广东建能电力工程有限公司 陆基权

1 引言

包含配电箱在内的较多电气设备出现故障时，人们首先会想到是否出现线缆“接触不严”的情况，之后会将电线接头拔掉并重新插入，以此判断是否因电线接头处存在故障而导致接触不严。事实上，配电箱的电缆接头在长时间使用后容易出现多种故障。为了提高故障检测的准确率，不能仅凭借技术人员的经验进行判断，而是需要设计一种高效率、准确性高的电缆接头故障检测系统。

2 常见的配电箱电缆接头故障简析

2.1 外力损伤

配电箱的电缆接头因受到外力损伤而出现故障是最常见的现象。容易造成该种故障的原因包含：电缆接头插入拔出配电箱时，操作人员使用的力度较大，导致接头频繁被磨损。此外，一些操作人员在操作电缆接头时，容易将接头与其他物体接触。受此影响，接头在与其他物质接触时，可能发生分子层面的物质交换，导致接头再次插入配电箱之后，会将一些杂质带入其中，最终导致配电箱的性能下降。

2.2 化学损伤

配电箱的电缆接头也经常出现化学损伤。具体而言，电缆接头插在配电箱中时，配电箱在运转的过程中会出现电流做功情况，由于电流强度超过负荷，导致配电箱升温，造成电缆接头被烧坏。尤其在用电高峰期，配电箱内部的电缆接头常会由于超负荷承载电流而出现温度过高的情况，进而造成大面积停电的现象，情况严重的甚至会引起电缆接头爆炸，引发火灾。

总体而言，配电箱电缆接头出现的诸多故障之中，如果因插头线缆断裂而导致断路时，会形成断电，故此故障没有监测的必要性；因短路等多种原因导致的电缆插头温度迅速升高时，危险性会大幅度增加。基于此，配电箱电缆接头故障检测系统的重点监测内容便是电缆接头处的实时温度。

3 无线网络支持下的配电箱电缆接头故障检测系统设计研究

3.1 基于无线网络的配电箱电缆接头故障检测系统的整体设计构思

本文介绍的基于无线网络的配电箱电缆接头故障自动检测系统在正常运转时，重点内容并不是确定导致电缆接头出现故障的原因，而是检测电缆接头是否存在故障。基于该目标，设计该系统的思路如下。

一是电缆接头处于“插在配电箱对应位置”的状态时，常见的故障表现形式为，由于配电箱的负荷超过了额定范围，导致电力电缆的接头会在长时间受到较高温度的作用下被烧坏。如在每年的夏季高温时，民居建筑内的常住人口会集中开启空调用于乘凉。空调设备功耗较大，同一段时间内配电箱的整体负载会大幅度增加。在这种情况下，电缆插头轻则因为无法承受高温而导致内部元件损毁，进而无法发挥传输电能的作用，重则直接爆炸，导致整个电路受到波及，甚至引发火灾。

二是传统针对配电箱电缆接头故障的检测方式在检测原理方面较为一致，通过检测温度的方式判断电缆接头是否存在故障。如感温电缆式测温系统（如图1所示）。一般将具有温度感应功能的电缆与插头插入配电箱的电缆平行放置。在该设置下，如果配电箱的电缆的温度较为异常（温度过高），具备感温功能的电缆会陷入短路状态，由此可以判断配电箱电缆出现了异常情况。但该方式具备较大的弊端。首先，无法直接针对配电箱电缆插头是否出现故障进行判断。其次，只能通过感温电缆是否短路对配电箱电缆的工况进行大致判断，不仅无法精确测量到配电箱电缆出现异常状态时的精确温度，感温电缆在使用一次后也会报废。此外，由于此种测量方式只会在故障发生时有效，无法起到预警作用，故效果极其有限。

图1 感温电缆式测温系统示意图

基于热敏电阻的配电箱温度测量系统。该方法是第一种方法的升级版，虽然可以显示出配电箱电缆的温度，但需要配置的热敏电阻数量较多，传感器不具备自主检测功能，故同样无法大规模应用。图2是一种mf52珠状测温型ntc 热敏电阻构成图。

