*自治區戰略新興產業項目：礦物質防火電纜研發與應用，新工信科技[2020]10號

摘要：通過參數對比反映礦物質電纜的絕緣狀態，及時發現并對電纜設備的潛伏隱患進行管理，以保證電纜的安全運行，這對居民生命財產安全具有重要意義。

引言

近年來，隨著城市化水平的不斷推進，電力電纜設備與規模與日俱增^[1]，日益增大的電力網絡給人類帶來便捷性的同時也出現了諸多弊端，如因電力電纜的超負荷運行導致的重大火災。在我國，因電力電纜導致的火災占所有火災的比例一直位于首位，電力電纜發生火災一方面會導致大面積停電，給國家和社會造成重大損失，另一方面，火災會對人民的財產造成威脅，甚至危及到人類的生命安全。因此，對于規模巨大的供電網絡在用電安全方面我們需要提出更高的要求，即保障電力電纜的安全運行，盡可能降低事故的發生^[2]。

傳統電線電纜燃燒后具有火焰大、熱量高等缺點，燃燒后產生的黑煙帶有毒性會使人類窒息倒地，嚴重時危及人類的神經系統。另一方面電纜燃燒產生的黑煙濃度高，會造成視覺盲區，遮擋逃生出口，給消防人員的搶救災情帶來困難。

隨著我國經濟的快速發展，傳統的電力電纜已不能滿足人類對生命及財產安全的保障需求，急需研發出一種能夠防火的電線電纜產品，來滿足人們的需求。礦物質絕緣防火電纜應運而生，它以高導電率的銅作導體芯線，礦物質云母帶作為絕緣層，氧化鎂粉末作無機填充材料，銅帶氬弧焊接后壓皺作護套，具有諸多優點如耐高溫、耐腐蝕等。礦物質電纜可在250 °C 環境下長時間工作，更可在1 083 °C 極端高溫環境下短時間連續工作，具備防止老化、防止生活污水浸入等特性， 是目前綜合性能最高的礦物質安全電纜，能夠滿足國家的安全要求，可以最大程度實現公眾和建筑的安全。

目前，架空的傳統電力電纜已經無法滿足各行各業對電力的需求，更多的電力電纜由架空鋪設轉入地下鋪設，但電纜所處環境復雜，一旦出現故障，導致故障查找困難，增加維修人員的工作量。如何在電纜發生故障前獲得報警信息，及時消除故障隱患，對電纜的快速維修具有重要意義。

在線監測可以實現電纜絕緣狀態全天候監測，是保證電纜正常工作的首要前提。由于電纜多鋪設于地下，一旦線路出現故障，對故障電路的查找遠不如架空輸電線直觀，在這種情況下需要建立一個綜合有效的電纜在線監測平臺，對電纜實現每時每刻的監測，可以避免檢修時間較長的問題，提高工作效率。

1   礦物質絕緣防火電纜結構

目前，礦物質絕緣防火電纜主要型號有YTTW、BTLY 等。本文選取的礦物質絕緣電纜型號為BTLY，其電纜結構圖如圖1 所示，它主要結構包括銅芯導體、云母帶繞包、軋紋銅帶縱包焊接護套等部分。該電纜具備耐火、低煙、低毒、超A 類阻燃等特性，其中云母帶以礦物質硅（Si）為原材料，具有絕緣且不燃燒特性；填充為玻璃纖維，也具備不燃燒特性；防火護套是一層聚烯烴材料，對電纜起防護作用，具有環保性能好，燃燒時只產生少量煙霧， 不產生有毒氣體等特點。

圖3 傳感器連接器直頭(左)、彎頭(右)

2   在線監測預警系統的構成

本文設計的在線監測預警系統主要包括傳感器端和后臺程序監控端兩大部分，傳感器與電纜相接后對電纜參數每時每刻進行采集，將數據進行存儲、打包并進行傳輸；而后臺程序監控端是給工作人員提供一個現場監控平臺。其中后臺監控端是整個監控系統得到核心，具備數據處理、分析等功能，實時接收各監測終端的數據，實現電纜線路的在線監測。整個系統構成如圖2 所示。

因電纜布局復雜，常需要傳感器連接器對電纜進行連接監控，傳感器連接器包括可拆卸式連接器直頭及彎頭兩種，具體見圖3。對電纜進行連接時大部分采用多點接地的方法, 即將電纜的屏蔽層兩端接地, 在中間加一個接地連接器, 以便于接地。

圖4 在線監測預警系統硬件框圖

3   在線監測系統框架設計

本文監測預警系統主要是實現對接地線是否漏電、電纜所處的環境溫度及環境的相對濕度等的監測，首先通過傳感器獲取數據，對數據進行分析對比，以此評估電纜的絕緣狀態。當電纜存在絕緣老化等狀態時，獲取的數據與初始數據間存在差異，工程師可以快速對電纜位置進行快速定位并進行維護。其硬件結構包含兩個傳感器（電容電流傳感器、環境溫濕度傳感器）、信號調理電路等諸多平臺組成，具體見圖4。在線監測預警裝置的工作原理如下，首先電容電流傳感器、脈沖電流傳感器和環境溫濕度傳感器將獲取的信號傳輸至信號調理電路，經濾波及量化處理后，ARM 微處理器對出現異常的區塊數據進行數據處理，待數據處理完成后將數據通過GPRS 遠程通訊模塊傳送至后臺監控平臺，經監控平臺評估是否需要發出電纜預警信息。

