电缆接头温升在线监测系统的研究与设计_硬件部分
电缆接头温升在线监测系统的研究与设计_硬件部分[20191215171715]
摘 要
在采用电缆输电系统里面，充气并且绝缘的金属封闭开关设备中有90%的故障是因为进出线的电缆连接处出现问题,很大一部分是因为现场操作人员没有严格按照电缆的操作规范来具体操作,从而造成安装处的接触不可靠，温升超过了国家规定的允许范围，导致电缆终端的绝缘老化，破坏绝缘能力，严重的甚至出现击穿损坏，从而出现烧毁电缆接头的现象时而发生，因此，监测电缆接头温升具有非常重要的意义。
本文设计是基于高性能、高速度、低电压、低功耗单片机，有线通信和555和热敏电阻构成多谐振荡器等技术，通过监测电缆接头表面温度和附近环境温度进行对比，来计算温度补偿差值从而找到对应于内部的载流导体的发热温度的新方法。借助于555振荡电路将电阻量转化为频率量使其测量精度和抗干扰性得到了大大提高，从而可以满足电缆接头强磁场和强电场干扰下的温升测量问题。
经过试验对比，表明该方法测量准确，抗干扰能力强，测量精度可达土1.5°，可以满足实际测量的需要。
电缆接头温升在线监测系统由于具有测量传感器安装简单、方便，同时测量精度高，抗干扰能力强，还具有超温报警功能。该设计应用于实际生活中，对及时发现电缆接头热故障，避免电缆火灾事故，提高地下电缆供电的安全性具有非常重要的意义。
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关键字:电缆接头,温度监测,低功耗,PIC
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2电缆接头的发热现象及原因分析 1
1.3电缆头温升监测研究状况 2
1.4论文主要研究内容及章节安排 3
第二章 系统分析及方案设计 5
2.1 系统分析 5
2.2 测温方案比较 5
2.3系统总体设计 7
2.4 本章小结 8
第三章 监测系统的硬件设计 9
3.1 数据采集器的硬件设计 9
3.1.1温度采集模块 9
3.1.2 多通道选择模块设计 10
3.1.3电源模块设计 11
3.1.4 CPU 模块 14
3.1.5液晶显示模块 16
3.1.6 声光报警模块 17
3.2 RS485 有线通信接口的硬件设计 18
3.3本章小结 19
第四章监测系统的软件设计 20
4.1 监测系统软件总体设计 20
4.2数据采集器软件设计 20
4.2.1温度采集模块 21
4.2.2数据处理模块 21
4.2.3 液晶显示模块 22
4.2.4 存储模块 24
4.3 RS485 有线通信接口的软件设计 25
4.4 本章小结 27
第五章 高压设备电缆接头温升在线监测系统的上位机设计 28
5.1 总体设计 28
5.2 登录模块 29
5.3串口模块 29
5.4 数据管理模块 31
5.4.1报警值设置 31
5.4.2 数据查询 32
5.5用户管理模块 33
5.5.1修改密码 33
5.5.2 添加/删除用户 33
5.5.3 用户权限管理 35
5.6 本章小结 35
第六章系统测试 36
6.1功能测试 36
6.1.1 电源模块的测试 36
6.1.2温度采集模块的测试 36
6.2系统集成测试 37
6.2.1集成测试环境 37
6.2.2集成测试结果 38
6.3遇到的问题 39
6.4系统抗干扰措施 39
第七章 总结与展望 41
7.1 系统总结 41
7.2 系统展望 41
致谢 42
参考文献 <#47>....................................................................................................43 <#47><#47>
附录 A 实物图 ..................................................................................46
A.1 <#52> 测温系统实物 ............................................................................................. 4 <#52>6<#52>
