电力电缆火灾风险评估及在线监测系统研究

电力电缆火灾风险评估及在线监测系统研究

姜龙

内蒙古电力（集团）有限责任公司巴彦淖尔供电分公司内蒙古自治区巴彦淖尔市杭锦后旗015400

摘要：在当前国民经济及城市化快速发展时代，人们对电力建设的需求与日俱增，电力电缆以其节省地面空间、安全可靠等优点得到了广泛应用。

关键词：电力电缆；火灾风险评估；在线监测

据统计，电气火灾约占全国火灾总数的三分之一，电线电缆火灾占50%，部分城市甚至更高。由于电缆通道空间狭小，电缆通常多回路密集敷设，当电缆线芯过热、接头电阻增大、电弧故障或存在外部热源时，可能会引发火灾，导致严重生产事故。因此，对电力电缆进行火灾风险评估对确保电缆线路安全可靠运行意义重大。而电力电缆火灾在线监测系统可将电缆沟内各电缆接头处温度传至主控室主机，当温度上升或升温速度超过给定报警值时，会及时报警，方便运行人员随时处理和消除隐患，有效防止电力电缆火灾的发生，确保了电力系统的安全运行。

一、电力电缆火灾风险评估模型

电力电缆火灾风险评估是基于在线监测数据，结合电缆敷设信息，对电力电缆火灾风险进行综合评估。主要基于在线监测方法来获取电缆线路的运行状态，然后用科学方法来评估其火灾风险，最终确定电缆线路各段火灾风险等级。根据不同火灾风险等级，及时采取不同措施，避免电缆火灾事故的发生。

1、电力电缆火灾风险等级评估集。将电力电缆的火灾风险等级分级，以获得电力电缆火灾风险等级评估集，火灾风险等级越高，则火灾发生的可能性及影响范围越大。为了表明清晰，用百分制评判标度来标识火灾风险等级。

2、基于层次分析法及模糊综合评价的评估模型。将影响电力电缆火灾风险的评估指标分为三个一级评估指标：电缆运行参数、电缆故障和电缆敷设。其中，电缆运行参数包括四个二级评估指标：导体温度、载流量、环境温度、环境湿度。电缆故障包括两个二级评价指标：绝缘老化、单相接地故障。电缆敷设包括敷设、固定方式两个二级评价指标，共包括8个二级评估指标。

(1)建立问题的层次结构模型。层次分析法将评估模型分为三个层次：最高层次(目标层)代表决策的目的和需解决问题；中间层(指标层)代表需考虑因素和决策指标；最底层(方案层)代表决策方案。

(2)建立模糊判断矩阵。在层次分析中，比较同一层次评估指标，并定量表示一个指标对另一个指标的重要性，以获得判断矩阵。

(3)确定评估指标的隶属度矩阵。评估指标的隶属度反映了指标对事物本身的影响程度。为更好地反映各二级评估指标对电缆火灾风险的影响，可将各二级评估指标划分为分级范围，并列出其隶属度。

(4)确定评判标度。基于各二级评估指标和隶属度矩阵，能获得评判标度。

二、开发电力电缆火灾在线监测系统的必要性

长距离且走向复杂的电力电缆敷设在各种发电厂及变电站中，这些电缆在高压和大电流环境中长期运行，易导致温度升高和异常，导致电缆接头爆炸并引发火灾。目前，全国运行中80%以上的电力电缆故障是由其附件故障引起的，其中电缆接头占事故的一半以上。在沟道或隧道中敷设电缆接头时，相距其它运行电缆较近，所以要防止故障电缆引燃其它运行电缆。电力电缆敷设距离长、走向复杂，运行人员定期巡视方法、间隔、准确性等方面存在很多问题。因此，电力电缆火灾在线监测系统的研究和设计旨在实时监测其温度变化，当温度或升温速度超过极限时，有及时报警并指出发热点位置(温度探头位置)，通知运行人员及时处理，确保运行安全，避免经济损失。

