技术领域
[0001] 本发明属于电力电缆领域，具体涉及一种无源无线测温的电缆火灾监测预警与灭火装置。
相关背景技术
[0002] 随着我国经济持续快速增长，生活用电以及企业用电需求越来越大。电力电缆作为传输电能的主要方式之一，其可靠性具有重要意义。目前在电缆设计、生产、安装维护和运行环境等多种因素的影响下，由电缆损坏带来的停电事故呈现高发状态，是电网安全运行的重要隐患之一。
[0003] 电缆接头处发生的各类故障并不是一个突发的过程，而是因为接头处温度不断升高，使绝缘逐步老化、泄漏电流逐渐增加，到达一定程度后再发生击穿，是一个由量变到质变的过程。因此，连续地监视电缆接头温度的变化，就可准确地了解其工作状况，根据情况适时进行停电检修。虽然部分电缆井全面覆盖了干粉灭火弹，但是这些灭火弹无法实现远程控制和远程监控，在出现火情使运维人员无法得知动作位置从而及时赴现场抢修。此外，目前国内高压电缆新建线路普遍配置了全线的光纤测温系统，但是一些运行多年的老旧电缆井、电缆沟的测温手段仍然欠缺，且这些位置的故障隐患更大。
具体实施方式
[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0045] 本发明实施例1提出一种无源无线测温的电缆火灾监测预警与灭火装置，包括供电模块、数据采集模块、后台中继模块和灭火模块。
[0046] 供电模块分别与数据采集模块、后台中继模块和灭火模块相连，用于给数据采集模块、后台中继模块和灭火模块供电；
[0047] 供电模块包括在线取电单元、锂电池单元和电池逆变单元，在线取电单元的电能存储在锂电池中，锂电池单元的电能通过电源逆变单元产生不同大小的直流电压，用于给数据采集模块、后台中继模块和灭火模块供电。
[0048] 数据采集模块包括无源温度采集模块，数据采集模块包括无源温度采集模块、气体采集模块和数据传递模块，供电模块分别与数据采集模块中的气体采集模块和数据传递模块相连，并给气体采集模块和数据传递模块供电。
[0049] 无源温度采集模块包括静电感应单元、无源测温单元和控制单元，静电感应单元与无源测温单元连接，用于采用电容原理从带电电缆与大地之间的电容获取电场能量，作为无源测温单元的电能量，电容获取的电流为0.8uA左右。
[0050] 无源测温单元采用无源温度传感器AM2301进行温度测量，对采集到的温度在内部进行校准后转换为数字信号输出，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，温度分辨率为0.1℃，无源测温单元用于采集温度数据。
[0051] 无源测温单元与温度处理单元相连，用于将温度数据传递给温度处理单元进行模数转换，温度处理单元内置模数转换器，把温度数据从模拟信号转换成数字信号。
[0052] 无源温度采集模块与数据传递模块连接，用于将采集的温度数据通过单总线通信传递给数据传递模块；
[0053] 气体采集模块与数据传递模块连接，用于将采集的气体数据通过单总线通信传递给数据传递模块。
[0054] 数据传递模块包括MCU气体单元、MCU温度单元和Lora单元，MCU温度单元获取无源温度采集模块中温度处理单元采集的温度数据，然后将温度数据传送至Lora单元，Lora单元将接收的温度数据发送至后台中继模块。
[0055] MCU气体单元获取气体采集模块采集的气体数据，再将气体数据通过串口模式发送给后台中继模块。
[0056] 后台中继模块与预警模块连接，用于根据温度数据和气体数据计算火灾发生率大于设定阈值时，判定发生火情，将预警信息接入预警模块；
[0057] 预警模块用于接收到后台中继模块的预警信息后进行火灾预警；
[0058] 预警模块包括站所终端和配电主站，站所终端和配电主站相连，站所终端用于接收后台中继模块通过串口接口和MODBUS协议接入的预警信息，再通过调度通道采用采用4G方式通讯，以IEC104协议将预警信息上送到了配电主站，用于进行火情预警。
