电缆接头温升在线监测系统
电缆接头温升在线监测系统[20191215171731]
摘 要
电力电缆在电力系统中应用越来越广泛，实现电缆的安全、可靠和经济运行对保证电力系统的安全性和经济性具有十分重要的意义，在电缆运行过程中，电缆接头连接处由于操作人员没有按照工艺要求进行连接，导致连接处温升过高，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。
本课题提出采用热敏电阻，通过测量电缆接头表面温度和环境温度对比方法，间接判断电缆接头温升的新方法，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，对及时发现电缆接头热故障具有非常重要的意义。
摘 要....................................................Ⅰ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电缆接头；温度；在线监测
目录
ABSTRACT...............................................Ⅱ
第1章 绪论................................................1
1.1选题背景 1
1.2选题意义 1
1.3发展现状 2
1.4论文的章节安排 4
第2章 监测系统的总体设计方案..............................5
2.1系统总体设计方案 5
2.2系统的硬件设计方案 5
2.3系统的软件设计方案 6
2.3.1编写上位机程序语言比较 6
2.3.2编写C#所用的软件 7
2.4本章小结 8
第3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 10
3.1.2多通道选择模块 10
3.1.3电源模块 11
3.1.4 CPU模块 11
3.1.5液晶显示模块 12
3.1.6 声光报警模块 13
3.2 RS485有线通信接口的硬件设计 14
3.3本章小结 15
第四章 监测系统的软件设计(下位机)........................ 16
4.1 监测系统软件（下位机）总体设计 16
4.2 数据采集器软件设计 17
4.2.1 温度采集模块 17
4.2.2 数据处理模块 18
4.2.3 液晶显示模块 18
4.2.4 存储模块 19
4.3 RS485 有线通信接口的软件设计 19
4.4 本章小结 20
第5章 监测系统的软件设计（上位机）.......................21
5.1监测系统软件（上位机）总体设计 21
5.2 初始化界面 22
5.3分析报表界面 25
5.4实时曲线界面 27
5.5温度采集界面 30
5.6主界面 32
5.7本章小结 33
第6章 系统测试...........................................34
6.1 系统功能测试 34
6.2 系统集成测试 34
6.3系统集成测试的结果 35
第7章 总结与展望.........................................37
7.1系统的总结 37
7.2系统的展望 37
参考文献..................................................39
致 谢....................................................42
附图、附录................................................43
附1.电缆头测温实物图 43
附2.液晶显示图 43
英文翻译..................................................45
任务书....................................................59
第1章 绪论
1.1选题背景
随着我国科学发展观的深入人心，人们越来越注重利用科学技术来解决问题。现今社会电缆线的覆盖率正在快速的增加，而由于技术的不成熟，导致电缆经常发生故障，这些故障大多是因为电缆连接线处出的问题，其大部分的原因是现场人员由于没有严格按照电缆的操作规范工作，人们无法检测安装好的电缆是否可靠，容易造成安装处接触不可靠。运行时，安设处温升高出国家规定的许可限度，使得包裹电缆接头的橡胶保护膜绝缘老化，破坏了保护膜的绝缘能力，造成单相接地故障或相间短路的事故。还有一部分原因是电缆接头受各种原因的影响导致接头温度升高，电缆接头的最高温度一般不能超过70℃，超过了该温度不但会造成大量的电能损失，而且会对电气设备的正常工作造成严重的影响，轻则线路中工作电流增大，电气设备寿命缩小，重则正在进行中的科研、生产、医疗手术和其它活动会突然中断，甚至会导致火灾和触电事故等，造成不可估量的损失。
