基于nRF24L01的电缆在线监测系统终端的研究

　　引言

　　城市中高压供电电缆大约每300米就存在一处电缆接头，很多情况下为了降低技术与施工的难度，将电缆接头安装在供电电缆分接箱中。电缆分接箱是一种户内或户外装置，通常安装于街边、路旁或者小区等地，用于对电缆线路进行分接、分支、接续或转换，在某些场合可断开运行中的电缆线路，以便于电缆线路和电气设备的检修。由于分接箱中电缆接头施工质量不过关，施工人员对预制式电缆附件的施工工艺不熟悉等一系列原因，使得电缆接头在长时间、大电流(过负荷)运行条件下容易发生过热，导致事故，严重影响了电力系统的安全可靠运行，造成了巨大的经济损失。

　　本方案根据供电企业的实际需要，采用无线技术设计了一种新型电缆接头温度监测系统终端。它位于各电缆接头处采集温度数据和电缆电流数据，通过近距离微功耗无线技术将分接箱中的测量数据汇集于位于分接箱底部的数据集中器，再上传至监控中心的PC，实现了城市供电电缆分接箱电缆接头运行温度和电流的低成本在线可靠监测。

　　硬件电路设计

　　测量原理

　　实际运行经验和理论分析均表明，电缆接头处发生的各类故障并不是一个突发的过程，是一个由量变到质变的过程，通常表现为电缆接头处温度不断升高。此外，在电力系统中，电力设备存在负载电流与温度正相关的规律:当负载电流增大时会出现温度升高，而负载电流减小时会出现降温的现象。

　　分接箱电缆接头表面温度是反映其运行状态的重要参数。对电缆接头温度进行不间断地监测和统计分析，可使运行人员全面掌握其工作状况，及时了解电缆接头的老化情况，在必要时结合生产情况提出检修计划，避免或减少故障的发生，提高供电系统安全性、可靠性，从而促进供电企业增收节支，提高经济效益。

　　根据分接箱电气安全规程，相与相接头之间空间距离不小于1cm，接头与分接箱侧壁和顶部的空间距离不小于15cm，各接头与三芯电缆分裂处垂直距离不小于70cm。分接箱电缆接头导体外部为绝缘护套层，而绝缘护套层表面实际上存在着几百伏至上千伏不等的电压。电缆接头导体温度主要取决于通过导体中的电流I、接触电阻R和环境温度TE，在通过电流和环境温度变化不大的情况下，主要受接触电阻的影响。测点温度为接头导体温度T和环境温度TE的分温，通过它虽不能直接测出接头导体部分的实际温度，但在现场环境情况下，它与接头导体温度近似成线性关系。因此，对于分接箱电缆接头温度的监测，主要测量电缆接头表面温度与通过电缆接头的电流，以及分接箱环境温湿度等。

　　供电系统设计

　　监测终端供电电路的设计思想是，利用特制线圈从电缆感应出一定功率的交流电压，通过整流、滤波和稳压之后，提供给监测终端。电流大致在10A~300A范围的中高压电缆上的交流电压，之后利用整流、滤波电路将交流变为直流，利用稳压电路将约为5V的直流电压变为+3.3V的直流恒压供给监测终端。另外，为了防止在电缆大电流情况下，特制线圈感应电压过大导致后端电路烧毁，为电路增加了过电压保护电路，起到保护器件的作用。如图1所示。

　　该电路设计的难点主要在于，电缆电流较小时，要尽量保证电源的供应;而当电缆处于大负荷运行状态，甚至是短路故障电流时，要给予电源板足够的保护，不能损坏器件。

　　该电源包括供能线圈，整流滤波稳压电路，控制线圈，控制电路以及防雷保护电路。

　　供能线圈为特制的小型CT(电流互感器)，利用电磁感应从电缆获得能量。该装置选用饱和磁感应强度较低、导磁率较高的硅钢片制作铁芯。供能线圈/控制线圈以及整流滤波稳压电路，控制电路和防雷保护电路与监测终端固定在铁芯一侧，便于减小体积和重量。根据电磁感应原理，确定线圈的匝数，保证电缆电流在10A以上时可提供稳定的3.3V稳压输出。供能线圈的输出接防雷保护电路后，再连接到整流滤波稳压电路。

　　由于高压电缆上运行的电流变化范围大，且暂态电流在达到数十倍的额定电流时还要保持电源稳定，要保证电流在达到300A时电源还能正常工作。电缆电流过大时感应线圈的铁芯处于磁饱和状态。铁芯饱和后，磁化曲线呈非线性关系，感应电势变为类似脉冲波，导致稳压电源模块输入电压过高烧毁，不利于电源的实现。 本设计增加了一个控制绕组和控制电路，当电缆电流过大，获取能量过多时，控制供能线圈感应电压在适当的工作范围。