电缆沟水位和温湿度状态监测及分布式智能控制排水技术创新性研究

徐勇项修波梅小国赖伟军丁陈圆

（国网浙江三门县供电公司317100）

摘要：电缆沟因多数电缆通道大都在马路上，地势较低，雨天雨水会顺着地势流入井中。由于电缆沟与上、下水管道距离较近，在电缆设计时，又未考虑电缆沟的防渗漏处理，势必会造成上、下水和地下水通过井壁渗进井内与排水管之中。还有部分电缆沟道位于河岸边，遭外力破坏井圈下陷，井盖损坏，使路面积水往沟道里倒流。极易发生电缆头破裂现象，而更换电缆头或做中间接头，不仅停电时间长，影响正常供电，还会使电缆线路增加新的故障点。另一方面一旦水位到达电缆横穿的高度，就会造成电缆长期浸泡在水中，不断腐蚀，不仅破会了绝缘性，还会导致电缆进水而引起电缆爆裂。电缆在敷设时，用塑料纸裹住的电缆头也会有水进入，造成电缆烧伤或击穿，这些后果都将不堪设想。所以对于电缆沟中水位的监测报警以及及时排水，尤其显得重要。

关键词：电缆沟；电缆爆裂；电缆头；监测报警

Abstract：Cabletrenchbecausemostcablechannelsaremostlyontheroad，theterrainisrelativelylow，rainwaterwillfollowtheterrainintothewell.Duetothecabletrenchand，waterpipeinaclosedistance，inthecabledesignanddoesnotconsidertheseepagepreventiontreatmentofcabletrench，isboundtocause，waterandgroundwaterbyboreholepenetratedintothewellsanddrainagepipe.Andpartofthecablechannelislocatedintheriverside，beingexternaldamagewellringsubsidenceandcoversdamagetosurfacewaterintothechannelflow.Itiseasytobreakthecablehead，andreplacethecableheadordothemiddleconnector，notonlythepowerfailuretimeislong，theimpactofnormalpowersupply，butalsotoincreasethecablelineofnewfaultpoint.Ontheotherhandoncethewaterlevelreachedtheheightofthecable，itwillcausethecablelong-termimmersioninthewater，andconstantlycorrosion，notonlybroketheinsulation，butalsoleadtothecableintothewaterandcausecableburst.Cablesinthelayingofthetime，withplasticsheetswrappedlivecableheadwillhaveenteredthewater，causingburnsorcablebreakdown，theseconsequenceswillbedisastrous.Sothewaterlevelmonitoringandwarninginthecabletrench，andtimelydrainage，especiallyimportant.

Keywords：Cabletrench，Cableburst，Cablehead，Monitoringalarm

1项目背景

电缆井积水深能达1米左右，因排水困难，电缆巡视人员无法下井进行正常巡视，影响到电缆巡视质量，有可能使电缆运行中的故障隐患不能及时发现，这样不仅影响电缆的正常运行，而且使电缆故障有扩大的危险，交联聚乙烯绝缘一旦形成树枝状放电，严重影响电缆终端或本体的耐压水平。若井中有水时出现电缆终端或接头部位故障后，更换电缆终端头或做中间接头，不仅停电时间长，影响正常供电，还会使电缆线路增加新的可能故障点。

电缆井进水后，产生潮气，如遇电缆因施工或产品质量问题发生裂缝，进入水汽时，不仅破坏了电缆的电气绝缘，还会导致电缆进水而引起电缆爆裂。在电缆敷设时，若电缆井进水，则需用塑料纸袋裹住电缆头，有时会浸在水中，这样就不能保证水气不进入电缆。在牵引和穿管时，有时会发生外护套破裂现象，使电缆渗进水。

因电缆井存有水，敷设后，如未及时进行电缆头制作，使未经密封处理的电缆端口长期暴露在空气中，甚至浸在水中，使水汽大量进入电缆，有可能会造成电缆击穿等故障。出于施工方面考虑，电缆头制作时（包括终端头和中间接头），由于工作相关因素较多，不能保证电缆端头不会滑入有积水的电缆井中。

电缆运行中，发生中间接头击穿等故障时，电缆井中的积水便会沿着缺口进入电缆。在建筑工地，外力引起电缆破损情况时，也会造成电缆进水，给以后正常运行带来隐患。

2系统设计思路和原则

2.1设计思路

信号采集部分利用压力式水位传感器监测水位的变化，压力式水位传感器的输出为4~2OmA电流信号，只需二芯电缆即可传输该信号，且压力式水位传感器体积小巧，一般其直径约为3Omm，长度约为150mm，安装方便。控制中心单片机采用AT89S51，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP􀀹In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，并集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。A/D转换器选用TLC2543。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，有11个模拟输入通道，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源。采用24C01串行的电擦除存储器，存储器数据掉电保持100年之久，便于运行管理。二线制串行E2PROM是一种非易失存储器，以其体积小、功耗低、操作灵活、性价比高、存储数据可靠等诸多优点，是单片机应用系统中非易失存储器的理想选择。采用I2C总线协议，方便地实现AT89S52对二线制串行E2PROM的读写操作。