电缆接头的温升发热部分因为包裹在绝缘体内，其内部的温度无法在外部测量得知，所以在技术不成熟前人们一般通过以下几种方法来判别电缆接头是否有温升等问题：一，闻法；二，蜡烛试法；三，观察法；四，用测温仪。虽然这些方法也能够判别出来但是大量消耗人力物力，不够简单快捷，而且没有报警功能，更加加大了工作的难度，同时它还需要有经验的人来做这种事。所以以上四种方法在当今飞速发展的社会适不适合的。
1.2选题意义
通过以上的背景介绍我们很容易想到问题的关键点，就是电缆接头发热以及电缆接头温度的测量。电缆接头发热的原因主要来自以下三种原因：
（1）焦耳热，是电流通过导体时，导体电阻损耗的热能。对于交流设备还需注意集肤效应[1]和邻近效应[2]。所谓集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，而非平均分布于整个导体的截面积中。当相邻的导线流过电流时，电流磁场会发生改变，从而形成邻近效应。邻近效应比集肤效应的影响更严重，因为集肤效应电流的幅值没有改变，只是增加了铜损。从相反的观念来看，邻近效应中的涡流是由相邻的绕组电流层变化的磁场产生的，并以指数级增长匝数的速度增加。
（2）感应热，是指附近的钢铁件会在导体通电后，产生铁磁损耗（主要包括涡流和磁滞损耗），尤其是穿过闭合的钢铁件。可以采用以下两种方法来减少:一是改用无磁钢、黄铜、硅铝合金等材料；二是采用非磁性间隙，即使铁磁材料不形成闭环，在间隙中填充非磁材料以减少磁通量[2][3]。
（3）介质热，是指在交变电场作用下，绝缘体产生的损耗。介质损耗和电场强度、频率成正比。通常作为环氧树脂浇注的极柱、导体筒和套管，需考虑这种高频电场的影响。
为了能够测出电缆接头的温度，本文依据热学理论，将热敏电阻靠近电缆线接头处，通过反复实验，得出在电缆线接头处的温度并与环境温度比较，它们的差值可以看出电缆接头是否产生发热过度的现象，实现了电缆头的发热温度在线测量，该测量方法安全可靠，测量数据精确、可靠，通过RS485[4]通讯可以实时的将温度发送至后台监控中心。由于器件的功率消耗很低，电能量的高压电源指示灯可直接利用，无需另配电源（除需RS485通讯外），因此，可直接无源完成带电指示和电缆头在线测温功能。
1.3发展现状
当电缆被越来越广泛地用于人类生活中，相应而来的故障和危害也就越来越大，凡事都是有两面性的，为了克服电缆接头温升带来的危害，国内外设计出各种不同的方法来在线监测电缆接头。
在国外，电缆监测系统的研究起源较早，在上个世纪七十年代，许多发达国家已经逐渐开始建立导频功率电缆检测系统，而且随着监测终端的发展，它的功能也从单一方式的通信方式逐步转变为一种多样化、智能化的通信方式。现阶段，很多西方发达国家已经开始着手于通过配电监测设备对电力系统电能质量进行监控研究。在加拿大的Power MeasurementLtd．公司，已经开发出了先进性的电力综合监控设备，功能齐全，包括采集、测量、控制以及通信等，并且通过性能极高的DSP芯片[5]对数字信号进行处理，极大的增强了微机继电保护的功能。然而，外国的产品存在操作复杂的难题，我国与之相比在技术上存在很大的差异，而且成本费也比较高，不与我国目前的经济能力及社会发展现状相适应。
从上个世纪九十年代开始，我们国家逐渐对电力电缆监测系统进行研究，研究的时间不及一些发达国家。但最近几年，随着互联网应用的深入和计算机科学技术的快速发展，中国电力行业的许多研究机构和制造商逐渐开始各类配电监控终端的研究与开发，以全面适应配电网综合自动化的进程。
从配电终端硬件设计方面来看，监测系统从最初的CPU单结构渐渐发展到多结构，经过不断的改革改进，一直发展到目前的CPU+DSP+EPLD技术。考虑到谐波检测和故障检测的可靠性要求以及对实时分析的需求。在硬件设计中，数据处理技术、数字信号处理器的采样高速化、数据处理的冗余设计等逐步成为应用较为广泛的技术。目前，有四种基本类型的终端硬件设计。
由于需求非常迫切，在这十年里在线监测系统与先进传感器技术以及先进算法是处于平行开发阶段；2003年日本住友公司和韩国LS公司开发了这种监测系统，其特征是首次将DTS[6]和DCR[7][8]动态载流量算法和传统的监测任务（环流、井水位、门禁）集成在一个系统中，并启动了对局放监测的集成研发。北京电力在2008年实现了以一个城市为监测范围的集中监测系统，覆盖了北京城区隧道内200多公里的主要电缆，其中还包括对井盖的监控，同时提供了GIS[9]功能。此外，德国安凯特电缆公司在欧洲，在北美区域加拿大的CYME公司成功实现了仅包括了DTS和DCR的监测系统。这些系统实现了基本功能，但至少有一个下列问题：
（1）检测层和监测层区分不明确，增加了设备以及通讯接口的复杂程度；通讯协议具有特殊性和例外，设备供应商和集成商的实施成本以及维护成本被提高了，同时也导致了可靠性和和扩展性的降低；
（2）数据管理层和监测层区分不明确，数据的实用性较差；先进算法通常有两个层次：基于数据挖掘的非在线计算和实时监测计算，显然前者应使用在数据管理层，后者使用在监测层。
（3）数据库的结构设计缺乏灵活性，比较死板。无法有效进行输入输出和保存先进状态变量以及监测计算的变量；在这一点上，没有借鉴SCADA数据库[10]的动态表特性。
这些问题的产生主要是由于这些系统在开发的时候，先进传感器及先进算法没有完全成熟或被系统性地分析，造成了系统结构设计欠妥的局面。
摘 要
