感温电缆电气故障辨识系统的设计与实现

赵宏飞，戴晨榕，谭风雷，何 瑜，单 哲，吴 彬，黄 聪

(国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102)

电气火灾高居所有火灾比例之首，在经济发达地区电气火灾占比达到40%，重大火灾中电气火灾占比高达70%以上。发电厂、变电站和换流站是电力系统的重要环节，一旦发生火灾将有可能引起停电事故，造成较大的经济损失，甚至人员伤亡。因此，感温电缆作为火灾报警的测温装置已广泛应用于发电厂和变电站电缆通道与可燃、易燃的设备报警系统中[1]。

感温电缆又名线型感温探测器[2]，数字型电缆已逐渐被模拟型感温电缆所替代[3]。当感温电缆监测到现场环境温度变化时，其监测回路的电阻将随之发生变化[4]，当其温度达到设定的报警阈值时，单片机将通过报警系统发出报警信号。目前感温电缆控制器仅能够判断感温电缆是否有故障，但并不能具体辨识故障的种类和短路故障的定位功能。基于此，本文以单片机为核心，以感温电缆电压为检测参数，通过分压原理计算感温电缆回路电阻，实现感温电缆短路故障和断路故障的有效辨识，当短路故障发生时，能对故障点进行定位。

1 感温电缆电气故障辨识原理

1.1 感温电缆特性

感温电缆示意图如图1所示。感温电缆为温度敏感元件，例如JTW-LD-SF500/85A型感温电缆由三根分别挤塑热敏绝缘材料的导线绞合而成(其中一根起到增加机械强度作用)，能够对沿着其安装长度范围内任意一点的温度变化进行探测。当温度上升至响应值时，感温电缆线芯间的阻值跃变。

图1 感温电缆示意图

可恢复缆式线型定温火灾探测器的感温电缆线芯间具有高阻抗特性，其中每根柔性金属导体外面的绝缘层是用一种特殊的NTC材料制成，当感温电缆受热时，金属导体外面的NTC材料由于热效应发生阻值变化，如图2所示。

图2 感温电缆线芯间电阻与温度曲线图

1.2 电气故障辨识原理

本系统的工作原理示意图如图3所示。其中：R1为回路外加电阻；R2为终端盒内电阻；R1，R2阻值已知，均为1 MΩ；R3，R4为感温电缆线芯间电阻，阻值较大；Rx分别为两根感温电缆线芯电阻，阻值较小；U为供电电源，值为3.3 V；C0，C1为电压测量引出点。

图3 感温电缆电气故障辨识工作原理图

由于Rx阻值远小于R3，R4，因此感温电缆电阻可简化如图4所示。图4中：R5为感温电缆线芯间等效电阻，阻值较大。

图4 感温电缆电气故障辨识简化图

(3)当感温电缆线芯间有短路时，假设a，b处短接，参考图3，由于Rx阻值远小于R3，因此C0，C1之间的电压差近似为0 V。

因此，根据分析结果，可以实现感温电缆电气故障种类的辨识。

1.3 短路故障定位分析

由图3可知，正常情况下，ADC通道采集的电压值近似为施加到感温电缆回路上电压值的一半，为0.5U。如果两根电缆线之间由于机械力破坏、老化等因素发生了短路，即两根电缆直接构成回路，使回路电阻值近似为感温电缆自身构成回路电阻值，C0，C1之间的电压差近似为0 V。

由于两根感温电缆线芯电阻Rx较小，无法使用万用表精确测量，因此考虑采用如下电路进行电阻测量。R6为1 kΩ的固定电阻，R7为0～500 kΩ的可变电阻，1 m的感温电缆与故障电缆Rx串联，a，b为电压测量点。

图5 感温电缆回路电阻测量图

2 电气故障辨识系统的组成及设计

本系统以单片机为核心，主要包括供电单元、采集单元、辨识模块、声光报警系统、显示系统和通信模块等组成，硬件系统如图6所示。

图6 硬件系统组成部分

单片机采用STM32F103RCT6B芯片，该单片机自身最高主频可达72 MHz，拥有丰富的输入输出接口和多个多通道ADC转换模块及SPI等通信接口模块，其自身抗环境干扰能力强，具有丰富的运算性能和控制接口。供电单元由两节可充电的18650锂电池组成，其输出电压可达7.2 V，经稳压芯片为TPS76850和稳压芯片AMS1117，获取稳定的5.0 V和3.3 V直流电源，为微处理器、OLED显示器、指示灯和测量接口供电。OLED液晶显示屏型号为SSD1306，支持片选和复位信号，支持I2C和SPI串行通信协议，也支持休眠与唤醒。无线传输模块的型号HC-05，支持UART通信协议，支持AT指令集设置传输波特率和主从模式等其他工作参数。

3 电气故障辨识系统软件设计及步骤

本系统通过测量电路采集感温电缆两端的电压，通过单片机内部的A/D转换器转换成数字量，并传递到单片机的内部进行下一步处理。感温电缆辨识结果通过LED指示灯、显示屏、蜂鸣器以及蓝牙模块传递到手机端进行视觉化和听觉化的显示，其工作过程如图7所示。

图7 工作流程图

由图7可以看出，本系统辨识过程主要包括以下五步骤。

(1)通过电压测量接口与感温电缆相连接，对感温电缆的电压进行采集和转换。

(2)通过对采集电压的采集、分析，判断感温电缆的状态。

(4)感温电缆发生断路和短路故障均由蜂鸣器实现声音报警，指示灯实现灯光报警。

(5)感温电缆辨识结果通过液晶屏进行状态和参数显示，同时辨识结果将通过蓝牙输送到手机端，进行存储和显示。

液晶屏显示内容主要包括感温电缆状态、端

口电压和短路点位置。单片机程序中加入检测滤波算法和干扰补偿算法，进一步提高检测精准度与仪器可靠程度，能够在复杂的工作环境中实现稳定的检测。

4 结语

感温电缆基本覆盖了生产生活的各个行业，其在火灾报警中起着至关重要的作用。目前感温电缆发生短路故障时，没有短路故障定位功能，需要更换相关的所有电缆。本系统感温电缆电气故障辨识系统可以实现断路和短路故障的辨识功能，同时可以对短路故障进行定位。

感温电缆一旦发生短路故障，确定位置之后，仅需更换发生短路故障的部分，减少了全部更换感温电缆时的资源浪费。另外，本系统通用性强、设计简单，采用多种显示和报警方式，设计成本低廉，为其在感温电缆的广泛应用提供了一定的前提条件。