高压电缆沟中土壤水分含量的监测系统

高压电缆沟中土壤水分含量的监测系统 国际电力InternationaIElectriCPowerforChina,,ol9No6 DeC..201)5 高压电缆沟中土壤水分含量的监测系统 MonitoringSystemofSoilMoistureContent inHigh—-VoltageCableTrenches 摘要:描述一种实时湿度传感元件,它可以测量电缆沟中填充物的水分含量.讨论 该元件的,该元件 与现有的数据检测系统集成后可实现远距离查询,使得在线路负载的安全极限内 做出实时,快速的决定成为可能. 关键词:湿度测量;电容测量;电力电缆;土壤测量 Abstract:Thispaperintroducesamoisturesensorwhichcanmeasurethemoisturecontentofc abletrenchfillingmaterials. Bythiskindofactualtemperaturemeasurement,theloadingcircumstancesofthecableCanbe knownintime.Thismoni— totingsystemcanbeintegratedwithexistingdataprocessingsystems,allowingremoteinterr ogationandenablingrealtime decisionstobemade. Keywords:moisturemeasurement;capacitancemeasurement;powercable;soilmonitoring 中图分类号:TM75文献标识码:B文章编号:1006-9186(2005)06—0042—03 0引言2传感器系统的构成 目前,275,400RV的充油电缆是铺设在特制的水 泥电缆沟中,电缆周围用一种或几种材料的混合物填 充.这些材料既支撑了电缆,又能使电缆散热.电缆 的寿命受周围填充物热传导率的影响,而热传导率又 受填充物中的含水量控制.含水量高热传导率也高, 反之亦然. 常规的设计规程要求在计算最大线路负载时,使 用一个特定的热传导率值.这个值在夏季和冬季是不 同的.当填充材料比预期的潮湿时能允许线路负载有 所升高.填充材料比预期的干燥时电缆所允许通过的 最大电流就应减小.因此能实时监测填充材料的状况 有利于电缆的安全经济运行. 1对实时水分监测系统的要求 所需的湿度传感器系统应满足以下要求: (1)测量含水量的准确度达-t-5%; (2)能够在电缆接合处工作,即具有耐受电缆油的 能力并不受电压的影响; (3)能在0,3V范围内提供模拟输出并与现有的 SCADA(监控与数据采集)系统兼容; (4)具有较低的功率消耗; (5)易于使用电子电路. -. 42-. 传感器系统的设计包括一个传感器头(埋置在电缆 沟中)和与它相关的邻近电路(位于地面上).传感器的 头部有一输出元件,它在相邻的关联电路中形成一个 桥臂. 2.1传感器头 考虑到适合于测量土壤电阻或土壤电容,使用探 针来获得合适的电压信号,这个电压信号会随着周围 沙土的潮湿程度的不同而变化. 传感器探针的设计应考虑电极的型式,形状,外 型尺寸,随湿度变化的灵敏度,使用的材料及环境对 测量的影响等. 为减少周围50Hz磁场引起的干扰,测量应在更 高的频率(即lkHz)下进行.传感器的探针主要由一对 由垫片分开的电极制成,这个组件形成电桥电路的一 个桥臂.由于沙地上不同含水量的影响,改变了电极 间的实际电阻和电容.而这个变化导致了电桥电路的 输出端电压的改变.传感器探针与一条5m长的屏蔽 双绞线电缆相连,这条电缆的电容是91pF/m,其终 端与一个屏蔽的导体相连.测得的传感器和电缆组件 的电容是575pF. 经过选择的沙子在l00?的烤炉里放了2天以使 其完全干燥.这样,一个已知的含水量为零的标准参 国际电力第9卷2005年第6期 照物制成.沙中含水量为0%,1%,2%,3%,4%及 5%的潮湿沙子样品也可分别制成.探针分别嵌入每种 样品沙中,使用马可尼通用电桥在1kHz测得的电阻 和电容结果如图1,2所示,从这些测量结果所计算出 的介电常数与已知的数据相当吻合. 