電動(dòng)型10kV電力電纜頭發(fā)熱分析與安全監(jiān)測(cè)

徐龍彬 李漢巧 冼偉鏡 彭亮良 吳崇榮

摘要：電動(dòng)型10kV電力電纜頭發(fā)熱燒壞事故經(jīng)常發(fā)生，針對(duì)這一情況，對(duì)電動(dòng)型10kV電力電纜頭發(fā)熱分析與安全監(jiān)研究。文章首先利用有限元分析法建立了電動(dòng)型10kV電力電纜頭溫度場(chǎng)仿真模型;其次，采用最小二乘法對(duì)溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出溫度閾值整定公式;最后，對(duì)電動(dòng)型10kV電力電纜頭進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，研發(fā)了在線監(jiān)測(cè)裝置，為電纜頭檢修提供決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力電纜頭運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)型10kV;電力電纜頭;穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng);安全監(jiān)測(cè)

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，電動(dòng)型10kV電力電纜頭在鐵路建設(shè)中越來(lái)越重要。但因外在因素的影響（鐵路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、電容電流遠(yuǎn)大于架空線路、牽引地回流過(guò)大等）電動(dòng)型10kV電力電纜頭燒壞事故發(fā)生頻率很高[1]，對(duì)鐵路行車安全造成嚴(yán)重影響，因此，對(duì)電動(dòng)型10kV電力電纜頭發(fā)熱分析與安全監(jiān)測(cè)是非常有必要的。

1電動(dòng)型10kV電力電纜頭溫度場(chǎng)仿真分析

1.1電動(dòng)型10kV電力電纜頭溫度場(chǎng)仿真模型的建立

如圖1所示搭建電動(dòng)型10kv三芯電力電纜頭溫度場(chǎng)仿真模型圖是利用ANSYS工作臺(tái)建立的。假設(shè)該模型建立過(guò)程如下：①電纜各層及周圍環(huán)境為均勻介質(zhì)、各向同性，且數(shù)值均為常數(shù);②計(jì)算條件均為穩(wěn)態(tài);③電纜各層理想接觸;④環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，不考慮材料導(dǎo)熱系數(shù)的改變。

1.2電動(dòng)型10kV電力電力電纜頭在牽引地回流作用下的發(fā)熱分析

假設(shè)建立坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為電力機(jī)車泄流點(diǎn)，y軸為鋼軸，其水平垂直方向?yàn)閤軸。與鋼軌平行鋪設(shè)的電纜金屬護(hù)層上的某一點(diǎn)為M（x，y），I為牽引電流， 電纜雙端接地時(shí)，流經(jīng)電纜金屬護(hù)層的電流為：

公式（1）中，C表示電纜護(hù)層的自阻抗;U表示電纜金屬護(hù)層兩端的電壓差;E表示護(hù)層兩端的接地電阻。在不同土壤電阻率下，取I為1000安培，C為0.05焦耳，E為4，可以得出距離鋼軌位置不同時(shí)電纜護(hù)層中的電流[2]。

2溫度監(jiān)測(cè)閾值設(shè)定與電纜負(fù)荷調(diào)整

2.1牽引地回流對(duì)電纜負(fù)荷調(diào)整與溫度監(jiān)測(cè)閾值的影響

根據(jù)電動(dòng)型10kV電力電纜頭在牽引地回流作用下的發(fā)熱分析，對(duì)溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在最高溫度下對(duì)電纜運(yùn)行進(jìn)行最小二乘擬合，可以得出牽引地回流作用下的電纜外護(hù)套溫度監(jiān)測(cè)的閾值，電纜線芯電流和電纜外護(hù)套溫度隨著環(huán)境溫度的變化而變化（IX、GW、GE）。

為電纜安全運(yùn)行狀況提供判定的理論依據(jù)是環(huán)境溫度、電纜線芯電流和電纜外護(hù)套溫度的相互計(jì)算，利用牽引地回流作用，去進(jìn)行計(jì)算[3]。

2.2溫度監(jiān)測(cè)閾值設(shè)定與電纜負(fù)荷調(diào)整

電力電纜隨著社會(huì)的發(fā)展，建設(shè)新的電力電纜線路的難度不斷增加，施工空間有限，想要長(zhǎng)期安全可靠的運(yùn)行需要保持合理的利用率。電力電纜長(zhǎng)期運(yùn)行需要其絕緣性可靠，這就要求對(duì)溫度有限制，工作溫度超過(guò)規(guī)定值8度時(shí)，電力電纜的壽命將會(huì)縮短。在最高溫度下的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用最小二乘擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，如公式（1）所示。