图2 mf52珠状测温型ntc 热敏电阻构成图

三是分布式网络化测温系统。以分布式智能电网光纤测温系统为代表，该测温系统是指在配电箱周围的电路中增设智能光纤温度传感器装置，由温度传感器、智能管理系统等构成。当温度传感器发现配电箱电缆接头出现异常温度升高现象之后（智能系统控制传感器时，会设置一个“临界温度值”，当温度传感器发现电缆插头的温度超过临界值之后），会向系统发出安全预警信息。此时，智能管理系统会根据预设程序，可将配电箱完全从电路中切断，也可以及时通知电力公司的有关人员，之后派遣专人前往现场查看。

四是考虑到上述三种传统检测方式的局限性，需要设计出一种能够长时间、不间断检测配电箱电缆接头是否存在故障，且能够将相关信息基于无线网络实时上传，使电力部门及时获悉哪一个区域的配电箱出现问题[1]。不仅如此，由于配电箱的应用范围极其广泛（存在于所有建筑之中），故为了有效监测所有配电箱电缆接头是否存在故障，还需要考虑成本问题。

五是无线网络应用于配电箱电缆接头故障系统时，其主要作用在于“将电缆接头故障信息及时发送给电力企业的远程监控系统”，只起到信息传输的作用，并不具备其他作用。

3.2 基于无线网络的配电箱电缆接头故障检测系统主要功能及子系统

3.2.1 系统中的重要装置和子系统的连接

一是数据信息采集装置；二是数据信息接收装置。上述两种装置直接相连，前者包含金属高温变形取电模块、振荡感应电路、调制电路、报警信息预设装置以及高频放大电路。后者内设解调电路和报警装置。其中，金属高温变形模块与震荡感应电路、调制模块、报警信息预设装置依次呈现出串联形式，调制电路与高频放大电路以串联的形式连接。三是数据接收装置包含解调电路以及报警装置。四是高频放大电路与解调电路之间依靠天线进行连接，也可将天线转换成无线网络连接系统，以达到提高信号监测上传范围的目的。

3.2.2 系统的运行原理

上述装置及子系统对应的功能分别为：一是金属高温变形模块中使用的金属材料具备高度热敏性，即在高温条件下会发生变形。将该模块与电缆接头直接接触，可以完成“取电”的目的。该装置是系统中的直接检测装置。

二是设置振荡电路的作用为，如果金属高温变形取电模块与电缆插头接触时，发现插头的温度并没有高于正常范围时，则振荡电路保持“静默”状态。当电缆插头的温度高于正常范围，直接检测装置反馈结果为“金属变形取电”时，“取得的电”便会成为振荡电路的启动及维持用电。此时，振荡电路通电响应，进入工作状态，会发出高频载波震荡信号。

三是报警信息预设装置的主要作用在于，为整个系统提供调制信号，且此种信号符合正弦波变化趋势。

四是调制电路提供的调制信号经由高频放大电路处理后，主要在波形方面发生明显变化（放大变化），可向更远的范围传播（理论上，只要高频放大电路能够无限放大，且无线网络装置具备信息接收能力，便可以接收到相关信号）。

五是解调模块从“云端”收到高频放大信号之后，会采用“逆向调制”的方法完成解调处理，之后发出预警信息。

六是上文提到的所有电路（包含振荡、调制、高频放大、解调）均可以由具备相同功能的处理芯片直接替代。

七是为了使无线网络也具备在配电箱电缆插头没有发生故障时保持静默状态，在出现故障时立刻启动并将故障信息及时上传，可采用的方法为：在高频放大电路之后设置无线网络传输模块，该模块需设置在高频放大电路之后，采用串联的方式进行连接。当该模块之前的设备全部通电复位之后，电流会传输到该模块并使其启动，从而将故障信息经由无线网络向远端发送。

