小衛(wèi)星地面供電電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 志，王建軍，張桂英，閻梅芝，戴澗峰

(1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094； 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

小衛(wèi)星地面供電電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 志1，王建軍2，張桂英1，閻梅芝1，戴澗峰1

(1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094； 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

隨著小衛(wèi)星研制數(shù)量的增多，地面電纜的敷設(shè)數(shù)量越來(lái)越多，一旦絕緣老化而發(fā)生熱擊穿將造成很大的損失;衛(wèi)星地面供電電纜的運(yùn)行溫度是一個(gè)重要參數(shù)，必須對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視;為此，研制了小衛(wèi)星地面供電電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用T型熱電偶對(duì)電纜重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行測(cè)溫，并將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)溫度數(shù)采盒轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，利用工業(yè)串口服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)接入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的便捷訪問(wèn)，通過(guò)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的溫度監(jiān)視軟件實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視以及其他綜合應(yīng)用;最后，為了獲取小衛(wèi)星地面供電用電纜載流數(shù)據(jù)，進(jìn)行了該類(lèi)型電纜載流試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了電纜溫度的重要性。

小衛(wèi)星; 電纜; 溫度; 監(jiān)測(cè)

0 引言

運(yùn)行溫度是電纜的一個(gè)重要參數(shù)。通常將大量的電纜集中敷設(shè)在電纜溝內(nèi)，以方便布線、維護(hù)，視覺(jué)上也比較美觀[1]。當(dāng)電纜長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)絕緣老化等現(xiàn)象；一旦過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)體溫度急劇上升；如果電纜運(yùn)行環(huán)境不好，就會(huì)加快絕緣老化進(jìn)程，電纜局部溫度上升很快直至發(fā)生熱擊穿，甚至引起火災(zāi)，將造成大面積電纜燒損，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)生產(chǎn)[2-3]。

隨著研制衛(wèi)星數(shù)量的增多，總裝大廳、電纜溝中地面電纜的敷設(shè)數(shù)量越來(lái)越多，電纜敷設(shè)集中，存在卷繞、堆置現(xiàn)象，電纜散熱不良，一旦絕緣老化而發(fā)生熱擊穿將造成很大的損失，因此需要加強(qiáng)電纜運(yùn)行管理和維護(hù)工作。

為避免電纜絕緣老化，在設(shè)計(jì)階段就需要進(jìn)行電纜的降額設(shè)計(jì)，考慮選用電纜的截面積、絕緣層的額定溫度、線纜捆扎導(dǎo)線數(shù)、大氣壓力、環(huán)境溫度等。

除對(duì)電纜進(jìn)行降額設(shè)計(jì)外，由于地面供配電電纜使用環(huán)境的特殊性，還需要對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并排除，防患于未然，形成地面供配電電纜“設(shè)計(jì)-使用-監(jiān)測(cè)-處置”閉環(huán)管理。

1 監(jiān)測(cè)方法與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度升高是引起電纜事故的一個(gè)主要因素，因此可將其作為反應(yīng)電纜運(yùn)行情況的參量[4]。鑒于電纜溫度的重要性，必須對(duì)電纜的運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)視和控制。溫度監(jiān)測(cè)是目前國(guó)內(nèi)外在電纜監(jiān)測(cè)中最被認(rèn)可的一項(xiàng)重要技術(shù)[5]。選擇電纜排列密集、散熱條件差及有外界熱源影響的線段重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除隱患，防止電纜由于發(fā)熱導(dǎo)致絕緣老化而擊穿甚至起火。