3電動(dòng)型10kV電力電纜頭安全監(jiān)測(cè)

結(jié)合電動(dòng)型10kv電力電纜的具體運(yùn)行情況，并監(jiān)測(cè)電纜外護(hù)套溫度、電纜接地線電流、電纜護(hù)層感應(yīng)電壓和主絕緣介質(zhì)損耗正切值。衡量電力電纜是否正常運(yùn)行的一個(gè)非電氣量標(biāo)志是溫度，相關(guān)閾值整定隨溫度的變化而變化。纜工程規(guī)范中規(guī)定在電壓不超過(guò)50v/的情況下，鐵路三芯電纜金屬護(hù)層一般由三種不平衡電流構(gòu)成[4]，即牽引地回流、充放電時(shí)的電容電流和電纜主絕緣的泄露電流。牽引地回流隨牽引負(fù)荷周期性和波動(dòng)性變化，電容電流在電纜接地線電流監(jiān)測(cè)時(shí)可以忽略，因此電纜主絕緣的泄露電流為接地線中的電流。如圖1所示為等效電路及向量關(guān)系圖，其中聯(lián)電路的功率因素角為，為介質(zhì)損耗角為的余角。

根據(jù)上圖可以得出，介質(zhì)損耗角正切值的計(jì)算公式為：

公式（3）采用離散傅里葉變換，為介質(zhì)損耗正切值的理論計(jì)算公式，運(yùn)用Fourier decomposition對(duì)電纜主絕緣兩側(cè)的電壓和流經(jīng)電纜接地線的電流進(jìn)行分解，如公式（4）、（5）為其表達(dá)式。

由公式（4）、（5）得出介損角的測(cè)量值為：

3.1監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

將基爾5作為軟件開(kāi)發(fā)裝置的核心控制平臺(tái)，4G通信模塊將在系統(tǒng)上電后，與后臺(tái)服務(wù)器相連接，之后對(duì)處理器的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置。電纜頭運(yùn)行狀態(tài)被判斷函數(shù)判定后，將打包傳輸電纜頭狀態(tài)信息和電纜頭狀態(tài)判定結(jié)果到嚴(yán)懲服務(wù)器[5]。電動(dòng)型10kV電力電纜頭的實(shí)現(xiàn)主要靠主程序的運(yùn)行，電纜頭安全監(jiān)測(cè)量的數(shù)據(jù)采集與顯示將在程序初始化完成后開(kāi)始，通過(guò)鍵盤(pán)輸入對(duì)監(jiān)測(cè)閾值進(jìn)行接收方電話更改和整定更改，在判定完電纜頭安全信息后，電纜頭安全監(jiān)測(cè)的狀態(tài)信息與位置信息將通過(guò)4G模塊傳遞出，當(dāng)運(yùn)行異常時(shí)，將會(huì)立即發(fā)送執(zhí)行命令。

3.2監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)型10kV電力電纜頭安全監(jiān)測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

選用32位的高性能臂皮質(zhì)-M3內(nèi)核的控制芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)通信的處理器選用低功耗STM32F103ZET6型，其擴(kuò)展存儲(chǔ)容量為521K閃光燈和64x隨機(jī)存儲(chǔ)器，能夠存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)和程序，可以運(yùn)行大代碼。

選采用測(cè)量精度高和性能穩(wěn)定的PT100 platinum thermistor作為電纜外護(hù)套溫度的溫感元件，通過(guò)溫度變送與測(cè)溫點(diǎn)接觸緊密的電纜外護(hù)套，在將數(shù)據(jù)傳至STM32 single chip microcomputer的模數(shù)轉(zhuǎn)換器引腳[6]。濕度采集模塊采用AM2001，采用高性能的交流電壓變送器來(lái)感應(yīng)電纜護(hù)層，直流電壓輸出將從0-1000伏的電壓轉(zhuǎn)化成0-5伏。

4結(jié)論

通過(guò)分析電動(dòng)型10kV電力電纜頭溫度場(chǎng)仿真情況，得出了相應(yīng)的發(fā)熱規(guī)律和數(shù)學(xué)關(guān)系。因?yàn)闇囟扔绊戨妱?dòng)型10kV電力電纜的運(yùn)行，為了給電力電纜頭提供監(jiān)測(cè)的依據(jù)，對(duì)對(duì)理想情況下和考慮牽引地回流的電纜發(fā)熱進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，得出溫度監(jiān)測(cè)閾值整定公式。為及時(shí)處理異常狀況和實(shí)現(xiàn)“狀態(tài)檢修”提供決策依據(jù)。

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