3.2.3 系统的应用优势

一是本文介绍的基于无线网络的配电箱电缆接头故障检测系统，在针对电缆插头故障进行检测时，检测原理与传统的检测技术相比并无本质差异，依然以温度测量为主。但在此基础上，通过搭配具有多种功能的电路（或芯片），能够将检测到的电缆插头温度信息进行一系列处理，搭配无线传输网络，可以实现数据的实时上传，从而达到在短时间尽快被人知晓，迅速派人检修的目的。经过实践测量后发现，如果选择的在高温环境下变形的金属具备较高的热敏性，则在电缆插头温度超过正常温度范围的一瞬间便可发现，具备较高的实用价值。

二是经过实践检测后发现，此种基于无线网络的配电箱电缆接头故障检测系统，具备较强的环保性。如图3所示，数据采集装置在配电箱电缆插头温度处于较低状态（处于正常范围内，由金属高温变形取电模块中使用的金属材料决定）时，系统的振荡电路及很多装置都处于静默状态，几乎不耗电，故具有较强的环保性。

图3 基于无线网络的配电箱电缆接头故障检测系统构成电路示意图

三是本文介绍的系统中，较多电路装置可以通过其他元器件（芯片等）进行替代（包含无线网络）[2]。基于此，本系统具备较强的适应性，能够根据现场实际情况自由搭配。如除了常规的住宅小区建筑之外，一些大型工厂同样需要设置配电箱。但这些工厂与住宅小区不同，环境温度可能较高。为了避免金属高温变形取电模块受到较高环境温度的影响而向后续系统发出错误信息，可以通过改变敏感金属的方式，实现灵活调控。

四是经济成本控制方面，在配电箱电缆插头温度处于正常范围时，由于系统的振荡电路、其他装置均没有进入工作状态，保持“静默”，意味着这些设备并没有产生电能消耗。这种情况相较于上文介绍的第三种传统测温装置——分布式网络化测温系统在以下方面实现了升级：分布式网络化测温系统的智能控制功能必须全程处于运行状态，且较多元器件的耗电量原本便处于较高水平，加之本身价格较高，故无论是购入成本还是运行成本均极高，实用性极低。而本文提出的测温装置中，数据采集模块主要基于金属高温变形取电模块进行数据信息的收集，只有在热敏金属受到高温影响而出现变形情况时，系统的后续装置才会通电启动。此外，振荡电路、调制电路、报警信息预设装置、高频放大电路、解调电路、报警装置等均属于“低成本装置”。因此，该系统无论是购入成本还是运行成本，均远远低于分布式网络化测温系统，实际上在保证系统温度检测功能不变的情况下，实现了综合成本的大幅度降低，故适合推广应用。

五是本文介绍的配电箱电缆接头故障检测系统具有较强的实时性和实用性，利用金属在高温下会发生变形的原理，在电缆接头处安装取电模块，取电模块中设置金属片，在电缆接头温度升高时，金属片会发生变形，从而能够对电缆接头进行实时监控，确保温度变化能够被有效检测到。在电缆接头温度变高被检测到时，系统会发出警报提醒工作人员进行处理。该系统还具有环保节能的效果，其数据采集功能只在电缆接头温度变高时工作，降低了该系统的能耗。该系统使用方便，而且灵活可靠，工作人员可以根据实际需要，进行参数的设置，检测产品、检测工具和维护方法安全、可靠[3]。

六是本文提出的基于无线网络的配电箱电缆接头故障检测系统，从某种程度上可被视为一种“问题解决思维”，针对配电箱电缆接头出现高温故障进行监测时，方式方法可以多样化，只要能够满足在极短时间内发现配电箱电缆插头温度提升即可。在前置条件（即配电箱电缆插头温度升高）不成立的情况下，后续的振荡电路、调制电路等没有启动的必要性，可达到节省电能的目的。

综上所述，基于无线网络的配电箱电缆接头故障检测系统与传统检测系统相比，在原理上并无本质不同。但考虑到几种传统检测方式具备的局限性之后，本系统在配电箱插头电缆温度检测方面，检测信息上传方面进行了一定的改进，最终形成的结果是在电缆插头温度正常的情况下，系统几乎保持静默状态；在检测到电缆插头温度超过正常值的瞬间，系统其他装置迅速响应，可将相关信息上传，并尽快派遣专人前往维修。