[0059] MODBUS协议简介如下：协议在一根通讯线上使用应答式连接(半双工)，首先，主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备(从机)，然后，在相反的方向上终端设备发出的应答信号传输给主机。协议只允许在主计算机和终端设备之间，而不允许独立的设备之间的数据交换，这就不会在使它们初始化时占据通讯线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。
[0060] MODBUS传输方式是一个信息帧内一系列独立的数据结构以及用于传输数据的有限规则，以RTU模式在MODBUS总线上进行通讯时，信息中的每8位字节分成2个4位16进制的字符，每个信息必须连续传输下面定义了与Modbus协议–RTU方式相兼容的传输方式。
[0061] 表1MODBUS的查询和响应帧格式
[0062] 地址 功能 起始地址 寄存器个数 校验和1字节 1字节 2字节 2字节 2字节
[0063]
[0064] 表2监测功能号和点表定义
[0065]
[0066]
[0067] 按照表1MODBUS的查询和响应帧格式和表2的监测功能号和点表定义，实现了MODBUS通讯功能，在装置的RS232、RS485接口上都可以通过MODBUS协议与DTU的通讯，实现实时数据、谱图和预警信息的上传。
[0068] DTU与主站之间采用4G方式通讯，以IEC104协议传输数据。主站从DTU获取了电缆头在线监测设备的实时数据和预警信息，实现了数据展示和预警发布。
[0069] 后台中继模块与灭火模块连接，后台中继模块选用STM32L152系列单片机，用于根据温度数据和气体数据计算火灾发生率大于设定阈值时，判定发生火情，向灭火模块发送火情信号；
[0070] 灭火模块包括继电器和灭火机构模块，如图2所示，继电器和灭火机构模块连接，灭火机构单元包括防水引线1、热阻丝2、电源线3和干粉罐4，灭火模块用于接收到后台中继模块发送的火情信号后，触发继电器合闸，进而触发灭火机构单元的电源线3给热阻丝2供电，热阻丝2加热使防水引线1自燃，触发干粉罐4喷洒干粉。
[0071] 本发明实施例2提出一种无源无线测温的电缆火灾监测预警与灭火方法，用于运行于实施例1所述的一种无源无线测温的电缆火灾监测预警与灭火装置，包括：
[0072] 步骤1：根据无源温度传感器和气体传感器分别采集电缆的温度数据和气体数据；
[0073] 步骤2：根据采集的温度数据和气体数据计算火灾发生率；
[0074] 气体数据包括氧气浓度数据和二氧化碳浓度数据，设定时间t，计算在时间t内，采集的氧气浓度数据和二氧化碳浓度数据以及温度数据的变化率，温度数据的变化率，以如下公式表示：
[0075]
[0076] 式中，
[0077] ΔT为在设定时间t内温度数据的变化率，
[0078] Ti为在设定时间t内采集的第i个温度数据，
[0079] N为在设定时间t内采集的温度数据的个数，
[0080] 为设定时间t内所有采集的温度数据的平均值。
[0081] 火灾发生率以如下公式表示：
[0082]
[0083] 式中，
[0084] P为火灾发生率，
[0085] ΔT为在设定时间t内温度数据的变化率，
[0086] ΔCO2为在设定时间t内气体数据中二氧化碳浓度数据的变化率，[0087] ΔO2为在设定时间t内气体数据中氧气浓度数据的变化率，
[0088] λ1、λ2和λ3分别为ΔT、ΔCO2和ΔO2的权重。
[0089] 步骤3：计算的火灾发生率与设定阈值进行比较，大于设定阈值时判定火灾，输出判定结果；
[0090] 步骤4：根据判定结果，通过预警模块进行预警，并触发灭火装置灭火，实现无源无线测温的电缆火灾监测预警与灭火。
[0091] 本发明的有益效果在于，与现有技术相比，采用无源无线测温完全无源，不带电池，避免电池高温自然和化学泄露的隐患，通过无线信号实现远程取电和读取，安装后基本免维，可长期稳定可靠运行，与被测设备同寿命，通过无线通讯协议，向配电主站发送传感器监测数据、定位报警信号等信息，使用户得以实时监控电缆沟电缆头运行情况、及时发现故障隐患，从而能够迅速去现场核实排查，以充分确保电力电缆线路的安全稳定运行，通过设置灭火装置，实现自启动高灵敏灭火。
[0092] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