A.2 <#52> 液晶显示实物图 <#52> .........................................................................................4 <#52>6<#52>
A.3 <#53> 上位机实物图 <#53> ..............................................................................................4 <#53>7<#53>
附录 B 英文翻译......................................................................................48
附录 C 设计任务书.................................................................................61
第1章 绪论
1.1 <#3>引言 <#3>
在采用电力电缆输送电能的专用电网里面，6~10kV的电缆平均每隔300~500m就有一个地方有电缆接头[]，据调查发现电缆接头引起的事故占电缆总事故的大约50%~65%。电网电缆进行有效并且及时的监测，排除隐患中的故障，对于电网安全运行具有重大的影响。电力电缆的表面温度与内部线芯温度的对应关系取决于电缆的结构和负载电流[]。在不同的载流量下，电缆的表面温度与线芯温度呈线性正增长关系[]。电缆接头温升在线监测系统的设计，就是为了对电缆温度进行记录和分析，从而有效地地进行电故障判断，找到存在于电缆中的隐患。该电缆头测温设计是基于高性能和速度、低电压和功耗单片机，有线通信和多谐振荡器等技术，通过监测电缆接头表面温度和附近环境温度，来计算温度补偿差值从而找到对应于内部的载流导体的发热温度。该测量方法有较高的安全性和可靠性，并且测量的数据也精准，适合用在新设备安装或者老设备改造。该设计应用于实际生活中，对于避免电缆火灾事故，提高地下电缆供电的安全性有重要意义
1.2 <#4>电缆接头的发热现 <#4>象及原因分析
1. 电缆接头发热现象及危害
电线接头发热，首先表现为电线接头周围产生异味，气味可以闻到，这是因为电线接头发热导致其外包绝缘层产生气味；其次，电线接头处冒烟、发红、外包绝缘层发黑、冒火，甚至断线[]。电缆头发热不仅会导致大量的电能损失，而且会严重影响电气设备的正常工作，线路中工作电流增大，电气设备寿命减短，甚至会突然中断正在运行中的电气设备，还可能造成火灾及触电等事故，造成难以估量的损失[]。
2. 电线接头发热的原因
某些电气安装员在铺设电缆的时候，常常对安装的质量不注意：在应该要使用绝缘套管的地方没有安装套管；在应该使用接线盒处也没有安装接线盒；有的甚至在电缆接头处不采用绞接方法，反而采用违章的弯钩状连接方法。弯钩状的连接方法接触电阻很大，通电时一直发热，会导致附近的木板渐渐干燥、炭化，最后燃烧，引发火灾[]。通过综合分析电缆头发热大概有以下几种原因：设备的安装、修理时接头没有拧紧，当电流流过后可能会发热，甚至发红、冒烟、冒火、断线，导线与开关、用电器等通过线线柱连接，由于施工时粗心，接线柱上面不加垫圈，锣帽也没有拧紧，这都会导致接触电阻增大[]。长时间运行接头也可能变松，一些接头在安装时候质量是相对较好的，但因为热胀冷缩，或长期受振动，会导致接头变松，导致接头处电阻增大，极其容易变成发热点。通过以上说明，电缆接点发热的主要原因是接触电阻变大。
1.3 <#5>电缆头温升监测研究状况 <#5>
电力系统高压设备的温度测量，按照电气设备的类型，主要可分成变电站 10kV, 以上电压等级的户外配电装置的接触点测温，6~35kV , 电压等级的户内配电柜内配电装置接触点测温，以及主要用于电厂的电缆及电缆接头的测温[]。前面两个要测温的地方很多，一直停留在人工巡检 阶段。变电站实行无人值班之后，调度运行及变电管理迫切要求将变电站内各种类型高压电气设备接触点的温度实施在线监测，但由于缺乏在线温度监测的方法，电网调度自动化及变电站自动化的标准和设计规程中都没有办法将它列入。电缆接头的测点数量较少，但其测温关系到防止电缆接头过热导致电缆爆炸起火，十分重要。由于高压电缆都有接地的绝缘层，它的测温是在电缆不带电的外皮上进行实际不是高压设备的带电测量，一些非带电测量的方法可以用，目前已试用了自动测温措施[][]。
