电力电缆火灾在线监测系统的设计

2017-04-22  来自: 陕西亿利通电气科技有限公司 浏览次数:410

火电厂、变电站电力电缆长期运行在高电压、大电流环境下,其接头容易超温过热,引起爆炸,导致火灾,建立电力电缆火灾在线监测系统具有必要性。为此,介绍发电厂电力电缆火灾在线监测系统的总体设计,硬件结构及接口设计。该系统的现场子站设计采用了新型数字式温度传感器,不仅功能强、可靠性高,而且兼有耗能低,体积小的优点。

国家电力公司发输电运营部在《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第1.1.10条规定: “应尽量减少电缆中间头的数量。如需要,应按工艺要求制作安装电缆头,经质量验收合格后,再用耐火防爆槽盒将其封闭”。如何很好地执行该要求?虽然一些电厂对电缆接头施行防爆处理,然而这种方法只是一种事后处理的方法。笔者认为对电力电缆进行在线监测是对电缆接头采取的较有效的事前预防防爆措施,因此,研究和开发电力电缆火灾在线监测系统势在必行。

1 开发电力电缆火灾在线监测系统的必要性

各发电厂和变电站都敷设有距离较长、走向复杂的电力电缆,这些电缆长期运行在高电压、大电流环境下,容易引起温度上升、温度异常,引起电缆接头爆炸,造成火灾[1]。现在全国运行的电力电缆故障80%以上是由于电力电缆附件故障引起的,其中电缆接头引起的事故占一半以上。电缆接头在沟道或隧道中敷设时相距其他运行电缆较近,因此要防止故障电缆引燃其他运行电缆。电力电缆敷设距离长、走向复杂,而运行人员定期巡视的方法、巡视间隔、巡视的准确性等方面都存在很多问题,因此,研究设计电力电缆火灾在线监测系统就是为了能够实时监测电力电缆的温度变化,在温度越限或温升速度越限时能及时报警,并指出发热点位置(温度探头位置),通知运行人员及时处理,从而保证运行安全,避免经济损失。

2 电力电缆火灾在线监测系统的总体设计

根据生产现场实际,电力电缆火灾在线监测系统设计成分散测量、集中监视的系统结构,它主要 由4部分组成:温度传感器、现场工作子站、总线接口以及主机。结构组成见图1。

 

系统所用温度传感器是美国DALLAS公司产品———DS1820数字式温度传感器,测量范围为-55~125℃,测量精度为±0.5℃,能够准确测量电缆接头处温度或其他安装地点的温度。该数字式温度传感器采用半双工数据通信接口,子站向它输入识别代码和命令字,它向子站输出数字温度值(均通过单总线进行)。

子站的任务是实时采集温度传感器的一系列数据,简单处理后,通过接口电路把传感器编号以及相应的数据传送给主机。主机负责管理全部子站,接收各个子站传来的数据,并在Windows环境下以良好的用户界面管理和显示现场数据。

3 子站的硬件设计

考虑到现场电缆走向复杂、分布范围大,如果所有温度传感器均直接通过接口电路与主机相连,势必造成系统连接与管理复杂化,同时也加大了维护方面的难度。该系统设计为分层分布式结构,由子站实时采集与其相连的一系列温度传感器的数据,经过各个子站的处理后,通过远程通信接口电路,把代表电缆位置信息的传感器编号以及相应的温度数据传送给主机。该设计简化了系统结构,便于管理和维护。

子站的结构如图2所示,其核心是Intel公司的8位单片机89C51。Intel 89C51具有4列化KBEEPROM作为程序存储器,128 BRAM作为数据存储器[2]。复位电路采用上电自动复位、按钮手动复位和定时器(看门狗)自动复位多重复位设计,以保证子站工作的可靠性。时钟电路由外接石英晶体振荡器和电容构成的三点式振荡电路及内部反向放大器构成,时钟频率为12 MHz.

Intel 89C51的16位内部定时/计数器以中断方式工作,控制子站定时扫描与之相连的传感器,内部并行口线则用于子站与温度传感器之间的单总线数据传输。考虑到一台子站要连接多个温度传感器,且距离较远,因此增加了驱动接口电路,由光电耦合连接传感器,从而提高子站的抗干扰能力和可靠性。

4 接口设计

 

子站负责采集温度数据并对数据进行简单的处理,通过接口电路把传感器编号以及相应的温度数据传送给主机。Intel 89C51具有片内串行接口,在串行口控制寄存器SCON的控制下,可以方便地工作在移位寄存器方式、波特率可变的8位异步通信方式、波特率固定的9位异步通信方式和波特率可变的9位异步通信方式中。由于Intel 89C51的串行口为TTL电平,而上位机(主机)的串行口为RS-232电平,因此通常的设计是采用MC1488/MC1489电平转换接口电路。

RS-232串行通信标准规定,驱动器允许有2 500 pF的电容负载,因此通信距离受到很大限制,一般通信距离不超过15 m。此外,RS-232串行接口采用单端信号传输方式,其抗干扰能力 较差。考虑到RS-232串行接口的固有缺点以及子站数量多、分布范围大、距离主机较远等实际情况,本设计采用RS-485串行总线构成子站与主机的接口。

RS-485串行数据发送接收器采用平衡发送和差分接收,具有很强的抑制共模干扰能力,而且接受器具有较高的灵敏度,因此通信距离可达到1 000 m以上。在通信线路安装方面,RS-485总线比RS-232总线具有很多优势:RS-232总线采用三线共地传输,而RS-485总线采用两线差分传输,也就是说,采用RS-485总线可以利用一对双绞线方便地构
RS-485接口芯片可以采用MAXIM公司的MAX485系列单5 V供电低功耗RS-485及RS-422通信接口芯片(MAX481,MAX483,MAX485,MAX487~MAX491,MAX1487),其中MAX483,MAX487,MAX488和MAX489的传输速率为250 Kbit/s,可以减少由于线路终端阻抗不匹配而引起的反射。MAX481,MAX485,MAX490,MAX491和MAX1487的传输速率可高达2.5 Mbit/s。MAX488~MAX491为全双工数据接口,而MAX481,MAX483,MAX485,

MAX487和MAX1487为半双工数据接口,这些芯片均具有-7~+12 V的共模输入电压。

5 结束语

发电厂电力电缆火灾在线监测系统能将电缆沟内各电缆接头处的温度传送到主控室内的主机,当温度升高或温升速度超过给定报警值时及时报警,便于运行人员随时进行处理并及时消除隐患,从而有效防止

电力电缆火灾的发生,保证电力系统的安全运行。


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