李 梦 符兆伦

（三亚学院 理工学院，海南 三亚572022）

1 概述

环网柜是一组输配电气设备装在金属或非金属绝缘柜体内或做成拼装间隔式环网供电单元的电气设备，环网柜一般由开关室、断路器室、操作机构室和电缆室四部分组成。其中电缆室作为配电系统进出线仓，主要负责柜体电缆接头连接、保护功能。电力系统配电运行过程中，由于接头老化、负荷超载、施工质量不足等原因，环网柜电缆接头容易发热，导致电缆金具接头加速氧化，严重时会引起电缆接头爆炸、绝缘击穿等危害，进而造成大面积停电事故，使电力设备及周边经济受到损失。

2 背景阐述

环网柜是实现环网供电的关键设备，柜内电缆仓采用“T型”电缆接头进行连接，随着设备长时间运行，电缆接头存在一定老化情况。在运行过程中，环网柜供电区域负荷较高，电缆接头出现温度过高情况，长时间运行容易引发电缆接头烧毁、损坏，严重时会引起环网柜爆炸等严重情况。日常工作中，电力系统运维人员通过定期到场巡检户外环网柜电缆接头温度值、接头老化情况、工作量较大、且工作效率较低，无法实现实时温度监测需求，也不能及时发现问题，解决问题。

电缆接头运行温度监测方法较多，常用方法有柜外红外热成像法、接触式传感测温法、柜内红外测温法等，以上方法均需要运维人员到达环网柜现场，进行人工操作检测、记录、分析，且检测周期长、误差大等问题。设计一套直接接触式安装于“T 型”电缆接头后堵头位置的温度传感器，接触式获取电缆接头线芯运行温度，通过电流感应模式随着电缆接头运行而持续监测温度变化，实现温度实时远程在线监测。

3 系统架构

本系统设计由三个部分组成，由安装于环网柜“T 型”电缆接头后堵头位置的温度传感器直接获取电缆接头线芯运行温度，传感器通过内置ZigBee 无线通讯模式将温度数据信号上传至数据处理终端，数据处理终端将数据信号进行预处理，一方面显示于处理终端LED 显示屏，另一方面通过4G 网络信号将温度数据上传至远程监控管理平台（如图1）。

3.1 温度传感器设计

“T 型”电缆接头是环网柜电缆仓重要组成部件，主要用于环网柜进、出线电缆连接柜体电器元件，实现上下游电源输入与输出连接。

图1 系统整体架构

3.1.1“T 型”电缆接头结构

图2

a.外半导电层：预制的EPDM 导电橡胶符合IEEE592 标准。b.绝缘层：特有配方和混合技术确保预制EPDM 绝缘橡胶的优质品质。c.内半导电层：预制的EPDM导电橡胶有效控制和分散电气应力。d.接地眼：预注到外半导电层中用于接地线的连接。e.应力锥：不同尺寸的应力锥配合T 型电缆接头使用，能确保水密封以及电缆应力释放。f.压接端子：全铜或铜铝压接端子适用于铜或铝导体。g.绝缘塞：环氧树脂绝缘塞内含有带螺纹金属件可以确保与双头螺栓紧密配合。

3.1.2 温度传感器结构设计

通过分析电缆接头结构特点，设计改造电缆接头“绝缘塞”，将传感器模块、无线通讯模块、电磁感应模块集成于“绝缘塞”内，形成带有温度传感监测功能的新型“绝缘塞”，替代现有环网柜“T 型”电缆接头绝缘塞，实现电缆接头温度监测功能。a.固定铜件；b.绝缘材料：选用特种橡胶材料；c.测温电路板：温度传感器、ZigBee 无线模块、电源模块构成；d.电容感应罩：通过电磁感应获得启动电源。