2.2设计原则

（1）实用性

从具体应用角度出发，兼顾已有的系统，满足变电站环境监控系统的功能需求，使用方便、界面友好，运行稳定，方式有效。

（2）先进性

采用先进和成熟的软件、协议和平台，系统不但要满足当前的应用需要，还应满足将来应用发展的需要。

（3）可靠性和安全性

可靠性是系统真正得到应用的必要条件，必须从各方面考虑集成系统的可靠性。

（4）开放性和标准化

采用开放和标准的网络、操作系统、数据库系统和应用软件系统平台，力求集成系统的各个层次之间相互独立，通过标准的接口进行连接，为今后的继续扩充和发展做好准备。

（5）可管理性和可维护性

系统中信息源点多，数量大，这要求应用软件具有良好的可管理性，这是保证系统正常运行的关键。

（6）灵活可扩展性

系统应在不影响正常运行的情况下，可动态的重组和扩展。

3系统设计

3.1工作原理

水位监测系统主要采用单片机控制技术，结合扩散硅压阻式压力传感器，根据水位高度的不同产生压力的不同，将水位的变化通过水位传感器转化为电流的变化，再利用A/D转换器将其转换成数字量传递给单片机并驱使单片机作出相应反应。通过水位传感器对水位进行检测，被测液体到达水位最高警戒点时，传感器输出电流变化。然后电流变化模拟量被放大、滤波后进入A/D转换器，将4~2OmA模拟信号转换成1024数字量。单片机相应管脚收到变化的数字信号，作出报警反映。

3.2技术路线

系统主要由智能温湿度传感器及变送器，水位传感器，抽水泵，自动排水控制器及相应管件阀门组成。

智能温湿度传感器采及变送器采集电缆浅沟的环境温湿度并进行显示，同时输出两路环境温湿度信号4-20mA电流信号，DC24V供电。温度量程-40—80℃，湿度量程0-99.9%。

1）水位传感器采用投入式液位传感器，投入式水位计基于水体静压与水体高度成正比的原理，采用扩散硅或陶瓷敏感元件将静压信号转换成电信号，再经温度补偿和线性修正后，对外输出标准的水位模拟量信号。量程1米，4-20mA输出。

2）抽水泵采用品牌产品，扬程3-5米，交流220V供电，175W。

自动排水控制器主要由远程控制器GPRS-7203和操控电气箱组成，箱体为480*360*200，内含开关电源、隔离变压器、继电器、按钮、转换开关、空气开关等，方便本地及远程操作，对抽水泵进行启停，远程控制器GPRS-7203具有诸多功能，能采集水源井水位、出水压力、出水流量等信息。

采集水泵运行状态和工作电流、电压等电参数。电流超限、水位超限、控制柜保护、井房停电（需配置蓄电池）等状况发生时，立即上报告警信息。

3）采用GPRS方式与监控中心上位机软件进行远程通讯。

支持手动控制、自动控制、远程控制水泵的启停；控制模式可转换。

3.3系统设计

1）主程序设计

主控单元的软件设计主要包括数据采集模块，数据存储模块和执行模块。主程序从开机就在不间断的循环，永不停止，直到掉电。程序在各个部分不会停下来等待某一部分的结果，而是继续运行到下一个循环再来查询是否得到了相应结果，是则马上处理，否则继续循环。这种运行机制保证了程序执行的准确可靠，尤其对于需要周期性采样的系统。

2）数据采集子程序

数据采集子程序在主程序接收到启动数据采集过程命令字后运行。为提高水位采样信号的真实度，本系统利用程序对水位信息在每10分钟连续采样5次，然后将采样值从小到大排队，再取中间值为真实信号。

3.4系统结构和框架

图1系统结构图

GPRS通讯模块由B型GPRS发送模块和A型GPRS接收模块组成，VPN专网组网。

B型发送模块支持GPRS、短信息两种通讯方式，支持与多中心进行数据通讯。主要功能是完成数据的透传。

A型GPRS接收模块具有1路RS232通讯接口，与上位机监控中心相连。支持GPRS、短信息两种通讯方式，与B型模块组成专网通讯。接收B型模块发送来的数据，同时可下发各种控制命令。外形尺寸：124*99.3*30mm。

3.5系统安装分布图

图3立体图（潜水式抽水泵、自吸式抽水泵）

本次设备安装，配置了潜水式抽水泵、自吸式抽水泵两款抽水泵，方便在实际的工作中开展工作。

本次工程中结合了集水井，提高现场的蓄水量，并且方面系统抽水，更好的保护电缆的安全运行，对以后电缆施工也没有影响。

4系统功能和性能介绍

4.1系统功能介绍

1、智能温湿度采集器实时采集低功耗数字温湿度传感器的温湿度值，并显示在液晶大屏上，远程控制器采集液位及泵的运行状态和启停泵的控制，当液位超过设定值时，自动启动抽水泵，当液位低于设定值时，自动停泵，B型发送模块通过RS485接口对智能温湿度采集器进行抄表，将采集的温湿度上传到后台，同时B型发送模块通过RS232接口对远程控制器进行抄表，将采集的液位及泵的运行状态上传到后台，后台可通过组态软件进行泵的远程启停。

