基于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的礦物質(zhì)絕緣防火電纜安全防患預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建研究*

*自治區(qū)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)項目：礦物質(zhì)防火電纜研發(fā)與應(yīng)用，新工信科技[2020]10號

摘要：通過參數(shù)對比反映礦物質(zhì)電纜的絕緣狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并對電纜設(shè)備的潛伏隱患進(jìn)行管理，以保證電纜的安全運(yùn)行，這對居民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

引言

近年來，隨著城市化水平的不斷推進(jìn)，電力電纜設(shè)備與規(guī)模與日俱增^[1]，日益增大的電力網(wǎng)絡(luò)給人類帶來便捷性的同時也出現(xiàn)了諸多弊端，如因電力電纜的超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致的重大火災(zāi)。在我國，因電力電纜導(dǎo)致的火災(zāi)占所有火災(zāi)的比例一直位于首位，電力電纜發(fā)生火災(zāi)一方面會導(dǎo)致大面積停電，給國家和社會造成重大損失，另一方面，火災(zāi)會對人民的財產(chǎn)造成威脅，甚至危及到人類的生命安全。因此，對于規(guī)模巨大的供電網(wǎng)絡(luò)在用電安全方面我們需要提出更高的要求，即保障電力電纜的安全運(yùn)行，盡可能降低事故的發(fā)生^[2]。

傳統(tǒng)電線電纜燃燒后具有火焰大、熱量高等缺點，燃燒后產(chǎn)生的黑煙帶有毒性會使人類窒息倒地，嚴(yán)重時危及人類的神經(jīng)系統(tǒng)。另一方面電纜燃燒產(chǎn)生的黑煙濃度高，會造成視覺盲區(qū)，遮擋逃生出口，給消防人員的搶救災(zāi)情帶來困難。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電力電纜已不能滿足人類對生命及財產(chǎn)安全的保障需求，急需研發(fā)出一種能夠防火的電線電纜產(chǎn)品，來滿足人們的需求。礦物質(zhì)絕緣防火電纜應(yīng)運(yùn)而生，它以高導(dǎo)電率的銅作導(dǎo)體芯線，礦物質(zhì)云母帶作為絕緣層，氧化鎂粉末作無機(jī)填充材料，銅帶氬弧焊接后壓皺作護(hù)套，具有諸多優(yōu)點如耐高溫、耐腐蝕等。礦物質(zhì)電纜可在250 °C 環(huán)境下長時間工作，更可在1 083 °C 極端高溫環(huán)境下短時間連續(xù)工作，具備防止老化、防止生活污水浸入等特性， 是目前綜合性能最高的礦物質(zhì)安全電纜，能夠滿足國家的安全要求，可以最大程度實現(xiàn)公眾和建筑的安全。

目前，架空的傳統(tǒng)電力電纜已經(jīng)無法滿足各行各業(yè)對電力的需求，更多的電力電纜由架空鋪設(shè)轉(zhuǎn)入地下鋪設(shè)，但電纜所處環(huán)境復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，導(dǎo)致故障查找困難，增加維修人員的工作量。如何在電纜發(fā)生故障前獲得報警信息，及時消除故障隱患，對電纜的快速維修具有重要意義。

在線監(jiān)測可以實現(xiàn)電纜絕緣狀態(tài)全天候監(jiān)測，是保證電纜正常工作的首要前提。由于電纜多鋪設(shè)于地下，一旦線路出現(xiàn)故障，對故障電路的查找遠(yuǎn)不如架空輸電線直觀，在這種情況下需要建立一個綜合有效的電纜在線監(jiān)測平臺，對電纜實現(xiàn)每時每刻的監(jiān)測，可以避免檢修時間較長的問題，提高工作效率。

1   礦物質(zhì)絕緣防火電纜結(jié)構(gòu)

目前，礦物質(zhì)絕緣防火電纜主要型號有YTTW、BTLY 等。本文選取的礦物質(zhì)絕緣電纜型號為BTLY，其電纜結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，它主要結(jié)構(gòu)包括銅芯導(dǎo)體、云母帶繞包、軋紋銅帶縱包焊接護(hù)套等部分。該電纜具備耐火、低煙、低毒、超A 類阻燃等特性，其中云母帶以礦物質(zhì)硅（Si）為原材料，具有絕緣且不燃燒特性；填充為玻璃纖維，也具備不燃燒特性；防火護(hù)套是一層聚烯烴材料，對電纜起防護(hù)作用，具有環(huán)保性能好，燃燒時只產(chǎn)生少量煙霧， 不產(chǎn)生有毒氣體等特點。