電纜溫度監(jiān)視方法很多。使用溫度檢測(cè)儀器人工定期巡檢，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，巡視時(shí)間間隔、巡視的準(zhǔn)確性等都有問(wèn)題，不具備實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。采用感溫電纜，將感溫電纜與被測(cè)電纜平行放置，當(dāng)電纜溫度超過(guò)固定溫度值時(shí)，感溫電纜被短路，系統(tǒng)僅能監(jiān)測(cè)出一個(gè)故障點(diǎn)，不能測(cè)出電纜的實(shí)際溫度值，系統(tǒng)安裝及維護(hù)工作不夠方便，不能進(jìn)行早期故障預(yù)測(cè)，不能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，無(wú)溫度趨勢(shì)分析[6]。近年國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是將溫度傳感器至于線路中易發(fā)生故障的地方，來(lái)監(jiān)測(cè)這些部位的溫度。采用熱敏電阻方式，一般傳輸距離不宜太長(zhǎng)，抗干擾能力較差[7]。

本系統(tǒng)采用熱電偶對(duì)電纜重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行測(cè)溫，并將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，利用工業(yè)串口服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)接入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的便捷訪問(wèn)，通過(guò)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的溫度監(jiān)視軟件實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視以及其他綜合應(yīng)用。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由熱電偶、溫度數(shù)采盒、溫采主機(jī)、監(jiān)視計(jì)算機(jī)、連接電纜等部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

分布在線纜上的多個(gè)T型熱電偶通過(guò)補(bǔ)償線和溫度數(shù)采盒連接；各個(gè)數(shù)采盒采集溫度數(shù)據(jù)，輸出接口為RS-485，通過(guò)超五類(lèi)的網(wǎng)線與溫采主機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳送以及電源供給；溫采主機(jī)通過(guò)串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將各個(gè)溫度數(shù)采盒接入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)視計(jì)算機(jī)運(yùn)行基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的溫度監(jiān)視軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視、存儲(chǔ)與分析，并輸出打印曲線，在設(shè)備異常情況下報(bào)警通知相應(yīng)人員。

該系統(tǒng)易于操作，安裝方便，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，測(cè)量安全高效，為供電電纜溫度提供嚴(yán)格監(jiān)控和管理。

2 系統(tǒng)組成

2.1 溫度傳感器

針對(duì)需求，我們選用T型熱電偶來(lái)測(cè)量衛(wèi)星供配電電纜溫度。熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的溫度器件，他的主要特點(diǎn)就是測(cè)溫范圍寬，性能比較穩(wěn)定，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，便于自動(dòng)控制和集中控制。T型熱電偶，為銅-銅鎳熱電偶，又稱銅-康銅熱電偶，是一種最佳的測(cè)量低溫的金屬熱電偶，正極是純銅，負(fù)極是銅鎳合金，測(cè)量范圍為-200～350 ℃，線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜。

熱電偶焊接在金屬卡扣上，通過(guò)螺絲將卡扣和線纜固定在一起，熱電偶和線纜外皮接觸，這種方式便于安裝和維護(hù)。根據(jù)測(cè)試需求將傳感器分布于衛(wèi)星地面供電電纜各個(gè)部分，貼合在被測(cè)電纜表面，采集表面溫度。

圖2 溫度傳感器安裝示意

熱電偶和數(shù)采盒之間使用補(bǔ)償線連接，補(bǔ)償線外表面有絕緣膠皮包裹。

2.2 溫度數(shù)采盒

溫度數(shù)采盒放置在離供電電纜不遠(yuǎn)的地方，每個(gè)溫度數(shù)采盒有8個(gè)溫度傳感器的接口，負(fù)責(zé)8個(gè)溫度傳感器的溫度采集，每個(gè)接口均可以直接通過(guò)專(zhuān)用接插件連接溫度傳感器，也可以通過(guò)補(bǔ)償線延長(zhǎng)探測(cè)距離，使之滿足實(shí)際測(cè)量的需要。

