许诚 江翰锋 郭春 陈清乐
国网福建省电力有限公司龙岩供电公司 福建 龙岩 364000
摘要：中间接头作为电缆连接部件，多用于两根电缆中间部位，相对电缆主体较为薄弱，若是在制造或安装的过程中出现瑕疵，在运行过程中很可能会出现局部温度升高的情况，导致其使用寿命快速消耗，引发安全问题，因此有必要对电缆接头的温度进行在线监测。本文研究的主题就是电力电缆中间接头温度在线监测系统的建构。
关键词：电力电缆；中间接头；温度监测；系统设计
前言：随着我国城市化建设的不断推进，居民用电规模开始出现大幅度的提升，为了满足社会生产生活的用电需求，我国近些年来持续加大了电网建设力度，电力线路作为电能传输的主要载体，其铺设规模也在持续扩张。为了减轻电力电缆敷设的难度，一般会每隔一段距离增设一个中间接头，以减少电缆的牵引力，同时也可以降低电缆运输的难度。中间接头的制作安装工艺要求较高，一些些小的问题，如混入水分、气隙等杂质，就可能导致其因局部温度过高而加速老化甚至被击穿，引发火灾等安全事故。因此为了最大程度的降低中间接头故障，必须要加强对中间接头运行监测和诊断，保障电网的安全运行。
1电力电缆中间接头概述
1.1电力电缆中间接头的结构和分类
结合我国电力线路敷设运行的情况来看，电力电缆中间接头出现故障的概率远高于电缆主体，这是因为中间接头在电气性能、化学性能、热学性能以及机械性能等方面均有着不低的要求。现今我国电力线路中所使用的电缆接头与电缆十分相似，如金属屏蔽层、半导电层、外护套、纤芯、电缆绝缘等部分在电缆中也有包含，区别在于接头中多了连接管、应力锥以及接头主绝缘。其中连接管的主要作用是将两根导体连接起来，具有较高的机械强度。在安装作业中，连接管末端的电应力集中点会被包裹为锥形，即应力锥，其作用是使电缆连接部位的绝缘逐渐复原。
以制作工艺为依据，可将电缆中间接头分为浇注式、绕包式、热收缩型、冷收缩型以及预制式五种。若以用途为标准则可为分为终端头和中间接头，而中间接头又可以进一步细分为对接头、分支接头、过渡接头。
1.2电力电缆接头的故障以及发热原理分析
结合我国电力线路的运行情况，电缆接头的故障主要可分为两大类，分别是导体故障和绝缘故障。前者主要是指电力电缆接头中线芯导体的故障，多表现为主绝缘对地击穿故障、两芯或三芯短路故障、线芯导体被故障电流烧断或在机械外力的作用下被拉断等。绝缘故障则是指电力电缆接头的绝缘部分因为老化、破裂、击穿等因素出现绝缘性能下降的情况。电力电缆接头的绝缘层在过高的电压下会出现电导性变坏的情况，容易引发泄漏故障。此外，接头自身缺陷也会导致绝缘故障，如制作安装工艺不足、环境条件恶劣、外力破坏等都会导致接头绝缘层出现缺陷。
电力电缆在实际运行的过程中，其主体以及中间接头都会出现发热现象，主要来源于线芯所产生的焦耳热以及各种绝缘材料产生的介质损耗转化的热能。中间接头内部存在的热量会在不同介质层之间进行传导，与此同时，其表面与空气之间则会产生热对流，共同构成中间接头的温度场。
2电力电缆中间接头温度在线监测系统设计研究
2.1系统整体设计
现阶段我国电力电缆铺设一般每隔400米会设置一枚中间接头，敷设方式的多样化以及电力线路覆盖范围的广阔使得中间接头温度在线监测实现的难度极高，因此需要借助新一代信息技术搭建中间接头温度在线监测系统。如图1所示为本文设计的系统架构，它主要由软、硬件系统两部分构成，其中软件系统包括温度数据采集程序、无线通信程序、数据管理程序，硬件系统则包括温度传感器、数据采集模块、智能电源、数据管理平台等。图中的终端节点即为负责对中间接头进行监测的监测单元，它是由温度传感器、数据采集模块、ZigBee无线发射模块、智能电源构成，具体如图2所示。其中ZigBee无线发射模块所拥有的自动组网功能可以使所有终端节点形成一个庞大的在线监测网络。
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终端节点通过网络与安装在电缆井或电缆出口处的中心节点建立连接，在数据采集模完成温度信息采集之后，经由GPRS发射模块将温度数据上传到数据管理平台，完成数据的处理、存储、诊断以及后续的预警等工作程序。
上述系统在中间接头温度在线检测方面具有量大优势，一是温度传感器的分布形式使得其可以对中间接头的内部温度进行实时监测，且不会受到环境温度的影响，这样可以更加精准的计算出导体的温度值，若存在温度异常，则可以快速的锁定缺陷位置。二是ZigBee与GPRS相结合的数据传输方式可以实现优势互补，前者能耗低、具有自动组网功能且通信免费，而后者覆盖范围广，适合远距离无线传输，综合应用之下可以实现对所有环境下电力电缆中间接头温度的在线监测。
2.2系统建构的要点分析
在系统架构设计完成后，后续的搭建并投入使用需要注意以下几项要点：
一是温度传感器的选用。为了保障温度数据采集的精确性和时效性，在进行温度传感器选择的过程中应重点把握“实时”“精确”“可靠”等几项关键点，通过对过往存在的各类的温度传感器进行对比分析后发现，各类传感器均存在一定的不足之处，如热电偶无法实现长期、远距离在线监测，红外成像仪不适合复杂恶劣的环境、半导体集成电路温度传感器只适合局部温度点的测量等。因此最终权衡之下选择了DS18B20温度传感器，这款智能温度传感器的全部传感元件和转换电路集成在形如三极管的集成电路内，具有体积小、测量精度高、传输距离远、多点测温等优点。
二是数据采集模块设计。数据采集模块的主要功能是对电力电缆中间接头的温度数据进行采集，其设计是否科学直接影响着整个温度在线监测系统的实效性。在硬件设计方面，采用51单片机的最小系统进行多点温度传感器的数据采集，系统采用三线制接线方法，芯片方面则应尽可能的选择具有在线编程功能的芯片，这样更方面程序的录入。在程序设计方面，可依据温度传感器所拥有的温度信号转化数字信号的特点，赋予信号线接受指令和发出温度信号的双向通信功能。具体流程如下：在温度采集模块程序启动后，单片机系统开始初始化，之后将温度传感器复位，并发跳过ROM指令以及温度转换命令。之后发匹配ROM命令，获得一个温度传感器序号，发读温度命令，若温度传感器完成处理，则输出结果，若未能完成，则指向下一个温度传感器，回到“发匹配ROM命令”的步骤。
三是取能电源的选用。目前我国电力网络建设所面对的环境条件变得越来越复杂，传统的蓄电池供电的方式根本无法满足在线监测的要求，对此需要结合实际情况选择最合适的电源供电方式。目前可用的供电方式主要有太阳能供电、激光供电、电流互感器取能、超声波供能、微波供能等，不同方式各有优缺点，如电流互感器感应取能若是想要投入实际应用，就需要解决稳定输出、备用电源以及长期低热耗稳定运行等问题。
结语：综上所述，通过建构电力电缆中间接头温度在线监测系统的方式对电力线路运行过程中电缆中间接头的温度数据进行全面的采集、处理、分析，可以及时发现潜在的故障，提前采取措施消除隐患，保障线路安全稳定运行。
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