圖3 傳感器連接器直頭(左)、彎頭(右)

2   在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成

本文設(shè)計的在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要包括傳感器端和后臺程序監(jiān)控端兩大部分，傳感器與電纜相接后對電纜參數(shù)每時每刻進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、打包并進(jìn)行傳輸；而后臺程序監(jiān)控端是給工作人員提供一個現(xiàn)場監(jiān)控平臺。其中后臺監(jiān)控端是整個監(jiān)控系統(tǒng)得到核心，具備數(shù)據(jù)處理、分析等功能，實時接收各監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電纜線路的在線監(jiān)測。整個系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

因電纜布局復(fù)雜，常需要傳感器連接器對電纜進(jìn)行連接監(jiān)控，傳感器連接器包括可拆卸式連接器直頭及彎頭兩種，具體見圖3。對電纜進(jìn)行連接時大部分采用多點接地的方法, 即將電纜的屏蔽層兩端接地, 在中間加一個接地連接器, 以便于接地。

圖4 在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)硬件框圖

3   在線監(jiān)測系統(tǒng)框架設(shè)計

本文監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對接地線是否漏電、電纜所處的環(huán)境溫度及環(huán)境的相對濕度等的監(jiān)測，首先通過傳感器獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，以此評估電纜的絕緣狀態(tài)。當(dāng)電纜存在絕緣老化等狀態(tài)時，獲取的數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)間存在差異，工程師可以快速對電纜位置進(jìn)行快速定位并進(jìn)行維護(hù)。其硬件結(jié)構(gòu)包含兩個傳感器（電容電流傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器）、信號調(diào)理電路等諸多平臺組成，具體見圖4。在線監(jiān)測預(yù)警裝置的工作原理如下，首先電容電流傳感器、脈沖電流傳感器和環(huán)境溫濕度傳感器將獲取的信號傳輸至信號調(diào)理電路，經(jīng)濾波及量化處理后，ARM 微處理器對出現(xiàn)異常的區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，待數(shù)據(jù)處理完成后將數(shù)據(jù)通過GPRS 遠(yuǎn)程通訊模塊傳送至后臺監(jiān)控平臺，經(jīng)監(jiān)控平臺評估是否需要發(fā)出電纜預(yù)警信息。

4   在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主程序設(shè)計

本文設(shè)計的在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要程序流程圖見5，主要程序包括組成硬件的初始化、數(shù)據(jù)的獲取及分析、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)低功耗運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，系統(tǒng)首先會對系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)，電流傳感器，環(huán)境溫濕度傳感器以及各種模塊等進(jìn)行初始化過程。待初始化過程結(jié)束后傳感器開始工作，數(shù)據(jù)獲取及分析部分會將傳感器采集的各種信號進(jìn)行處理，并將處理的信號進(jìn)行打包等待通訊模塊發(fā)送給程序終端。

4.1 通訊模塊軟件

本系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊為GPRS模塊，在數(shù)據(jù)傳輸開始時首先需要登錄GSM 網(wǎng)絡(luò)，后臺服務(wù)器設(shè)置為靜態(tài)固有IP，通過后臺服務(wù)器固有IP 與后臺服務(wù)器進(jìn)行連接，后臺服務(wù)器與GPRS 通訊數(shù)據(jù)傳輸模塊之間通過固有靜態(tài)IP 地址利用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸^[3-4]。

圖6 是GPRS 通訊主流程圖，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸時GPRS 模塊首先通過服務(wù)器固有靜態(tài)IP 嘗試連接后臺服務(wù)器，若連接后臺服務(wù)器不成功，程序則直接跳轉(zhuǎn)至結(jié)束，終止運(yùn)行。若服務(wù)器固有靜態(tài)IP 與后臺服務(wù)器匹配，則代表連接成功，后臺服務(wù)器將向GPRS 通訊模塊發(fā)送是否注冊詢問命令，GPRS 通訊模塊則將注冊信息向后臺服務(wù)器發(fā)送，后臺服務(wù)器首先會判斷注冊特征碼是否正確，一旦注冊碼錯誤，程序?qū)o法運(yùn)行；當(dāng)注冊碼正確后，后臺服務(wù)器會將時間和最新固件版本發(fā)回至GPRS 通訊模塊^[5]； 然后系統(tǒng)的前端裝置會接著對此時的固件版本進(jìn)行判斷，若固件版本過低，待數(shù)據(jù)傳輸完畢后系統(tǒng)將對當(dāng)前的固件進(jìn)行自動下載并升級。若當(dāng)前固件版本無需升級，則通信結(jié)束。整個通訊過程是否完成的信號需要單片機(jī)進(jìn)行判定，當(dāng)單片機(jī)判定通信結(jié)束后，將斷開與后臺服務(wù)器的連接，結(jié)束整個通訊過程。