对于以上高压带电设备测温，除目前各个电网依旧在沿用的方法即在被测接点上粘贴上特殊的腊片，定期检查，依据蜡片的变色程度或者熔化程度来推测接点的温度这一相对原始的方法外，目前测温法有热敏电阻测温、光纤测温和红外测温三个定量测量的方法。光纤测温法已经有很多种产品，并且已投入电缆测温试用中，但是还不能在户外的高压配电装置和户内的配电柜内的接点温度在线测量应用中实现[]。红外测温现目前只能实现人工操作，由于它已经被认定为电力行业标准（DL/T 664 -1999），并且在实际的应用里也不可或缺，因此在本文中也进行了讨论。最近研制成功的并投入运行的热敏电阻型测温系统很好的解决了户内外高压配电装置的接点温度的测量问题，但是它在电缆沟内电缆测温的使用中，也存在局限性[]。现在目前可能还没有研究出一种温度监测系统能够满足所有的高压电气设备的在线温度测量要求，在某些情况下还有将不同的系统配合以满足各种类型的设备温度测量要求的需要。
1.4 <#6>论文主要研究内容及章节安排 <#6>
通过研究现目前有的高压设备电缆头温度监测理论并且根据该课题的相关要求，初定系统主要实现以下功能：
1.温度采集：温度是用来判断系统是否正常工作的重要参数，而依据表面温度和外部温度来计算温度补偿差，间接得出电缆接头内部温度，从而判断出电缆接头的温度是否在正常工作范围内。
2.按键设置及温度显示：系统在线监测过程中需要完成参数的设定、实时温度的显示以及当前状态的显示。
3.报警模块：监测系统在运行过程中，可能会出现各种故障，为了保证安全运行，需要及时提醒操作人员，因此设置了声光报警模块。
4.数据的传输：为了方便上位机记录和存储温度数据，给操作人员进行分析，设置了数据传送模块。
5.抗干扰：因为系统工作环境较为恶劣，而要数据传输可靠、没有误码和噪声，系统工作能够稳定可靠，则需要从软件和硬件方面同时考虑抗干扰问题。
本文的章节安排如下：
第一章是分析高压设备的电缆接头温升监测的研究状况，并且借用数据和前人调查结论阐述了发热现象及发热原因，同时论述了现阶段国内外研究的情况，可采用的方法，适用的范围，还有各方法的优势和缺陷以及可实施性，最终根据实际需求及可行性，确定了本文的主要研究内容。
摘 要
在采用电缆输电系统里面，充气并且绝缘的金属封闭开关设备中有90%的故障是因为进出线的电缆连接处出现问题,很大一部分是因为现场操作人员没有严格按照电缆的操作规范来具体操作,从而造成安装处的接触不可靠，温升超过了国家规定的允许范围，导致电缆终端的绝缘老化，破坏绝缘能力，严重的甚至出现击穿损坏，从而出现烧毁电缆接头的现象时而发生，因此，监测电缆接头温升具有非常重要的意义。
本文设计是基于高性能、高速度、低电压、低功耗单片机，有线通信和555和热敏电阻构成多谐振荡器等技术，通过监测电缆接头表面温度和附近环境温度进行对比，来计算温度补偿差值从而找到对应于内部的载流导体的发热温度的新方法。借助于555振荡电路将电阻量转化为频率量使其测量精度和抗干扰性得到了大大提高，从而可以满足电缆接头强磁场和强电场干扰下的温升测量问题。
经过试验对比，表明该方法测量准确，抗干扰能力强，测量精度可达土1.5°，可以满足实际测量的需要。
电缆接头温升在线监测系统由于具有测量传感器安装简单、方便，同时测量精度高，抗干扰能力强，还具有超温报警功能。该设计应用于实际生活中，对及时发现电缆接头热故障，避免电缆火灾事故，提高地下电缆供电的安全性具有非常重要的意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电缆接头,温度监测,低功耗,PIC
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2电缆接头的发热现象及原因分析 1
1.3电缆头温升监测研究状况 2
1.4论文主要研究内容及章节安排 3
第二章 系统分析及方案设计 5
2.1 系统分析 5
2.2 测温方案比较 5
2.3系统总体设计 7
2.4 本章小结 8
第三章 监测系统的硬件设计 9
3.1 数据采集器的硬件设计 9
3.1.1温度采集模块 9
3.1.2 多通道选择模块设计 10
3.1.3电源模块设计 11
3.1.4 CPU 模块 14
3.1.5液晶显示模块 16
3.1.6 声光报警模块 17
3.2 RS485 有线通信接口的硬件设计 18
3.3本章小结 19
