CN111130052A - 用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒及监测方法，本发明通过在现有防爆盒的基础上增加传感单元、灭火单元来实现内外部环境监测，并且提供主动保护的作用，其中灭火单元可以采用填充气溶胶、灭火器等，例如灭火器通过与控制单元通信保证灭火可以及时可靠启动；这里的灭火器可采用现有的可电动控制的灭火器，触发方式通过传感单元实现，类似烟雾报警器等触发方式均可；通过控制单元对传感单元实现数据融合，实现各传感器采集信息的数据融合与电能管理的统一调配，以减小功耗，延长装置运行寿命。通过部署所述防爆盒，构建基于防爆盒感知的监测网络，实现配电网电缆网络的运行状态监测。

Description

用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒及监测方法

技术领域

本发明涉及防爆盒、电力系统在线监测以及无线通信技术组网通信等技术领域，具体涉及用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒及监测方法。

背景技术

随着我国城市化进程的不断加速，配电网不断发展，城市电缆在铺设规模上已经十分巨大，维护电缆安全稳定运行也成为保证供电可靠性的一个重要环节。而电缆铺设于地下，对电缆定期的巡检需要投入大量的人力物力，而且很难及时发现电缆的安全隐患与故障位置。因此，开展电缆运行状态的在线监测，实现故障预防、排查，及时减小故障发生后的影响范围，将具有重要的意义。

另一方面，根据现有的配电网运行经验，大量的电缆爆炸、电缆火灾等劣性电缆事故发生在电缆中间接头处。因此，电缆中间接头将是电缆运行状态在线监测的重要节点。目前，为保护电缆中间接头，防止事故发生和进一步扩大，普通的电缆防爆盒已经逐渐成为新建城市配电网中的标准配置，然而只能实现电缆中间接头的被动保护，无法实现故障的及时预警与主动保护。

本发明提出了一种用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，以及该防爆盒的电缆与性能状态监测系统的的构建方法。将电缆中间接头作为在线监测的主要节点，通过物联网技术的应用，构建电缆运行状态监测网络，实现多种电缆运行故障的及时预警与主动防御。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒及监测方法，安装于区域级的配网网络电缆中间接头上，具备多种传感能力，可以通过无线通信技术组网通信，实现对区域级的配电网络电缆运行状态的监测与保护；此外，除以上优势应用场合外，本发明也可以作为电缆中间接头防爆盒独立运行。

用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，包括壳体、电缆接头、传感单元、灭火单元以及控制单元，所述电缆接头设置在壳体中，所述传感单元安装在所述电缆接头上方，所述灭火单元、控制单元均设置在所述壳体上，所述传感单元、灭火单元均与所述控制单元通信连接。

本发明通过在现有防爆盒的基础上增加传感单元、灭火单元来实现内外部环境监测，并且提供主动保护的作用，其中灭火单元可以采用填充气溶胶、灭火器等，例如灭火器通过与控制单元通信保证灭火可以及时可靠启动；这里的灭火器可采用现有的可电动控制的灭火器，触发方式通过传感单元实现，类似烟雾报警器等触发方式均可；通过控制单元对传感单元实现数据融合，实现各传感器采集信息的数据融合与电能管理的统一调配，以减小功耗，延长装置运行寿命。

进一步的，为了方便安装拆卸，所述壳体包括上壳体、下壳体，所述上壳体、下壳体上均设置有法兰盘，所述上壳体、下壳体通过该法兰盘连接。

进一步的，所述传感单元、灭火单元通过数据线与控制单元电性连接。

进一步的，所述控制单元上设置有光敏开关、通信模块以及定位模块，所述通信模块包括有线通信模块和/或无线通信模块。所述传感单元包括温度传感器、湿度传感器、红外传感器、压力传感器、振动传感器以及有害气体传感器。实现防爆盒内电缆接头温湿度、红外、压力、光照等物理量的采集，具备无线通信模块，定时上传采集物理量，供监控平台监测电缆网络运行情况，在探测到过温、水淹、接地故障时，立即发出报警信号，在火灾、爆炸等事故时，报警并启动主动灭火器，灭火散热，防止火势扩大。