2、多重显示功能

智能温湿度采集器、B型微功耗测控发送模块和后台上位机软件均能显示测量的温湿度数据，便于查看和操作。

3、语音及短信报警功能

系统具有报警事件状态栏，实时报警时，具有上位机语音报警功能，同时将报警信息通过短信方式发送到相关人员手机上。报警事件具有历史存储，方便事故追忆。

4.2系统特点

1）专网组网，无线远传

针对很多电力公司有内网，无外网和网络安全管理的现状，我们不采用GPRS公网组网方式，而是采用VPN专网组网方式，A、B型GPRS模块均有独立的卡号和对应的IP地址，形成一个独立的网络，与其他网络系统互不干扰，系统通过GPRS或短信功能完成采集数据的无线远传。

2）防水封装，装置可靠

针对电缆井环境恶劣的特点，有积水及腐蚀性气体等工况，我们队传感器、采集器进行防水封装，以满足现场工况需求，装置能在上述恶劣环境下可靠运行。

4）实时采集与召唤采集相结合

由于GPRS发送频率影响着数据流量费用，因此设计上采集温度数据的时间可以设定，根据设定的时间将数据进行更新，当采集的温度数据超温越限后，后台立即报警。当需要理解查看现场监测参量时，可进行立即召唤刷新数据。

5）电子地图，测点定位

在电子地图上能查看到B型GPRS安装在哪个电缆井，能对监测点进行定位，如监测点为某条马路某个编号的电缆井及某条电缆线路的某个电缆接头。

抽水泵参数：

电源参数220V/50HZ

输入功率（w）290

输出功率（w）175

4.3系统主站介绍

主站由主机服务器和分析监控软件构成，是数据处理和分析的中心。数据采集终端与主站间的数据传输是通过GPRS（CDMA）无线通讯网络来完成的。系统平台根据监测主站汇集的各节点（每个沟井各采集器上传的数据）数据进行全面报表分析，报警分析判断，实时监测电缆沟井电缆运行及环境状态，使管理人员得以最新资料，安排调度处置工作得心应手。

系统主站软件

软件界面具有登陆人员权限管理、数据报表查询、报警时间显示和报警时间查询功能，并结合地理信息系统给出工作沟井具体坐标，对每一个电缆井进行编号，保证了数据的唯一性。以地图方式显示，方便以图形化界面查询，可实时显示所有所检测的沟井信息，支持即时查询。软件支持参数设置调整功能，可根据季节变换或者监测临时计划改变来设置调整报警参数。

在运行中报警信息会以故障点屏幕闪烁报警来提醒监控操作人员有异常情况发生，现场根据故障类型发送即时短信（通过GPRS/GSM）通知值班人员，使电缆沟井故障预测、报警及时，技术管理有很大程度的提高。

从下图可知，本次项目在三门县变电站安装了本套监测装置，对温度进行实时在线监测。

图6历史统计

电缆井智能水位在线监测与排水系统能够实时、可靠、准确地监测电缆测温部位的实时水位数据、环境温湿度和水泵运行情况。当系统监测到水位存在抽水时，下位机监控系统系统将自动发送温度越限告警信息，上位机主站系统发出报警语言提示和大屏幕数显。

电缆井智能水位在线监测与排水系统具有历史数据查询、历史统计、历史曲线查看、等功能。

电缆井智能水位在线监测与排水系统具有检测项目模块化、可靠性高、便于安装和维护，低功耗、低成本等优点，能够在电力电缆沟井巡检中节省大量人力物力，节约运行成本。鉴于规模庞大的地下供电网络，电缆分布众多的特点，此系统对避免电缆火灾、爆炸、被盗事故的发生，增强地下电网的安全运行可靠性，提高企业经济效益有着重大而深远的意义。

5、总结与展望

电缆沟水位和温湿度监测系统是一种无人值守的自动化、智能化的监测系统，采用单片机控制技术，结合扩散硅压阻式压力传感器，根据水位高度的不同产生压力的不同，将水位的变化通过水位传感器转化为电流的变化，再利用A/D转换器将其转换成数字量传递给单片机并驱使单片机做出相应反应。通过水位传感器对水位进行检测，被测液体到达水位最高警戒点时，传感器输出电流变化。还可广泛应用于地震前兆及地下水动态监测、水利部门地下水观测、环境保护部门地下水观测等领域。不仅减轻了运行与维护人员的工作量和劳动强度，还能够更准确更及时的进行报警与排水处理。

参考文献：

[1]邓雷.500kV芝堰变电所电缆沟温度在线监测技术应用

[2]国云鹏，田书.高压电缆沟温度监测研究的现状.中国科技博览，2015年，第15期.

[3]李胜国.电力电缆及其管沟在线综合监控系统的研究.山东大学，2014.

[4]高超.温湿度环境和水位实时监测系统在电力系统换流站的典型应用.通讯世界，2014.