4.2 數(shù)據(jù)采集程序

當(dāng)采集程序開始采集數(shù)據(jù)時時，首先需要打開采集電源對采集程序的傳感器及電路進(jìn)行通電，保證數(shù)據(jù)采集程序電路是通電狀態(tài)。其次分別對單片機(jī)的端口（ADC端口）和DMA 傳輸進(jìn)行初始化，待初始化配置完成后將進(jìn)行數(shù)據(jù)采集程序。若數(shù)據(jù)采集失敗，則程序直接跳過ADC 端口和DMA 傳輸，直接對單片機(jī)進(jìn)行初始化，再次運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序。當(dāng)程序?qū)?shù)據(jù)采集完成時將進(jìn)行如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等的處理，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，將數(shù)據(jù)傳輸至GPRS 模塊等待發(fā)送。

本系統(tǒng)研發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器只進(jìn)行電容漏電流信號、脈沖漏電流信號、溫濕度信號這3 種信號的采樣。電容漏電流及環(huán)境溫濕度信號在短時間內(nèi)無法產(chǎn)生較明顯的變化，故數(shù)據(jù)采集為1 次·min^-1。而脈沖漏電流主要通過峰值進(jìn)行判定，峰值隨時間變化明顯，因此，脈沖漏電流數(shù)據(jù)采集頻率為1 次·s^-1。具體采集流程圖見6。

4.3 后臺監(jiān)控程序

后臺程序監(jiān)控的運(yùn)行平臺為微軟開發(fā)的Windows 系統(tǒng)，整個后臺監(jiān)控程序如圖8 所示，主要包含對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的模塊、電纜出現(xiàn)問題后的迅速定位模塊及最終的數(shù)據(jù)輸出模塊。目前城網(wǎng)電纜的布置主要分布于地下，布置方式是錯綜復(fù)雜的，電纜輸出范圍廣，后臺監(jiān)控程序通過建立數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對城網(wǎng)電纜各電參量的存儲，方便以后實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢和導(dǎo)出。而電纜的迅速定位模塊可對每一段電纜實現(xiàn)監(jiān)控，一旦電纜的絕緣狀態(tài)發(fā)生變化，在線監(jiān)測系統(tǒng)即可發(fā)出警報，通過定位模塊，管理人員及工程師可迅速定位至電纜問題端，第一時間對電纜進(jìn)行維護(hù)，最大程度降低財產(chǎn)的損失。

電纜的監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通過實時采集的電纜運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合電纜的實際運(yùn)行情況，利用模糊數(shù)學(xué)的手段實現(xiàn)電纜的絕緣狀態(tài)評估，判定是否需要向后臺程序發(fā)出預(yù)警信號。因在線監(jiān)測系統(tǒng)中電纜運(yùn)行數(shù)據(jù)庫的存在，可將目前的運(yùn)行狀態(tài)與歷史的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比及趨勢分析，對電纜運(yùn)行狀態(tài)做出預(yù)測。

4.4 電纜在線監(jiān)測的優(yōu)勢

1）在線監(jiān)測不需要切斷電源即可使電纜正常運(yùn)行，可完全避免受斷電因素產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。

2）與日常生活中常見的以預(yù)防為主的試驗相比，該監(jiān)測系統(tǒng)一旦投入使用，可無需投入過多精力進(jìn)行維護(hù)，降低維護(hù)成本。

3）在電纜工作時，傳感器端實時獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，后臺程序可將電纜的實時信息直觀地反映出來，為管理人員對電纜的評估提供實時的數(shù)據(jù)信息。

4）可以實現(xiàn)每時每刻對電纜進(jìn)行監(jiān)控，獲取電纜的實時信息。

圖6 GPRS通訊流程圖

5   結(jié)語

本文提出了礦物質(zhì)絕緣電纜在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)總體構(gòu)架，并對硬件部分和軟件部分進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了對電纜絕緣狀態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的研發(fā)。該系統(tǒng)在線監(jiān)測電纜運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，并實現(xiàn)實時掌控，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的故障進(jìn)行快速維修，提高了管理人員的工作效率，顯著提高了設(shè)備的完好性，確保了供電系統(tǒng)的安全可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）