进一步的，所述壳体内侧设置零序电流传感器，所述壳体内部剩余空间均填充防火隔热阻燃材料。

进一步的，所述灭火单元包括内置灭火模块和泄能导管。

进一步的，所述内置灭火模块设置在所述壳体内部，所述泄能导管设置在壳体表面，所述泄能导管与壳体内部相通。

进一步的，该电缆中间接头防爆盒还包括温敏开关、水位传感器、超级电容，所述超级电容与所述传感单元、灭火单元电性连接，所述超级电容设置在所述控制单元中；所述温敏开关、水位传感器均与所述控制单元连接，所述温敏开关设置在电缆接头上，所述温敏开关设置有若干个，且每个温敏开关的触发阈值不同，所述水位传感器设置在所述壳体表面。

基于电缆中间接头防爆盒的电缆运行状态监测方法，包括监控平台、移动终端以及电缆，还包括以下步骤：

部署电缆中间接头防爆盒，当所述电缆中间接头防爆盒安装在目标位置后，录入电缆编号、进行GPS定位并得到GPS定位信息，将所述电缆编号、GPS定位信息上传监控平台与所述电缆中间接头防爆盒唯一对应或映射；所述电缆中间接头防爆盒部署完成后进入休眠状态，所述休眠状态为控制单元控制传感单元定时采集传感数据，并存储所述数据用于上传；

异常状态告警，所述传感单元设置有采集阈值，当所述传感单元采集的传感数据超过所述采集阈值时，会发送告警信号至控制单元和灭火单元；

主动保护及防御，当所述灭火单元接收到所述告警信号时，所述灭火单元动作；

建立运行状态监测网络，将所有部署完成的所述电缆中间接头防爆盒通过控制单元接入物联网，并将所述电缆中间接头防爆盒采集的传感数据、告警信号上传至监控平台；

监控平台数据分发，所述监控平台将所述传感数据、告警信号发送至移动终端。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明基于物联网技术，在电缆中间接头防爆盒中关键位置安装各类传感器，能够实现电缆故障时的主动防护与告警。

2、本发明利用安装与电缆网络关键节点的所述电缆中间接头防爆盒，通过物联网技术组网，构成了电缆网络运行状态监测系统，由于防爆盒已逐渐成为电缆网络安全保证的标配装置，通过安装电缆中间接头防爆盒实现电缆在线监测网络，本发明具有较高的可行性与经济性。

3、本发明使用超级电容驱动灭火模块，并作为后备电源驱动通信模块发送掉电信号，实现了较高的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为电缆中间接头防爆盒的结构示意图；

图2为电缆中间接头防爆盒的剖视图；

图3为电缆中间接头防爆盒的原理示意图；

图4为本发明实施例2的示意图。

附图中，1-上壳体，2-下壳体，3-法兰盘，4-接口，5-加强筋，6-泄能导管，7-控制单元，8-天线，9-数据线，10-传感单元，11-固定装置，12-内置灭火模块，13-防火隔热阻燃材料，14-零序电流传感器，15-密封圈，16-电缆，17-电缆接头。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图1至3所示：

用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，包括壳体、电缆接头17、传感单元10、灭火单元以及控制单元7，所述电缆接头17设置在壳体中，所述传感单元10安装在所述电缆接头17上方，所述灭火单元、控制单元7均设置在所述壳体上，所述传感单元10、灭火单元均与所述控制单元7通信连接。所述电缆接头17用于连接电缆16，所述传感单元10可选用传感探针等现有技术，并通过固定装置11固定，该固定装置11可选用固定凝胶或刚性结构支撑件。

本发明通过在现有防爆盒的基础上增加传感单元10、灭火单元来实现内外部环境监测，并且提供主动保护的作用，其中灭火单元可以采用填充气溶胶、灭火器等，例如灭火器通过与控制单元7通信保证灭火可以及时可靠启动；这里的灭火器可采用现有的可电动控制的灭火器，触发方式通过传感单元10实现，类似烟雾报警器等触发方式均可；通过控制单元7对传感单元10实现数据融合，实现各传感器采集信息的数据融合与电能管理的统一调配，以减小功耗，延长装置运行寿命。

在本实施例中所述壳体的表面还设置有加强筋5，所述壳体的前后端设置接口4以及密封圈15.