4   在線監測預警系統的主程序設計

本文設計的在線監測預警系統主要程序流程圖見5，主要程序包括組成硬件的初始化、數據的獲取及分析、遠程數據傳輸、系統低功耗運行。當系統開始運行時，系統首先會對系統硬件包括單片機，電流傳感器，環境溫濕度傳感器以及各種模塊等進行初始化過程。待初始化過程結束后傳感器開始工作，數據獲取及分析部分會將傳感器采集的各種信號進行處理，并將處理的信號進行打包等待通訊模塊發送給程序終端。

4.1 通訊模塊軟件

本系統遠程數據傳輸模塊為GPRS模塊，在數據傳輸開始時首先需要登錄GSM 網絡，后臺服務器設置為靜態固有IP，通過后臺服務器固有IP 與后臺服務器進行連接，后臺服務器與GPRS 通訊數據傳輸模塊之間通過固有靜態IP 地址利用TCP/IP 協議進行雙向通信，實現透明的可靠數據傳輸^[3-4]。

圖6 是GPRS 通訊主流程圖，當數據準備傳輸時GPRS 模塊首先通過服務器固有靜態IP 嘗試連接后臺服務器，若連接后臺服務器不成功，程序則直接跳轉至結束，終止運行。若服務器固有靜態IP 與后臺服務器匹配，則代表連接成功，后臺服務器將向GPRS 通訊模塊發送是否注冊詢問命令，GPRS 通訊模塊則將注冊信息向后臺服務器發送，后臺服務器首先會判斷注冊特征碼是否正確，一旦注冊碼錯誤，程序將無法運行；當注冊碼正確后，后臺服務器會將時間和最新固件版本發回至GPRS 通訊模塊^[5]； 然后系統的前端裝置會接著對此時的固件版本進行判斷，若固件版本過低，待數據傳輸完畢后系統將對當前的固件進行自動下載并升級。若當前固件版本無需升級，則通信結束。整個通訊過程是否完成的信號需要單片機進行判定，當單片機判定通信結束后，將斷開與后臺服務器的連接，結束整個通訊過程。

4.2 數據采集程序

當采集程序開始采集數據時時，首先需要打開采集電源對采集程序的傳感器及電路進行通電，保證數據采集程序電路是通電狀態。其次分別對單片機的端口（ADC端口）和DMA 傳輸進行初始化，待初始化配置完成后將進行數據采集程序。若數據采集失敗，則程序直接跳過ADC 端口和DMA 傳輸，直接對單片機進行初始化，再次運行數據采集程序。當程序將數據采集完成時將進行如數據轉換等的處理，并將采集的數據進行打包，將數據傳輸至GPRS 模塊等待發送。

本系統研發的在線監測系統傳感器只進行電容漏電流信號、脈沖漏電流信號、溫濕度信號這3 種信號的采樣。電容漏電流及環境溫濕度信號在短時間內無法產生較明顯的變化，故數據采集為1 次·min^-1。而脈沖漏電流主要通過峰值進行判定，峰值隨時間變化明顯，因此，脈沖漏電流數據采集頻率為1 次·s^-1。具體采集流程圖見6。

4.3 后臺監控程序

后臺程序監控的運行平臺為微軟開發的Windows 系統，整個后臺監控程序如圖8 所示，主要包含對獲取的數據進行分析的模塊、電纜出現問題后的迅速定位模塊及最終的數據輸出模塊。目前城網電纜的布置主要分布于地下，布置方式是錯綜復雜的，電纜輸出范圍廣，后臺監控程序通過建立數據庫實現對城網電纜各電參量的存儲，方便以后實現歷史數據的查詢和導出。而電纜的迅速定位模塊可對每一段電纜實現監控，一旦電纜的絕緣狀態發生變化，在線監測系統即可發出警報，通過定位模塊，管理人員及工程師可迅速定位至電纜問題端，第一時間對電纜進行維護，最大程度降低財產的損失。

電纜的監測系統在運行過程中，通過實時采集的電纜運行狀態數據，結合電纜的實際運行情況，利用模糊數學的手段實現電纜的絕緣狀態評估，判定是否需要向后臺程序發出預警信號。因在線監測系統中電纜運行數據庫的存在，可將目前的運行狀態與歷史的數據進行對比及趨勢分析，對電纜運行狀態做出預測。

4.4 電纜在線監測的優勢

1）在線監測不需要切斷電源即可使電纜正常運行，可完全避免受斷電因素產生的經濟財產損失。

2）與日常生活中常見的以預防為主的試驗相比，該監測系統一旦投入使用，可無需投入過多精力進行維護，降低維護成本。

3）在電纜工作時，傳感器端實時獲取的數據經過處理，后臺程序可將電纜的實時信息直觀地反映出來，為管理人員對電纜的評估提供實時的數據信息。

4）可以實現每時每刻對電纜進行監控，獲取電纜的實時信息。

圖6 GPRS通訊流程圖

5   結語

本文提出了礦物質絕緣電纜在線監測預警系統總體構架，并對硬件部分和軟件部分進行設計，實現了對電纜絕緣狀態系統監測的研發。該系統在線監測電纜運行狀態的關鍵參數，并實現實時掌控，可以提前發現潛在的故障進行快速維修，提高了管理人員的工作效率，顯著提高了設備的完好性，確保了供電系統的安全可靠性。

參考文獻：

[1] 楊艷晶,趙天,李超權.智慧電纜安全預警系統探討——以智慧電纜為基礎載體的基于光纖傳感技術的電氣安全預警平臺[J].智能建筑電氣技術,2021,15(03):77-80.

[2] 俞鍵,蔡曉春,魏萬永,等.電纜管道監控系統[J].農村電氣化,2014(10):38-39.

[3] 郝玉生,邵世祥.現代移動通信系統[M].北京:人民郵電出版社,1999.4.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年9月期）