溫度數(shù)采盒內(nèi)部配備鴻格科技有限公司模擬量輸入模塊I-7018R，通過(guò)溫度補(bǔ)償線連接至外部溫度傳感器接口，采集8路溫度傳感器的溫度。I-7018R內(nèi)置微處理器，自帶看門(mén)狗，可以方便快速接入RS-485網(wǎng)絡(luò)；具備冷端溫度檢測(cè)，可以適用于多種類(lèi)型熱電偶；8路差分輸入或6路差分輸入+2路單端輸入(跳線選擇)；支持?jǐn)嗑€檢測(cè)；輸入電壓范圍±15 mV、±50 mV、±100 mV、±500 mV、±1 V、±2.5 V可選；光電隔離保護(hù)3000VDC；16位分辨率；精度為±0.1%；零點(diǎn)漂移為±25 ppm/℃；采樣速率為10次/s；電源電壓為10～30 VDC；功耗為1.0 W。

各個(gè)溫度數(shù)采盒和溫采主機(jī)之間采用的是超5類(lèi)線連接，通過(guò)RS-485總線協(xié)議和溫采主機(jī)通信，連接線傳遞的不僅有通信信號(hào)，還有數(shù)采盒的供電電源，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)提供額外的電源。

2.3 溫采主機(jī)

溫采主機(jī)采用的是4U高的19英寸上架結(jié)構(gòu)，由信號(hào)分配模塊，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，24 V電源模塊，串口服務(wù)器、連接狀態(tài)指示板等組成，主要負(fù)責(zé)接口之間的相互轉(zhuǎn)換、電源管理等。

信號(hào)分配模塊負(fù)責(zé)為溫度數(shù)采盒供電，并提供溫度數(shù)采盒和串口服務(wù)器的接口。

串口服務(wù)器選用MOXA公司成熟的工控產(chǎn)品8串口RS-422/485設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器Nport 5630-8，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置就可以將現(xiàn)有串口設(shè)備立即聯(lián)網(wǎng)，將串口數(shù)據(jù)映射到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的IP地址和端口號(hào)，在串口和以太網(wǎng)界面之間輕松執(zhí)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)集中管理串口設(shè)備；采用專(zhuān)業(yè)外殼設(shè)計(jì)，前面板具有所有串口的TX/RX狀態(tài)指示，后面板具有8個(gè)RJ45形式的RS-422/485接線口；在安裝了驅(qū)動(dòng)程序的Windows系統(tǒng)中被視為Real Com端口；簡(jiǎn)單易用的LCM操作界面，可以用于設(shè)置IP地址；所有RS-422/485端口皆有突波保護(hù)功能(15KV ESD)，通信速率為50～921.6 kbps；支持TCP Server、TCP Client、UDP和Real Com模式；LAN口自適應(yīng)10/100 Mbps傳輸速率，內(nèi)嵌1.5 KV電磁隔離保護(hù)；電源電壓100～240 VAC。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將串口服務(wù)器接入綜合測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，選用TP-Link公司8口全千兆以太網(wǎng)交換機(jī)TLSG-1008，提供8個(gè)10/100/1000 Mbps自適應(yīng)RJ45端口，背板帶寬16 Gbps。

連接狀態(tài)指示板用于指示各路溫度數(shù)采盒連接是否正確，方便用戶辨識(shí)。

電源模塊提供上述各種設(shè)備工作的24 V直流電源，選用了明偉SP-350-24電源模塊，輸入電壓220 V，輸出電壓24 V，輸出功率350 W。

溫采主機(jī)和外部是通過(guò)以太網(wǎng)連接，用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)直接訪問(wèn)各個(gè)傳感器的溫度，也可以接入其他網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上其他的端點(diǎn)都可以訪問(wèn)到各個(gè)傳感器的溫度值。

數(shù)采盒采用的RS-485協(xié)議通信，主機(jī)將串行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議，便于把數(shù)據(jù)放在網(wǎng)絡(luò)上，和其他計(jì)算機(jī)互聯(lián)互通。主機(jī)中串口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境影響，不可能在被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)提供電源，所以，電源必須由主機(jī)提供，主機(jī)內(nèi)部通過(guò)信號(hào)分配模塊和電源模塊配合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程供電的功能。