2.2相关电路 完整的监测系统电路如图3所示,包含下面的部 件:(1)Photomos继电器;(2)DC-DC转换器;(3)波 形发生器;(4)电桥电路;(5)测量装置放大器;(6)有源 滤波器;(7)电桥输入保护电路. 电桥电路由1kHz的电源供电.电桥的输出以适 合3.3V系统为条件.邻近电路的电力来自SCADA系 统所独有的双绞线.而该电路能接受较高幅值的直流 电压输入.相关电路外部的输入与输出是:(1)电源: c: \ 盟 删 水分含量/% 图1土壤电阻随湿度的变化 2条线,18,72V及0V;(2)传感器:2条线到传感 器探针;(3)控制/信号输出:5条线,3.3V和0 V;(4)控制线;电压传感器输出,电流传感器输出和 测量接地. 3性能 3.1干扰水平 在电压测定输出为正弦波且其峰峰间为5.52V时, 测得的干扰峰峰值小于2mV.在电流测定输出峰峰间 为3.48V时,测得的干扰峰峰值也小于2mV. 3.2功率需求 测量所需的输入功率是使用20V输入电源和一个 独立的3.3V控制信号.测量所需的功率是1.7W,在 3.3V控制线上所需功率为3.7mW,在SCADA系 \ 怖 删 水分含量/% 图2探针间电容随湿度的变化 国际电力第9卷2005年第6期 图3传感器探针和SCADA系统间的相关电路 高压电缆沟中土壤水分含量的监测系统 统的功率限制之内.该系统的最小规格是l8V电压及 140mA电流(即2.5w). 3.3总响应特性 传感器系统的整体响应特性如图4所示,土壤含 水量与传感器电压输出的关系大致呈直线.干燥沙地 的最大输出电压为3V,土壤含水量为5%时输出电压 最小为0.78V. 传感器系统对较低的含水量(即小于2%时)有较高 的灵敏度.当然,知道该系统在含水量达到20%会出 现什么特性也是相当有用的.样机制成后,实施了一 系列独立的检测实验.传感器放置在含水量分别为 0%,5%,10%,15%,20%的样品沙中.在每种情况 下分别测量探针的电容和交流电阻,测量结果送入一 个整机电路的P-spice模型中.以观察前面提到的2个 测量系统的输出电压,即电压传感器输出和电流传感 器输出,结果如图5,6所示. 电压传感器输出图显示了期望的最小值.当湿度 大于10%时,电压输出随之上升.因此导致了在前面部 分讨论过的描述测量结果时所出现的双重性.电流传 感器输出测出的是由电桥电路引出的电流,它允许校 正得出结果.因此可看出,电流传感器输出是随含水 > \ 出 脚 捌 訾 丑 集 > \ 出 脚 水分含量/% 图4电压输出随含水量的变化 水分含量/% 图5电压传感器输出随含水量的变化 > \ 瞪 水分含量/% 图6电流传感器输出的电压值随含水量的变化 量的上升呈线性上升的.这就使使用者在电流传感器 输出大于2V时得出逻辑性的结论:即水分含量大于 20%.如果需要一个用于测量高湿度水平的系统没有 双重性,只有一个输出通道,可通过调整电桥电路中 的Cl和R4的值来得到.但这样在测量的潮湿程度较低 时,得到的分辨率较小. 4结论 土壤湿度测量系统可以保证输出电压达到?5% 的精确度.在湿度水平为0%,2%时,输出电压的变 化在1V以上.如果用一个并联的电阻并接在传感器 上,可以减少土壤阻抗中存在的盐分污染引起的影 响.系统的精确度已在实验室经过核实.传感器探针 设计成合适的材料,能够耐受电缆油的腐蚀.50Hz 干扰的影响已通过使用屏蔽的双绞线电缆,有源滤波 器和屏蔽的外壳而消除掉.在高压电缆中,考虑到由 错误电流或雷击引起的过渡过程有可能耦合进传感器 系统,通过放置一个火花间隙和过渡过程抑制器使之 减至最小.整个系统的电力消耗是1.7W.若不用电 流传感器输出或采用低功率的DC—DC转换器,电力 消耗还会减小.所有的电路都封固在PCB(印刷电路 板上).PCB安装在地面上,允许在各种操作条件下 使用.? 参考文献: 【1】StewartMG,CampbellLC,FergusonC.Sensorsystemformonitoringsoil moisturecontentincabletrenchesofhigh-voltagecablles[J].IEEETransactions OilPowerDelivery,2004,19(2):451--455. 收稿日期:2005-08-15 作者:毕红焱(编译) —— 南京邮电大学 (责任编辑李新捷) 国际电力第9卷2005年第6期