在本实施例中：

数据融合：由防爆盒控制单元调配各传感器数据采集资源，各传感器轮流采集数据后，经由控制单元汇聚为统一格式后发送，减少每次发送数据字节数，最大化降低通信能耗。防爆盒与后台之间的信息交换采用简短数据格式，自定义校验格式，降低数据上下交换量，缩短连接时间，降低能耗。

电能管理分配：由防爆盒控制单元调配各传感器轮流供电与休眠，最小化闲置传感器能耗。传感器启动，可以由定时开机关机、预约开关机、异常触发开机关机等多种方式相结合，降低能耗。

为了方便安装拆卸，所述壳体包括上壳体1、下壳体2，所述上壳体1、下壳体2上均设置有法兰盘3，所述上壳体1、下壳体2通过该法兰盘3连接。

所述传感单元10、灭火单元通过数据线9与控制单元7电性连接。

所述控制单元7上设置有光敏开关、通信模块以及定位模块，所述通信模块包括有线通信模块和/或无线通信模块。所述传感单元10包括温度传感器、湿度传感器、红外传感器、压力传感器、振动传感器以及有害气体传感器。所述有害气体传感器为现有技术，例如美国SPEC Sensors硫化氢传感器等；实现防爆盒内电缆接头温湿度、红外、压力、光照等物理量的采集，具备无线通信模块，定时上传采集物理量，供监控平台监测电缆网络运行情况，在探测到过温、水淹、接地故障时，立即发出报警信号，在火灾、爆炸等事故时，报警并启动主动灭火器，灭火散热，防止火势扩大。所述无线通信模块可采用现有无线通讯技术，在本实施例中采用天线8增强传输能力。

所述壳体内侧设置零序电流传感器14，所述壳体内部剩余空间均填充防火隔热阻燃材料13。

所述灭火单元包括内置灭火模块12和泄能导管6。

所述内置灭火模块12设置在所述壳体内部，所述泄能导管6设置在壳体表面，所述泄能导管6与壳体内部相通。

在本实施例中：

该电缆中间接头防爆盒还包括温敏开关、水位传感器、超级电容，所述超级电容与所述传感单元10、灭火单元电性连接，所述超级电容设置在所述控制单元7中；所述温敏开关、水位传感器均与所述控制单元7连接，所述温敏开关设置在电缆接头17上，所述温敏开关设置有若干个，且每个温敏开关的触发阈值不同，所述水位传感器设置在所述壳体表面。

温度传感器安装于电缆接头处，具有多个，沿电缆接头一字分布，各传感器测量温度计算平均值，用于监测电缆接头平均温度。

红外传感器安装于方便盒壳体内侧，靠近电缆接头处，用于监测电缆接头局部过热，防爆盒控制单元根据红外传感器采集信息，结合监控平台发送的温度阈值，判断时候存在局部过热，若存在局部过热，立即告警，并启动灭火模块。

压力传感器：安装于防爆盒壳体内侧泄压孔附近，用于监测防爆盒内部压力，探测快速温升或爆炸。

振动传感器：一对振动传感器，于防爆盒壳体内部对称安装，通过将信号差分相减，可抵消部分外部振动信号干扰，用于测试由于电动力引起的电缆振动。

零序电流传感器：为环形传感器，绕电缆一周安装，用于测量电缆中由于接地故障或三相负荷不平衡引起的零序电流。

水位传感器：安装于防爆盒外部，探测防爆盒外部水位情况。水位传感器亦可作为调试启动键，快速连续触碰3次，防爆盒控制单元开启调试状态。

内置灭火模块：安装于防爆盒内部，填充气溶胶，温度传感器或防爆盒控制单元在火灾或爆炸时，均可单独触发其进行灭火，降低事故影响范围。灭火器驱动电流通过超级电容提供，保证灭火可以及时可靠启动。

泄能导管：降低爆炸时对内部元件的的冲击。

光敏开关：安装防爆盒壳体外部，探测井盖开启或灯照光源时导通电源，向防爆盒控制单元发送触发信号，并由防爆盒控制单元发送告警信号至后端监控平台，用于防盗报警。

温敏开关：安装于电缆接头处，当电缆接头温度高于灭火阈值时直接导通，通过超级电容驱动灭火模块，具有最高优先级。在本实施例中温敏开关设有3个，触发阈值分别为60℃、90℃、120℃，温度高于60℃时，触发温度为60℃的温敏开关导通，触发控制单元启动，并上传各状态监测量到后台后，记录60℃的触发时刻，控制单元再进入休眠状态；温度高于90℃时，触发温度为90℃的温敏开关导通，触发控制单元启动，并计算当前时刻与记录的60℃触发时刻之间的时间差，若是大于1分钟，且120℃开关未触发，则并上传各状态监测量到后台后，控制单元再进入休眠状态，若是小于1分钟，则立即启动灭火；触发温度为120℃的温敏开关直接接入灭火单元控制回路，，温度高于120℃时，直接导通，启动灭火。