电力电缆在电力系统中应用越来越广泛，实现电缆的安全、可靠和经济运行对保证电力系统的安全性和经济性具有十分重要的意义，在电缆运行过程中，电缆接头连接处由于操作人员没有按照工艺要求进行连接，导致连接处温升过高，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。
本课题提出采用热敏电阻，通过测量电缆接头表面温度和环境温度对比方法，间接判断电缆接头温升的新方法，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，对及时发现电缆接头热故障具有非常重要的意义。
摘 要....................................................Ⅰ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电缆接头；温度；在线监测
目录
ABSTRACT...............................................Ⅱ
第1章 绪论................................................1
1.1选题背景 1
1.2选题意义 1
1.3发展现状 2
1.4论文的章节安排 4
第2章 监测系统的总体设计方案..............................5
2.1系统总体设计方案 5
2.2系统的硬件设计方案 5
2.3系统的软件设计方案 6
2.3.1编写上位机程序语言比较 6
2.3.2编写C#所用的软件 7
2.4本章小结 8
第3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 10
3.1.2多通道选择模块 10
3.1.3电源模块 11
3.1.4 CPU模块 11
3.1.5液晶显示模块 12
3.1.6 声光报警模块 13
3.2 RS485有线通信接口的硬件设计 14
3.3本章小结 15
第四章 监测系统的软件设计(下位机)........................ 16
4.1 监测系统软件（下位机）总体设计 16
4.2 数据采集器软件设计 17
4.2.1 温度采集模块 17
4.2.2 数据处理模块 18
4.2.3 液晶显示模块 18
4.2.4 存储模块 19
4.3 RS485 有线通信接口的软件设计 19
4.4 本章小结 20
第5章 监测系统的软件设计（上位机）.......................21
5.1监测系统软件（上位机）总体设计 21
5.2 初始化界面 22
5.3分析报表界面 25
5.4实时曲线界面 27
5.5温度采集界面 30
5.6主界面 32
5.7本章小结 33
第6章 系统测试...........................................34
6.1 系统功能测试 34
6.2 系统集成测试 34
6.3系统集成测试的结果 35
第7章 总结与展望.........................................37
7.1系统的总结 37
7.2系统的展望 37
参考文献..................................................39
致 谢....................................................42
附图、附录................................................43
附1.电缆头测温实物图 43
附2.液晶显示图 43
英文翻译..................................................45
任务书....................................................59
第1章 绪论
1.1选题背景
随着我国科学发展观的深入人心，人们越来越注重利用科学技术来解决问题。现今社会电缆线的覆盖率正在快速的增加，而由于技术的不成熟，导致电缆经常发生故障，这些故障大多是因为电缆连接线处出的问题，其大部分的原因是现场人员由于没有严格按照电缆的操作规范工作，人们无法检测安装好的电缆是否可靠，容易造成安装处接触不可靠。运行时，安设处温升高出国家规定的许可限度，使得包裹电缆接头的橡胶保护膜绝缘老化，破坏了保护膜的绝缘能力，造成单相接地故障或相间短路的事故。还有一部分原因是电缆接头受各种原因的影响导致接头温度升高，电缆接头的最高温度一般不能超过70℃，超过了该温度不但会造成大量的电能损失，而且会对电气设备的正常工作造成严重的影响，轻则线路中工作电流增大，电气设备寿命缩小，重则正在进行中的科研、生产、医疗手术和其它活动会突然中断，甚至会导致火灾和触电事故等，造成不可估量的损失。
电缆接头的温升发热部分因为包裹在绝缘体内，其内部的温度无法在外部测量得知，所以在技术不成熟前人们一般通过以下几种方法来判别电缆接头是否有温升等问题：一，闻法；二，蜡烛试法；三，观察法；四，用测温仪。虽然这些方法也能够判别出来但是大量消耗人力物力，不够简单快捷，而且没有报警功能，更加加大了工作的难度，同时它还需要有经验的人来做这种事。所以以上四种方法在当今飞速发展的社会适不适合的。
