基于传感器网络节点的矿物质绝缘防火电缆安全防患预警系统构建研究*

作者：李杰尉,方国华(新疆胡杨线缆制造有限公司, 新疆乌鲁木齐 830000)时间：2022-09-19来源：电子产品世界收藏

编者按：随着我国国民经济的快速发展，城市化水平的不断提高，电缆作为城市电网的重要组成部分，已经成为日常生活中不可分割的部分。传统电缆在长期运行过程中，会因为电磁、发热、环境腐蚀等现象而出现损坏，容易出现安全问题。矿物质电缆较传统电缆采用原材料不同，安全级别更高。但人民财产安全高于一切，我们仍需掌握矿物质绝缘电缆的绝缘状态和运行状态。本文从矿物质绝缘电缆安全出发，对电缆防患预警系统进行构建，获取电缆的各项参数并进行分析。

*自治区战略新兴产业项目：矿物质防火电缆研发与应用，新工信科技[2020]10号

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/202209/438309.htm

摘要：通过参数对比反映矿物质电缆的绝缘状态，及时发现并对电缆设备的潜伏隐患进行管理，以保证电缆的安全运行，这对居民生命财产安全具有重要意义。

引言

近年来，随着城市化水平的不断推进，电力电缆设备与规模与日俱增^[1]，日益增大的电力网络给人类带来便捷性的同时也出现了诸多弊端，如因电力电缆的超负荷运行导致的重大火灾。在我国，因电力电缆导致的火灾占所有火灾的比例一直位于首位，电力电缆发生火灾一方面会导致大面积停电，给国家和社会造成重大损失，另一方面，火灾会对人民的财产造成威胁，甚至危及到人类的生命安全。因此，对于规模巨大的供电网络在用电安全方面我们需要提出更高的要求，即保障电力电缆的安全运行，尽可能降低事故的发生^[2]。

传统电线电缆燃烧后具有火焰大、热量高等缺点，燃烧后产生的黑烟带有毒性会使人类窒息倒地，严重时危及人类的神经系统。另一方面电缆燃烧产生的黑烟浓度高，会造成视觉盲区，遮挡逃生出口，给消防人员的抢救灾情带来困难。

随着我国经济的快速发展，传统的电力电缆已不能满足人类对生命及财产安全的保障需求，急需研发出一种能够防火的电线电缆产品，来满足人们的需求。矿物质绝缘防火电缆应运而生，它以高导电率的铜作导体芯线，矿物质云母带作为绝缘层，氧化镁粉末作无机填充材料，铜带氩弧焊接后压皱作护套，具有诸多优点如耐高温、耐腐蚀等。矿物质电缆可在250 °C 环境下长时间工作，更可在1 083 °C 极端高温环境下短时间连续工作，具备防止老化、防止生活污水浸入等特性，是目前综合性能最高的矿物质安全电缆，能够满足国家的安全要求，可以最大程度实现公众和建筑的安全。

目前，架空的传统电力电缆已经无法满足各行各业对电力的需求，更多的电力电缆由架空铺设转入地下铺设，但电缆所处环境复杂，一旦出现故障，导致故障查找困难，增加维修人员的工作量。如何在电缆发生故障前获得报警信息，及时消除故障隐患，对电缆的快速维修具有重要意义。

在线监测可以实现电缆绝缘状态全天候监测，是保证电缆正常工作的首要前提。由于电缆多铺设于地下，一旦线路出现故障，对故障电路的查找远不如架空输电线直观，在这种情况下需要建立一个综合有效的电缆在线监测平台，对电缆实现每时每刻的监测，可以避免检修时间较长的问题，提高工作效率。

1 矿物质绝缘防火电缆结构

目前，矿物质绝缘防火电缆主要型号有YTTW、BTLY 等。本文选取的矿物质绝缘电缆型号为BTLY，其电缆结构图如图1 所示，它主要结构包括铜芯导体、云母带绕包、轧纹铜带纵包焊接护套等部分。该电缆具备耐火、低烟、低毒、超A 类阻燃等特性，其中云母带以矿物质硅（Si）为原材料，具有绝缘且不燃烧特性；填充为玻璃纤维，也具备不燃烧特性；防火护套是一层聚烯烃材料，对电缆起防护作用，具有环保性能好，燃烧时只产生少量烟雾，不产生有毒气体等特点。

图3 传感器连接器直头(左)、弯头(右)

2 在线监测预警系统的构成

本文设计的在线监测预警系统主要包括传感器端和后台程序监控端两大部分，传感器与电缆相接后对电缆参数每时每刻进行采集，将数据进行存储、打包并进行传输；而后台程序监控端是给工作人员提供一个现场监控平台。其中后台监控端是整个监控系统得到核心，具备数据处理、分析等功能，实时接收各监测终端的数据，实现电缆线路的在线监测。整个系统构成如图2 所示。

因电缆布局复杂，常需要传感器连接器对电缆进行连接监控，传感器连接器包括可拆卸式连接器直头及弯头两种，具体见图3。对电缆进行连接时大部分采用多点接地的方法, 即将电缆的屏蔽层两端接地, 在中间加一个接地连接器, 以便于接地。

