基于声表面波的电缆温度监测系统的研究

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近年来,我国用电需求日益增长,电力系统的规模也随之扩大,电缆使用量的急剧增加,给电缆的检修与维护的工作提出新的挑战。敷设在电缆沟内的电缆长期在高压、大电流环境下工作容易引起电缆过负荷运行,或者发生电缆绝缘击穿等故障,这些现象都会引起电缆温度的变化,电缆温度过高而引起的火灾会造成严重的后果,而电缆过热是电力系统常见的故障。因此通过电缆温度监测追踪电缆的运行状态,避免给电力企业和电力用户造成了严重损失。电缆是电力系统的关键设备。电缆常用的温度测量方式有红外测温,光纤光栅测温等。声表面波传感器有体积小、抗干扰性强、无需后期维护等优点,使得基于声表面波的电缆测温技术发展前景广阔,本文设计一种基于声表面波的电缆温度监测系统,对电缆沟敷设电缆进行温度监测。本文首先结合传热学对交联聚乙烯电缆的温度场进行研究,分析了传导方程及不同敷设环境的边界条件。使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立空气中敷设的单芯电缆模型进行仿真,用割线法计算电缆的载流量。分析温度场仿真的结果,用于指导模拟实验平台的搭建。根据实际工程,建立电缆沟电缆敷设模型进行仿真,定位电缆群的温度分布最大点,确定测温传感器的布置位置以及测温系统的报警阀值。建立电缆中间接头模型进行仿真,分析接触电阻对线芯温度的影响,确定电缆中间接头传感器布点位置,解决了无法直接测量线芯温度的难题。其次详细论述了声表面波传感技术的基本原理、声表面波温度传感器的结构、分类及原理。依据声表面波温度传感器的响应特性,改进了传感器结构使其能直接测量电缆导体温度。设计适用于电缆沟敷设电缆的声表面波测温系统,主要设计双供电模式、抗干扰能力强、低损耗的阅读器的硬件和软件,ZigBee网络的应用,实现SAW温度传感器分布式采集电缆的温度信息,并通过ZigBee+GPRS中心节点将数据传输到监控主机,进行温度的监控和报警。最后结合电缆及电缆中间接头搭建模拟试验平台,对所设计的系统性能进行测试,将温度传感器安装在电缆接头内部,测量不同电流下的导体温度,与数字测温系统进行比较,验证测温系统的准确性。
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