3.1.3 温度传感器工作原理

无源无线工作：10kV 环网柜在运行过程中，电缆仓内电源等级均为10kV 高压电，无法直接获取220V 等级电源，因此安装于电缆接头上的温度传感器无法获得有效电源正常启动。因此设计采用CT 感应取能方式，通过监测电缆线运行电压直接获得可靠启动电源，实现温度传感器无源无线工作模式。

图3

ZigBee 无线通讯：ZigBee 是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4 标准规范，主要特色有低耗电、低成本、快速、可靠、安全等特性。温度传感器与数据处理终端通过集成ZigBee 通讯芯片，实现本地短距离可靠高效传输。

热传导获取温度：温度传感器直接安装于“T 型”电缆接头绝缘塞位置，直接与电缆铜件接触，内置NTC 热敏电阻通过热传导模式直接获取电缆铜件运行温度数据，通过ZigBee 无线传输至数据处理终端。

3.1.4 温度传感器特点

免维护：由于高压设备运行后很难有机会停电检修，因此终端的可靠性要求极高。且不需要日常的运行维护也能稳定运行工作；无源取电：利用电磁场获取能源，不需要额外的电源；由于电池存在着使用寿命受环境影响因素急剧减少，因此不能使用电池作为装置的电源，采用电压取电原理为温度传感器进行供能；安装简便：将温度传感器直接替换现有电缆接头绝缘塞，螺纹圈设计拆装简便高效。

3.2 数据处理终端设计

数据处理终端通过与温度传感器形成ZigBee 无线通讯网络，数据实时上传至数据处理终端，通过内置算法将数据进行分类处理，按照安装点位位置信息、温度信息、信号强度信息等内容显示于LED 显示屏之上，并通过4G 网络将温度数据上传至远程监控管理平台，实现远程监控功能。

数据处理终端结构设计:

ZigBee 无线通讯最大网络节点可达65536 个节点，环网柜电缆接头数量最大仅有18 个节点，一套数据处理终端即可实现环网柜所有节点数据交互传输。数据处理终端可安装于环网柜自动化控制仪表仓内，可直接获得交流220V电源。a.设备电源接口：支持AC 220V 电源。b.RS-485 接口：支持数据终端现场调试、数据备份等操作。c.按键区域：支持数据终端本地历史数据查阅、当前数据查阅。d.SIM物联卡插口：支持4G 网络卡插拔、更换、维护等。e.4G 天线接口：支持4G 信号发射、接收，将数据上传至监控管理平台。f.RF天线接口：ZigBee 无线接收温度传感器的数据。g.LED 显示屏：显示管理终端个数、安装环境温度、软件版本信息、TD-LTE 连接状态和信号强度、终端安装位置和温度等。h.状态指示灯：显示4G 运行状态指示、温度告警指示、设备运行状态指示。

图4

3.3 远程监控管理平台设计

实现环网柜“T 型”电缆接头的温度在线监测系统，不仅需要温度监测硬件设备，还需设计一套集数据处理、数据展示、图表分析、高温告警、辅助决策于一体的远程监控管理平台。远程监控管理平台收集展示各监测环网柜电缆接头温度数据，通过可视化图表直观展示各监测点温度变化情况，电力系统运维人员通过办公室办公电脑，通过B/S 模式访问平台，远程监控各监测点温度数据，系统可进行高温阈值设置，监测点温度超过阈值时，推送告警提示，运维人员可提前介入处理高温点位负荷，避免发生故障。

4 结论

本设计旨在解决电力系统配电环节10kV 环网柜“T型”电缆接头温度在线监测问题，设计符合环网柜电缆接头结构，安装简便的温度传感器。结合CT 感应取电技术、ZigBee 无线通信技术、4G 网络传输技术等物联网技术，打造一套环网柜电缆接头温度远程在线监测系统，替代传统人工监测方式，提升配电管理效率与安全水平。未来可根据此原理研究设计符合更多电力系统设备电缆接头温度在线监测设备，全面提升智能电网、电力物联网技术水平，打造智能化电网、智能化监测管理平台。

图5 环网柜电缆接头温度远程在线监测系统结构设计