第四章监测系统的软件设计 20
4.1 监测系统软件总体设计 20
4.2数据采集器软件设计 20
4.2.1温度采集模块 21
4.2.2数据处理模块 21
4.2.3 液晶显示模块 22
4.2.4 存储模块 24
4.3 RS485 有线通信接口的软件设计 25
4.4 本章小结 27
第五章 高压设备电缆接头温升在线监测系统的上位机设计 28
5.1 总体设计 28
5.2 登录模块 29
5.3串口模块 29
5.4 数据管理模块 31
5.4.1报警值设置 31
5.4.2 数据查询 32
5.5用户管理模块 33
5.5.1修改密码 33
5.5.2 添加/删除用户 33
5.5.3 用户权限管理 35
5.6 本章小结 35
第六章系统测试 36
6.1功能测试 36
6.1.1 电源模块的测试 36
6.1.2温度采集模块的测试 36
6.2系统集成测试 37
6.2.1集成测试环境 37
6.2.2集成测试结果 38
6.3遇到的问题 39
6.4系统抗干扰措施 39
第七章 总结与展望 41
7.1 系统总结 41
7.2 系统展望 41
致谢 42
参考文献 <#47>....................................................................................................43 <#47><#47>
附录 A 实物图 ..................................................................................46
A.1 <#52> 测温系统实物 ............................................................................................. 4 <#52>6<#52>
A.2 <#52> 液晶显示实物图 <#52> .........................................................................................4 <#52>6<#52>
A.3 <#53> 上位机实物图 <#53> ..............................................................................................4 <#53>7<#53>
附录 B 英文翻译......................................................................................48
附录 C 设计任务书.................................................................................61
第1章 绪论
1.1 <#3>引言 <#3>
在采用电力电缆输送电能的专用电网里面，6~10kV的电缆平均每隔300~500m就有一个地方有电缆接头[]，据调查发现电缆接头引起的事故占电缆总事故的大约50%~65%。电网电缆进行有效并且及时的监测，排除隐患中的故障，对于电网安全运行具有重大的影响。电力电缆的表面温度与内部线芯温度的对应关系取决于电缆的结构和负载电流[]。在不同的载流量下，电缆的表面温度与线芯温度呈线性正增长关系[]。电缆接头温升在线监测系统的设计，就是为了对电缆温度进行记录和分析，从而有效地地进行电故障判断，找到存在于电缆中的隐患。该电缆头测温设计是基于高性能和速度、低电压和功耗单片机，有线通信和多谐振荡器等技术，通过监测电缆接头表面温度和附近环境温度，来计算温度补偿差值从而找到对应于内部的载流导体的发热温度。该测量方法有较高的安全性和可靠性，并且测量的数据也精准，适合用在新设备安装或者老设备改造。该设计应用于实际生活中，对于避免电缆火灾事故，提高地下电缆供电的安全性有重要意义
1.2 <#4>电缆接头的发热现 <#4>象及原因分析
1. 电缆接头发热现象及危害