2.4 監(jiān)視計(jì)算機(jī)

監(jiān)視計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)口與溫采主機(jī)連接，與串口服務(wù)器同處于交換機(jī)所設(shè)置的局域網(wǎng)路上。監(jiān)視計(jì)算機(jī)通過(guò)交換機(jī)訪問(wèn)串口服務(wù)器上的8個(gè)串口，8個(gè)串口通過(guò)RS-485協(xié)議與溫度數(shù)采盒相連接，然后溫度數(shù)采盒通過(guò)T型傳感器連接到被測(cè)電纜上讀取溫度值并通過(guò)串口服務(wù)器經(jīng)由交換機(jī)送回監(jiān)視計(jì)算機(jī)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用軟件

監(jiān)視計(jì)算機(jī)上運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)視軟件。軟件上使用基于LabView圖形的編譯器編寫(xiě)的專(zhuān)用程序，通過(guò)以太網(wǎng)存儲(chǔ)各個(gè)溫度采集盒采集到的溫度信息。

通過(guò)Nport Administrator配置串口服務(wù)器，通過(guò)DCON_Utility應(yīng)用程序嘗試連接溫度數(shù)采盒以確定串口服務(wù)器等設(shè)備是否配置正確。

溫度監(jiān)視軟件基于LabView圖形的編譯器編寫(xiě)，具有如下功能特點(diǎn)：

提供人性化的操作，設(shè)置各種輸入判斷，濾除因人為輸入影響的系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和健壯性；

提供用戶自定義設(shè)置功能，各溫度傳感器注釋命名、采樣時(shí)間間隔、存儲(chǔ)路徑、報(bào)警溫度等參數(shù)均可以設(shè)置，并可以生成配置文件；

數(shù)值顯示與圖形顯示相結(jié)合，曲線圖形可用各種縮放拖拽工具查看；

具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)回放功能，存儲(chǔ)信息包含采集時(shí)間、各溫度傳感器名稱和溫度數(shù)值，可以存儲(chǔ)為標(biāo)準(zhǔn)文本文件；

具備各溫度數(shù)采盒狀態(tài)檢測(cè)功能。

軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

4 電纜載流試驗(yàn)

小衛(wèi)星地面供電電纜采用的是聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套的成纜電纜。為了獲取該電纜載流數(shù)據(jù)，進(jìn)行了電纜載流試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)電纜

試驗(yàn)的電纜采用聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套的成纜電纜，該電纜的導(dǎo)線芯數(shù)為52，導(dǎo)線由多股軟銅線絞合而成，單根導(dǎo)線截面積為0.35 mm2，絕緣標(biāo)稱厚度為0.2 mm，護(hù)套厚度為1.5 mm，電纜外徑為14.6 mm，電纜橫截面示意圖如圖4所示。

圖4 電纜橫截面示意圖

4.2 試驗(yàn)狀態(tài)

取20 m該電纜，電纜自然堆盤(pán)于地面，兩端撥線各0.3 m，取其中16根為正導(dǎo)線，16根為負(fù)導(dǎo)線，電纜兩端分別連接大功率直流電源和電子負(fù)載，規(guī)定兩根正導(dǎo)線與兩根負(fù)導(dǎo)線組成一組，共分為八組。試驗(yàn)原理如圖5所示。

圖5 電纜載流實(shí)驗(yàn)原理圖

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)每組電纜依次通不同檔位電流，每組電纜加電持續(xù)約2小時(shí)，同時(shí)測(cè)出某時(shí)刻電纜表面的最大溫度值并記錄。之后，增加電流到11A/組，維持約40分鐘后，電纜表面最高溫度在一分鐘內(nèi)迅速上升5.4℃，從98.93℃上升到104.32℃，電源出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，斷電后立刻標(biāo)記此時(shí)電纜最高溫度的位置，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)得每組電纜的正負(fù)極均短路。對(duì)電纜標(biāo)記部分進(jìn)行了剝皮檢查，發(fā)現(xiàn)該電纜有約10 cm導(dǎo)線全部處于粘結(jié)狀態(tài)。

