端接地、另一端接入第3运放330的脚7，电容C330的另一端与电阻R333的另一端相连后接入第3运放330的脚6；第3运放330的脚6输出VOUT至MCU主控单元400C8051F060的脚9。说明：组合式电源单元可通过附加的DC-DC变换提供±12V电源，考虑到简洁性，本文未展开论述。如图5所示，MCU主控单元400以C8051F060为核心，温度测量单元4个数字温度传感器的测量值通过单总线接C8051F060脚55，4个温度数据作中位均值滤波处理、得电缆接头的温度值；PD测量单元的局部放电参数VOUT接C8051F060脚9，由内嵌AD口的C8051F060进行AD转换；组合式电源单元提供的电源VCC接C8051F060脚64和18，C8051F060通过脚18对VCC进行AD转换：若VCC≤(5-0.2)V(ΔV＝0.2～0.3V是肖特基二极管D80-004的压降，本例中取值为0.2)，温度和PD双参数监测装置进入电池供电模式，否则进入在线取能模式；4个温度传感器的温度数据中位均值滤波算法如下：式中，t[i]是第i个数字温度传感器的测量值；电池供电/在线取能模式：1、VCC≤(5-0.2)V，进入电池供电模式WiFi/2G/3G/4G多通道单元传输数据的周期×10；仅传输电力电缆的运行数据，电力电缆设备数据本地暂存，留待巡检时传输；2、VCC＞(5-0.2)V，进入在线取能模式恢复WiFi/2G/3G/4G多通道单元传输数据的周期；传输电力电缆全工况数据，包括运行数据和设备数据。说明1：温度和PD双参数监测装置中，WiFi/2G/3G/4G多通道单元的功耗最大；电池供电模式下，传输数据的周期×10可使装置的功耗下降。说明2：温度和PD双参数监测装置传输电力电缆的运行数据和设备数据，前者主要供电网运行操作人员使用，后者主要由电网维护抢救人员使用；电池供电模式下，传输数据仅取电力电缆全工况数据的子集---电力电缆运行数据，可使装置的功耗进一步下降。当前第1页1 2 3