三、电力电缆火灾在线监测系统的总体设计

根据实际生产现场，电力电缆火灾在线监测系统设计为分散测量和集中监视的系统结构，主要由温度传感器、现场工作子站、总线接口和主机四部分组成。

系统中使用的温度传感器是DS1820数字温度传感器，测量范围为-55～125℃，测量精度为±0.5℃，能准确测量电缆接头或其它安装位置的温度。数字温度传感器采用半双工数据通信接口，子站向其输入识别码和命令字，它向子站输出数字温度值(通过单总线进行)。

子站的任务是实时采集温度传感器的一系列数据，经过简单处理后，通过接口电路将传感器编号和相应的数据传输给主机。主机负责管理所有子站，接收来自每个子站的数据，并在Windows环境中以良好的用户界面管理及显示现场数据。

四、子站的硬件设计

考虑到现场电缆走向复杂、分布范围广，若所有温度传感器都通过接口电路直接连接到主机，必然会导致系统连接和管理复杂化，增加维护难度。该系统设计为分层分布式结构，由子站实时采集与其相连的一系列温度传感器数据，经各子站的处理，代表电缆位置信息的传感器编号和相应的温度数据通过远程通信接口电路传输到主机。这种设计简化了系统结构，便于管理及维护。

子站核心是8位单片机89C51，Intel 89C51有4列化KBEEPROM作为程序存储器，128 BRAM作为数据存储器。复位电路采用上电自动复位、按钮手动复位、定时器自动复位等多种复位设计，确保子站工作可靠。时钟电路由外接石英晶体振荡器和电容组成的三点振荡电路，以及内部反向放大器组成，时钟频率为12 MHz。

Intel 89C51的16位内部定时/计数器以中断模式运行，控制子站定时扫描与其相连的传感器，内部并行口线用于子站和温度传感器之间的单总线数据传输。考虑到一台子站需连接多个温度传感器，且距离较长，因此增加了驱动接口电路，通过光电耦合将传感器连接起来，从而提高了子站的抗干扰能力及可靠性。

五、接口设计

子站负责采集温度数据并对数据进行简单处理，并通过接口电路将传感器编号和相应的温度数据发送给主机。Intel 89C51具有片内串行接口，在串行口控制寄存器SCON控制下，能方便地在移位寄存器模式、可变波特率的8位异步通信、固定波特率的9位异步通信、可变波特率的9位异步通信中工作。由于Intel 89C51的串行口为TTL电平，而上位机(主机)串行口为RS-232电平，因此通常的设计是使用MC1488/MC1489电平转换接口电路。

RS-232串行通信标准规定允许驱动器具有2500pF的电容负载，因此通信距离受到很大限制，通常不超过15m。此外，RS-232串行接口采用单端信号传输方式，抗干扰能力差。考虑到RS-232串行接口的固有缺点，以及子站数量多、分布范围大、与主机距离远的实际情况，本设计采用RS-485串行总线形成子站与主机间的接口。

RS-485串行数据发送接收器采用平衡发送及差分接收，具有较强的共模干扰抑制能力，并且接收器灵敏度高，通信距离可达1000m以上。在通信线路安装方面，RS-485总线比RS-232总线优势多，RS-232总线采用三线共地传输，而RS-485总线采用两线差分传输，即RS-485总线能使用一对双绞线在主机和多个子站之间轻松地形成分布式系统。

RS-485接口芯片可使用MAX485系列单5V供电低功耗RS-485和RS-422通信接口芯片(MAX481、MAX483、MAX485、MAX487～MAX491、MAX1487)，其中，MAX483、MAX487、MAX488、MAX489的传输速率为250Kbit/s，这能减少由线路终端阻抗不匹配引起的反射。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1487传输速率最高可达2.5Mbit/s。MAX488～MAX491为全双工数据接口，而MAX481、MAX483、MAX485、MAX487、MAX1487为半双工数据接口，这些芯片的共模输入电压均为-7～+12V。

参考文献：

[1]曹晓珑.电路电缆在线测温及载流量的研究进展与应用[J].输配电技术，2015.