表1 電纜載流試驗(yàn)結(jié)果

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可以得知：在外界條件不變的情況(氣壓、溫濕度、電纜擺放方式、電流大小)下，電纜表面的溫升速度會(huì)逐漸減緩，待達(dá)到熱平衡后，其表面溫度應(yīng)趨于穩(wěn)定；在導(dǎo)線一定的情況下，導(dǎo)線的溫度隨電流的增加而上升，并在某一溫度處于動(dòng)態(tài)平衡；電纜的擺放方式(直置、圈置、堆置)與其最終達(dá)到的穩(wěn)定溫度大小有直接關(guān)系，并且各種擺放方式之間的溫差很大；對(duì)于該型號(hào)電纜，在常溫常壓下，每根導(dǎo)線的最大載流量為5A；在電纜堆盤(pán)方式下，對(duì)于該型號(hào)電纜，電纜表面允許的最高溫度為104℃；電纜短路是由于持續(xù)通過(guò)大電流，電纜內(nèi)部溫度接近導(dǎo)線絕緣層熔點(diǎn)(140℃)時(shí)，絕緣層發(fā)生熔化并相互粘著。

5 總結(jié)

衛(wèi)星地面供電電纜的運(yùn)行溫度是一個(gè)重要參數(shù)，必須對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視，為此研制了小衛(wèi)星地面供電電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由熱電偶、溫度數(shù)采盒、溫采主機(jī)、監(jiān)視計(jì)算機(jī)、連接電纜等部分組成，采用T型熱電偶對(duì)電纜重點(diǎn)部位進(jìn)行測(cè)溫，通過(guò)位于現(xiàn)場(chǎng)的溫度數(shù)采盒將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，通過(guò)溫采主機(jī)內(nèi)工業(yè)串口服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)接入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)視計(jì)算機(jī)上基于LabVIEW開(kāi)發(fā)溫度監(jiān)視軟件，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的便捷訪問(wèn)，實(shí)時(shí)監(jiān)視，該系統(tǒng)易于操作，安裝方便，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，測(cè)量安全高效，為供電電纜溫度提供嚴(yán)格監(jiān)控和管理。最后，為了獲取小衛(wèi)星地面供電電纜的載流數(shù)據(jù)，進(jìn)行了電纜載流試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明電纜溫度的重要性。

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Design of Temperature Monitoring System for Small Satellite Ground Power Supply Cable

Yang Zhi1，Wang Jianjun2，Zhang Guiying1，Yan Meizhi1，Dai Jianfeng1

(1.DFH Satellite Co., Ltd., Beijing 100094, China;2.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094,China)

Ground cable has become more and more with increasing number of developing small satellite. It will cause a great loss once hot breakdown happens as insulation aging. As one of the important parameters, the temperature of ground power supply cable is necessary to be monitored. Therefore the paper developed a ground cable temperature monitoring system, it adopted T-type thermocouple to monitor the important positions of the power supply cable, transfers data to RS-485 signal through DAQ box, connects to test network using serial server and Ethernet switch, realizes convenient access, developed monitoring software based on LabVIEW to real time monitoring and other comprehensive application. Finally, a current carrying test of this type cable has to be done in order to obtain current carrying data , and the test data further indicates the important of cable temperature.

small satellite; overall checkout; temperature; cable

2017-01-06；

2017-02-13。

楊 志(1984-),男,黑龍江牡丹江人,工程師,碩士,主要從事衛(wèi)星研制和衛(wèi)星綜合測(cè)試方向的研究。

1671-4598(2017)07-0047-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.012

TP3

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