1.2选题意义
通过以上的背景介绍我们很容易想到问题的关键点，就是电缆接头发热以及电缆接头温度的测量。电缆接头发热的原因主要来自以下三种原因：
（1）焦耳热，是电流通过导体时，导体电阻损耗的热能。对于交流设备还需注意集肤效应[1]和邻近效应[2]。所谓集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，而非平均分布于整个导体的截面积中。当相邻的导线流过电流时，电流磁场会发生改变，从而形成邻近效应。邻近效应比集肤效应的影响更严重，因为集肤效应电流的幅值没有改变，只是增加了铜损。从相反的观念来看，邻近效应中的涡流是由相邻的绕组电流层变化的磁场产生的，并以指数级增长匝数的速度增加。
（2）感应热，是指附近的钢铁件会在导体通电后，产生铁磁损耗（主要包括涡流和磁滞损耗），尤其是穿过闭合的钢铁件。可以采用以下两种方法来减少:一是改用无磁钢、黄铜、硅铝合金等材料；二是采用非磁性间隙，即使铁磁材料不形成闭环，在间隙中填充非磁材料以减少磁通量[2][3]。
（3）介质热，是指在交变电场作用下，绝缘体产生的损耗。介质损耗和电场强度、频率成正比。通常作为环氧树脂浇注的极柱、导体筒和套管，需考虑这种高频电场的影响。
为了能够测出电缆接头的温度，本文依据热学理论，将热敏电阻靠近电缆线接头处，通过反复实验，得出在电缆线接头处的温度并与环境温度比较，它们的差值可以看出电缆接头是否产生发热过度的现象，实现了电缆头的发热温度在线测量，该测量方法安全可靠，测量数据精确、可靠，通过RS485[4]通讯可以实时的将温度发送至后台监控中心。由于器件的功率消耗很低，电能量的高压电源指示灯可直接利用，无需另配电源（除需RS485通讯外），因此，可直接无源完成带电指示和电缆头在线测温功能。
1.3发展现状
当电缆被越来越广泛地用于人类生活中，相应而来的故障和危害也就越来越大，凡事都是有两面性的，为了克服电缆接头温升带来的危害，国内外设计出各种不同的方法来在线监测电缆接头。
在国外，电缆监测系统的研究起源较早，在上个世纪七十年代，许多发达国家已经逐渐开始建立导频功率电缆检测系统，而且随着监测终端的发展，它的功能也从单一方式的通信方式逐步转变为一种多样化、智能化的通信方式。现阶段，很多西方发达国家已经开始着手于通过配电监测设备对电力系统电能质量进行监控研究。在加拿大的Power MeasurementLtd．公司，已经开发出了先进性的电力综合监控设备，功能齐全，包括采集、测量、控制以及通信等，并且通过性能极高的DSP芯片[5]对数字信号进行处理，极大的增强了微机继电保护的功能。然而，外国的产品存在操作复杂的难题，我国与之相比在技术上存在很大的差异，而且成本费也比较高，不与我国目前的经济能力及社会发展现状相适应。
从上个世纪九十年代开始，我们国家逐渐对电力电缆监测系统进行研究，研究的时间不及一些发达国家。但最近几年，随着互联网应用的深入和计算机科学技术的快速发展，中国电力行业的许多研究机构和制造商逐渐开始各类配电监控终端的研究与开发，以全面适应配电网综合自动化的进程。
从配电终端硬件设计方面来看，监测系统从最初的CPU单结构渐渐发展到多结构，经过不断的改革改进，一直发展到目前的CPU+DSP+EPLD技术。考虑到谐波检测和故障检测的可靠性要求以及对实时分析的需求。在硬件设计中，数据处理技术、数字信号处理器的采样高速化、数据处理的冗余设计等逐步成为应用较为广泛的技术。目前，有四种基本类型的终端硬件设计。
由于需求非常迫切，在这十年里在线监测系统与先进传感器技术以及先进算法是处于平行开发阶段；2003年日本住友公司和韩国LS公司开发了这种监测系统，其特征是首次将DTS[6]和DCR[7][8]动态载流量算法和传统的监测任务（环流、井水位、门禁）集成在一个系统中，并启动了对局放监测的集成研发。北京电力在2008年实现了以一个城市为监测范围的集中监测系统，覆盖了北京城区隧道内200多公里的主要电缆，其中还包括对井盖的监控，同时提供了GIS[9]功能。此外，德国安凯特电缆公司在欧洲，在北美区域加拿大的CYME公司成功实现了仅包括了DTS和DCR的监测系统。这些系统实现了基本功能，但至少有一个下列问题：
（1）检测层和监测层区分不明确，增加了设备以及通讯接口的复杂程度；通讯协议具有特殊性和例外，设备供应商和集成商的实施成本以及维护成本被提高了，同时也导致了可靠性和和扩展性的降低；
（2）数据管理层和监测层区分不明确，数据的实用性较差；先进算法通常有两个层次：基于数据挖掘的非在线计算和实时监测计算，显然前者应使用在数据管理层，后者使用在监测层。
（3）数据库的结构设计缺乏灵活性，比较死板。无法有效进行输入输出和保存先进状态变量以及监测计算的变量；在这一点上，没有借鉴SCADA数据库[10]的动态表特性。
这些问题的产生主要是由于这些系统在开发的时候，先进传感器及先进算法没有完全成熟或被系统性地分析，造成了系统结构设计欠妥的局面。
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