具备超级电容电量监测功能，在超级电容电量过低时向后台发出告警信号。

具备掉电告警功能，在防爆盒控制单元掉电瞬间，利用超级电容电量通过通信模块向后台发送掉电告警信号。

基于电缆中间接头防爆盒的电缆运行状态监测方法，包括监控平台、移动终端以及电缆，还包括以下步骤：

部署电缆中间接头防爆盒，当所述电缆中间接头防爆盒安装在目标位置后，录入电缆编号、进行GPS定位并得到GPS定位信息，将所述电缆编号、GPS定位信息上传监控平台与所述电缆中间接头防爆盒唯一对应或映射；所述电缆中间接头防爆盒部署完成后进入休眠状态，所述休眠状态为控制单元7控制传感单元10定时采集传感数据，并存储所述数据用于上传；

异常状态告警，所述传感单元10设置有采集阈值，当所述传感单元10采集的传感数据超过所述采集阈值时，会发送告警信号至控制单元7和灭火单元；

主动保护及防御，当所述灭火单元接收到所述告警信号时，所述灭火单元动作；

建立运行状态监测网络，将所有部署完成的所述电缆中间接头防爆盒通过控制单元7接入物联网，并将所述电缆中间接头防爆盒采集的传感数据、告警信号上传至监控平台；

监控平台数据分发，所述监控平台将所述传感数据、告警信号发送至移动终端。

实施例2

如图4所示：

1、部署电缆中间接头防爆盒，安装时的人员将主动定位信息传至设备与监控平台，校正防爆盒定位，将防爆盒ID与安装位置对应，并在后期经过巡检人员核实。

2、通过(NB-iot、Lora)等物联网无线通信技术建立电缆运行状态监测网络。如图3所示。

3、防爆盒内传感器正常情况下处于休眠状态，直到防爆盒控制单元唤醒。防爆盒轮流唤醒传感器并通过定时对环境数据进行采集(例如：温度传感器采样间隔1小时，红外传感器采样1小时，压力传感器采样间隔1小时，振动传感器采样间隔4小时，零序电流传感器采样间隔1小时，水位传感器采样间隔2小时)，采集数据完成后由防爆盒按照字节最少的原则将采集数据统一打包发送至数据云端，后台监控平台再定时根据防爆盒ID列表，逐一向数据云端申请各防爆盒采集数据，若获取失败，则将数据获取失败防爆盒标记为通讯异常防爆盒，在下一个通信时刻再次申请获取失败数据包，多次(例如：3次)获取失败，则向监控人员告警。

4、防爆盒若发生火灾直接触发温敏开关灭火时，同时触发防爆盒控制单元火灾告警，防爆盒控制单元中断所有进程，最优先发送带火灾标识与防爆盒ID的告警信号至数据云端，数据云端检测到火灾标识，优先向监控平台推送该告警信号，监控平台收到该告警信号后，以最高优先级向监控人员提示，在区域电缆分布图上显示火灾范围，并预测可能波及区域，立即发送至检修人员手机APP告警。

5、防爆盒光敏开关若触发告警，则以第二优先级发送带入侵标识与防爆盒ID的告警信号至数据云端，数据云端检测到入侵标识，以第二优先级向监控平台推送该告警信号，监控平台收到该告警信号后，以第二优先级向监控人员提示，并立即发送至检修人员手机APP告警。

6、监控人员根据本地电网运行实际情况，设置温度、压力、振动、水位采集数据的告警阈值，在监控平台获取到以上数据并发现超出设定阈值后，在监控平台向监控人员以及向检修人员手机端APP发送越限告警，提醒重点关注。设置温度、压力的灭火阈值，超过该阈值时，立即通过数据云端向越限防爆盒发送指令，触发灭火模块灭火。