电线接头发热，首先表现为电线接头周围产生异味，气味可以闻到，这是因为电线接头发热导致其外包绝缘层产生气味；其次，电线接头处冒烟、发红、外包绝缘层发黑、冒火，甚至断线[]。电缆头发热不仅会导致大量的电能损失，而且会严重影响电气设备的正常工作，线路中工作电流增大，电气设备寿命减短，甚至会突然中断正在运行中的电气设备，还可能造成火灾及触电等事故，造成难以估量的损失[]。
2. 电线接头发热的原因
某些电气安装员在铺设电缆的时候，常常对安装的质量不注意：在应该要使用绝缘套管的地方没有安装套管；在应该使用接线盒处也没有安装接线盒；有的甚至在电缆接头处不采用绞接方法，反而采用违章的弯钩状连接方法。弯钩状的连接方法接触电阻很大，通电时一直发热，会导致附近的木板渐渐干燥、炭化，最后燃烧，引发火灾[]。通过综合分析电缆头发热大概有以下几种原因：设备的安装、修理时接头没有拧紧，当电流流过后可能会发热，甚至发红、冒烟、冒火、断线，导线与开关、用电器等通过线线柱连接，由于施工时粗心，接线柱上面不加垫圈，锣帽也没有拧紧，这都会导致接触电阻增大[]。长时间运行接头也可能变松，一些接头在安装时候质量是相对较好的，但因为热胀冷缩，或长期受振动，会导致接头变松，导致接头处电阻增大，极其容易变成发热点。通过以上说明，电缆接点发热的主要原因是接触电阻变大。
1.3 <#5>电缆头温升监测研究状况 <#5>
电力系统高压设备的温度测量，按照电气设备的类型，主要可分成变电站 10kV, 以上电压等级的户外配电装置的接触点测温，6~35kV , 电压等级的户内配电柜内配电装置接触点测温，以及主要用于电厂的电缆及电缆接头的测温[]。前面两个要测温的地方很多，一直停留在人工巡检 阶段。变电站实行无人值班之后，调度运行及变电管理迫切要求将变电站内各种类型高压电气设备接触点的温度实施在线监测，但由于缺乏在线温度监测的方法，电网调度自动化及变电站自动化的标准和设计规程中都没有办法将它列入。电缆接头的测点数量较少，但其测温关系到防止电缆接头过热导致电缆爆炸起火，十分重要。由于高压电缆都有接地的绝缘层，它的测温是在电缆不带电的外皮上进行实际不是高压设备的带电测量，一些非带电测量的方法可以用，目前已试用了自动测温措施[][]。
对于以上高压带电设备测温，除目前各个电网依旧在沿用的方法即在被测接点上粘贴上特殊的腊片，定期检查，依据蜡片的变色程度或者熔化程度来推测接点的温度这一相对原始的方法外，目前测温法有热敏电阻测温、光纤测温和红外测温三个定量测量的方法。光纤测温法已经有很多种产品，并且已投入电缆测温试用中，但是还不能在户外的高压配电装置和户内的配电柜内的接点温度在线测量应用中实现[]。红外测温现目前只能实现人工操作，由于它已经被认定为电力行业标准（DL/T 664 -1999），并且在实际的应用里也不可或缺，因此在本文中也进行了讨论。最近研制成功的并投入运行的热敏电阻型测温系统很好的解决了户内外高压配电装置的接点温度的测量问题，但是它在电缆沟内电缆测温的使用中，也存在局限性[]。现在目前可能还没有研究出一种温度监测系统能够满足所有的高压电气设备的在线温度测量要求，在某些情况下还有将不同的系统配合以满足各种类型的设备温度测量要求的需要。
1.4 <#6>论文主要研究内容及章节安排 <#6>
通过研究现目前有的高压设备电缆头温度监测理论并且根据该课题的相关要求，初定系统主要实现以下功能：
1.温度采集：温度是用来判断系统是否正常工作的重要参数，而依据表面温度和外部温度来计算温度补偿差，间接得出电缆接头内部温度，从而判断出电缆接头的温度是否在正常工作范围内。
2.按键设置及温度显示：系统在线监测过程中需要完成参数的设定、实时温度的显示以及当前状态的显示。
3.报警模块：监测系统在运行过程中，可能会出现各种故障，为了保证安全运行，需要及时提醒操作人员，因此设置了声光报警模块。
4.数据的传输：为了方便上位机记录和存储温度数据，给操作人员进行分析，设置了数据传送模块。
5.抗干扰：因为系统工作环境较为恶劣，而要数据传输可靠、没有误码和噪声，系统工作能够稳定可靠，则需要从软件和硬件方面同时考虑抗干扰问题。
本文的章节安排如下：
第一章是分析高压设备的电缆接头温升监测的研究状况，并且借用数据和前人调查结论阐述了发热现象及发热原因，同时论述了现阶段国内外研究的情况，可采用的方法，适用的范围，还有各方法的优势和缺陷以及可实施性，最终根据实际需求及可行性，确定了本文的主要研究内容。
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