图4 在线监测预警系统硬件框图

3 在线监测系统框架设计

本文监测预警系统主要是实现对接地线是否漏电、电缆所处的环境温度及环境的相对湿度等的监测，首先通过传感器获取数据，对数据进行分析对比，以此评估电缆的绝缘状态。当电缆存在绝缘老化等状态时，获取的数据与初始数据间存在差异，工程师可以快速对电缆位置进行快速定位并进行维护。其硬件结构包含两个传感器（电容电流传感器、环境温湿度传感器）、信号调理电路等诸多平台组成，具体见图4。在线监测预警装置的工作原理如下，首先电容电流传感器、脉冲电流传感器和环境温湿度传感器将获取的信号传输至信号调理电路，经滤波及量化处理后，ARM 微处理器对出现异常的区块数据进行数据处理，待数据处理完成后将数据通过GPRS 远程通讯模块传送至后台监控平台，经监控平台评估是否需要发出电缆预警信息。

4 在线监测预警系统的主程序设计

本文设计的在线监测预警系统主要程序流程图见5，主要程序包括组成硬件的初始化、数据的获取及分析、远程数据传输、系统低功耗运行。当系统开始运行时，系统首先会对系统硬件包括单片机，电流传感器，环境温湿度传感器以及各种模块等进行初始化过程。待初始化过程结束后传感器开始工作，数据获取及分析部分会将传感器采集的各种信号进行处理，并将处理的信号进行打包等待通讯模块发送给程序终端。

4.1 通讯模块软件

本系统远程数据传输模块为GPRS模块，在数据传输开始时首先需要登录GSM 网络，后台服务器设置为静态固有IP，通过后台服务器固有IP 与后台服务器进行连接，后台服务器与GPRS 通讯数据传输模块之间通过固有静态IP 地址利用TCP/IP 协议进行双向通信，实现透明的可靠数据传输^[3-4]。

图6 是GPRS 通讯主流程图，当数据准备传输时GPRS 模块首先通过服务器固有静态IP 尝试连接后台服务器，若连接后台服务器不成功，程序则直接跳转至结束，终止运行。若服务器固有静态IP 与后台服务器匹配，则代表连接成功，后台服务器将向GPRS 通讯模块发送是否注册询问命令，GPRS 通讯模块则将注册信息向后台服务器发送，后台服务器首先会判断注册特征码是否正确，一旦注册码错误，程序将无法运行；当注册码正确后，后台服务器会将时间和最新固件版本发回至GPRS 通讯模块^[5]；然后系统的前端装置会接着对此时的固件版本进行判断，若固件版本过低，待数据传输完毕后系统将对当前的固件进行自动下载并升级。若当前固件版本无需升级，则通信结束。整个通讯过程是否完成的信号需要单片机进行判定，当单片机判定通信结束后，将断开与后台服务器的连接，结束整个通讯过程。

4.2 数据采集程序

当采集程序开始采集数据时时，首先需要打开采集电源对采集程序的传感器及电路进行通电，保证数据采集程序电路是通电状态。其次分别对单片机的端口（ADC端口）和DMA 传输进行初始化，待初始化配置完成后将进行数据采集程序。若数据采集失败，则程序直接跳过ADC 端口和DMA 传输，直接对单片机进行初始化，再次运行数据采集程序。当程序将数据采集完成时将进行如数据转换等的处理，并将采集的数据进行打包，将数据传输至GPRS 模块等待发送。

本系统研发的在线监测系统传感器只进行电容漏电流信号、脉冲漏电流信号、温湿度信号这3 种信号的采样。电容漏电流及环境温湿度信号在短时间内无法产生较明显的变化，故数据采集为1 次·min^-1。而脉冲漏电流主要通过峰值进行判定，峰值随时间变化明显，因此，脉冲漏电流数据采集频率为1 次·s^-1。具体采集流程图见6。

4.3 后台监控程序

后台程序监控的运行平台为微软开发的Windows 系统，整个后台监控程序如图8 所示，主要包含对获取的数据进行分析的模块、电缆出现问题后的迅速定位模块及最终的数据输出模块。目前城网电缆的布置主要分布于地下，布置方式是错综复杂的，电缆输出范围广，后台监控程序通过建立数据库实现对城网电缆各电参量的存储，方便以后实现历史数据的查询和导出。而电缆的迅速定位模块可对每一段电缆实现监控，一旦电缆的绝缘状态发生变化，在线监测系统即可发出警报，通过定位模块，管理人员及工程师可迅速定位至电缆问题端，第一时间对电缆进行维护，最大程度降低财产的损失。

电缆的监测系统在运行过程中，通过实时采集的电缆运行状态数据，结合电缆的实际运行情况，利用模糊数学的手段实现电缆的绝缘状态评估，判定是否需要向后台程序发出预警信号。因在线监测系统中电缆运行数据库的存在，可将目前的运行状态与历史的数据进行对比及趋势分析，对电缆运行状态做出预测。

4.4 电缆在线监测的优势

1）在线监测不需要切断电源即可使电缆正常运行，可完全避免受断电因素产生的经济财产损失。

2）与日常生活中常见的以预防为主的试验相比，该监测系统一旦投入使用，可无需投入过多精力进行维护，降低维护成本。

3）在电缆工作时，传感器端实时获取的数据经过处理，后台程序可将电缆的实时信息直观地反映出来，为管理人员对电缆的评估提供实时的数据信息。

4）可以实现每时每刻对电缆进行监控，获取电缆的实时信息。