7、监控平台通过接收到的防爆盒位置数据及温度、压力、水位数据，通过统计方法、算法(例如：按照格拉布斯准则)判断相同电缆井中的电缆接头、邻近电缆井中的电缆接头是否存在异常值。若存在，则在监控平台向监控人员以及向检修人员手机端APP发送对应防爆盒ID的温度异常告警。

8、监控平台根据接受到的各防爆盒零序电流大小以及各电缆设定的零序电流告警阈值，结合历史数据，计算判断该防爆盒所属电缆是否存在三相负荷不平衡或单相接地故障(例如：若零序电流较小的电缆在最近几个数据采集时刻零序电流异常增大，则判断为接地故障)，若判断为单相接地故障，则根据不同电缆井的防爆盒零序电流传感器数据，判断故障点位置(例如：故障点位于IDx与IDy的防爆盒之间)，并将告警信息发送至监控平台以及检修人员手机APP。

9、监控平台根据以上采集到的环境数据以及告警数据，在区域电缆分布图上显示温度、水位、压力、振动预警区域，并涉及防爆盒纳入重点检修计划，推送至检修人员手机APP。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于：包括壳体、电缆接头(17)、传感单元(10)、灭火单元以及控制单元(7)，所述电缆接头(17)设置在壳体中，所述传感单元(10)安装在所述电缆接头(17)上方，所述灭火单元、控制单元(7)均设置在所述壳体上，所述传感单元(10)、灭火单元均与所述控制单元(7)通信连接。

2.根据权利要求1所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于，所述壳体包括上壳体(1)、下壳体(2)，所述上壳体(1)、下壳体(2)上均设置有法兰盘(3)，所述上壳体(1)、下壳体(2)通过该法兰盘(3)连接。

3.根据权利要求1所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于，所述传感单元(10)、灭火单元通过数据线(9)与控制单元(7)电性连接。

4.根据权利要求1所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于，所述传感单元(10)包括温度传感器、湿度传感器、红外传感器、压力传感器、振动传感器以及有害气体传感器。

5.根据权利要求1所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于，所述壳体内侧设置零序电流传感器(14)，所述壳体内部剩余空间均填充防火隔热阻燃材料(13)。

6.根据权利要求1所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于，所述控制单元(7)上设置有光敏开关、通信模块以及定位模块，所述通信模块包括有线通信模块和/或无线通信模块。

7.根据权利要求1所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于，所述灭火单元包括内置灭火模块(12)和泄能导管(6)。

8.根据权利要求7所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于，所述内置灭火模块(12)设置在所述壳体内部，所述泄能导管(6)设置在壳体表面，所述泄能导管(6)与壳体内部相通。

9.根据权利要求1所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，其特征在于，还包括温敏开关、水位传感器、超级电容，所述超级电容与所述传感单元(10)、灭火单元电性连接，所述超级电容设置在所述控制单元(7)中；所述温敏开关、水位传感器均与所述控制单元(7)连接，所述温敏开关设置在电缆接头(17)上，所述温敏开关设置有若干个，且每个温敏开关的触发阈值不同，所述水位传感器设置在所述壳体表面。

10.基于电缆中间接头防爆盒的电缆运行状态监测方法，基于权利要求1-9其中任一项所述的用于电缆运行状态监测的电缆中间接头防爆盒，包括监控平台、移动终端以及电缆，其特征在于，还包括以下步骤：

部署电缆中间接头防爆盒，当所述电缆中间接头防爆盒安装在目标位置后，录入电缆编号、进行GPS定位并得到GPS定位信息，将所述电缆编号、GPS定位信息上传监控平台与所述电缆中间接头防爆盒唯一对应或映射；所述电缆中间接头防爆盒部署完成后进入休眠状态，所述休眠状态为控制单元(7)控制传感单元(10)定时采集传感数据，并存储所述数据用于上传；

异常状态告警，所述传感单元(10)设置有采集阈值，当所述传感单元(10)采集的传感数据超过所述采集阈值时，会发送告警信号至控制单元(7)和灭火单元；

主动保护及防御，当所述灭火单元接收到所述告警信号时，所述灭火单元动作；

建立运行状态监测网络，将所有部署完成的所述电缆中间接头防爆盒通过控制单元(7)接入物联网，并将所述电缆中间接头防爆盒采集的传感数据、告警信号上传至监控平台；

监控平台数据分发，所述监控平台将所述传感数据、告警信号发送至移动终端。

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