5G通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

馬賽

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007）

0 引 言

通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了各行各業(yè)的快速發(fā)展，通信電纜作為通信的基礎(chǔ)設(shè)施分布越來(lái)越廣泛，組成也越來(lái)越復(fù)雜，在通信電纜的使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因過(guò)載而引起電纜過(guò)熱，導(dǎo)致電纜運(yùn)行故障，甚至引發(fā)火災(zāi)。相關(guān)研究人員為了避免電纜過(guò)熱故障而為通信電纜安裝耐熱外皮，常見(jiàn)的耐熱外皮屬于絕緣裝置，雖然能有效地避免電纜接觸熱故障，但使用過(guò)程中容易出現(xiàn)老化的問(wèn)題，導(dǎo)致電纜性能下降，進(jìn)而引發(fā)某些嚴(yán)重的故障，因此需要及時(shí)監(jiān)測(cè)電纜絕緣外皮的運(yùn)行狀況，保證通信工程安全。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，5G 通信工程建設(shè)得越來(lái)越完善，有效地提升了基礎(chǔ)通信速率，可以很好地滿(mǎn)足用戶(hù)高速率、低延時(shí)的需求。5G 通信工程電纜數(shù)量十分龐大，一旦某一條電纜出現(xiàn)過(guò)熱故障很容易導(dǎo)致通信異常，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)只是通過(guò)簡(jiǎn)單的溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳播處理速度較慢，且敏感性較低，經(jīng)常無(wú)法識(shí)別微小的溫度變化，對(duì)保證通信電纜安全十分不利，因此本文結(jié)合5G 通信工程電纜運(yùn)行現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種通信電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 5G 通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 采集5G 通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行參數(shù)

通信電纜的耐熱外皮運(yùn)行參數(shù)與其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)有直接關(guān)系，因此在進(jìn)行電纜耐熱外皮運(yùn)行監(jiān)測(cè)前，首先需要采集通信工程電纜耐熱外皮參數(shù)，當(dāng)通信電纜內(nèi)部有電流經(jīng)過(guò)時(shí)，很容易出現(xiàn)功率損耗，這些功率損耗會(huì)以熱能的形式反饋出來(lái)，因此需要先采集電纜耐熱外皮的溫度梯度參數(shù)，本文設(shè)計(jì)的技術(shù)首先根據(jù)電纜的幾何參數(shù)計(jì)算電纜的軸向熱，再結(jié)合電纜材料熱損耗設(shè)計(jì)電纜耐熱外皮運(yùn)行參數(shù)的采集計(jì)算式。

其中，代表電纜耐熱外皮運(yùn)行參數(shù)，代表表皮電阻，代表內(nèi)部電阻，代表?yè)p耗系數(shù)，代表耐熱外皮溫度，使用該采集計(jì)算式進(jìn)行采集時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)電纜載流量不穩(wěn)定的問(wèn)題，此時(shí)可以進(jìn)一步計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電纜耐熱外皮熱損耗，以保證采集參數(shù)的準(zhǔn)確性。

首先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體電阻數(shù)值，根據(jù)目前的導(dǎo)體電流選取合適的溫度系數(shù)，此時(shí)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)溫度系數(shù)受實(shí)際損耗的影響存在一定的誤差，為了避免此誤差給實(shí)際參數(shù)采集造成影響，設(shè)計(jì)了損耗的計(jì)算式。

其中，代表對(duì)地電壓，代表綜合損耗，在計(jì)算出正確的損耗后可以使用有限元分析法構(gòu)建電纜溫度場(chǎng)，保證參數(shù)的有效性。

本文選取Maxwell 有限元軟件完成參數(shù)采集分析，該軟件能有效地識(shí)別流體數(shù)據(jù)和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息高效轉(zhuǎn)化，因此本文將其與ANSYS 結(jié)合，進(jìn)行參數(shù)選取和參數(shù)分析。使用ANSYSWorkbench15.0 搭建參數(shù)采集界面，結(jié)合參數(shù)的種類(lèi)和數(shù)量設(shè)計(jì)參數(shù)選取流程，將5G 通信工程電纜劃分為不同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)分析可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)的電纜溫度變化較小，因此需要借助所搭建的采集分析框架來(lái)判斷電纜的實(shí)際狀態(tài)，從而從根本上保證采集數(shù)據(jù)的可靠性。為了增加數(shù)據(jù)的直觀性，本文設(shè)計(jì)的技術(shù)使用IEC-60287 作為定義標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成參數(shù)監(jiān)測(cè)，確保每一個(gè)參數(shù)都在標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍內(nèi)。

1.2 構(gòu)建通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型

根據(jù)選取的電纜耐熱外皮運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型的精細(xì)化設(shè)計(jì)，保證運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的敏感性。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，5G通信電纜主要由幾個(gè)不同的部分組成，內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)不穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，該溫度場(chǎng)受熱輻射等多種綜合作用影響，本文結(jié)合電纜耐熱外皮狀態(tài)影響因素設(shè)計(jì)了模型的假設(shè)條件。

第一個(gè)條件是保證電纜長(zhǎng)度無(wú)限大，較遠(yuǎn)端可以用一維模型來(lái)代替；第二個(gè)條件，保證電纜組成材料的熱穩(wěn)定性，使其不隨溫度的改變而改變；第三個(gè)條件，假設(shè)電纜之間無(wú)隔離熱阻，根據(jù)上述假設(shè)條件構(gòu)建電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，公式為：

其中，d代表電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，代表電纜橫截面積，d代表熱流系數(shù)。為了保證該模型的監(jiān)測(cè)效果，在使用之前需要檢測(cè)熱效應(yīng)影響，將實(shí)際電纜運(yùn)行溫度劃分為10 種不同的檔次，進(jìn)行綜合檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)值均為正數(shù)，分別為：0.125、0.136、0.145、0.112、0.112、0.169、0.164、0.137、0.178、0.204，這也證明了上述模型具有穩(wěn)定性，可以有效地完成通信電纜外皮耐熱監(jiān)測(cè)。

在電纜耐熱外皮受熱時(shí)，其內(nèi)部的熱流變化始終遵循熱力學(xué)定律，因此可以將單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱流總量與實(shí)際熱流產(chǎn)生量進(jìn)行比對(duì)，若單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱流總量較高，證明此時(shí)的耐熱外皮存在性能下降問(wèn)題，反之則證明耐熱外皮狀態(tài)良好。

電纜耐熱外皮性能一般可以用常規(guī)的熱流方程來(lái)表示，假設(shè)電纜處于初級(jí)絕緣層狀態(tài)，此時(shí)可以分別計(jì)算釋放熱流和吸收熱流總量，整合成標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式，結(jié)合傅立葉定律繪制電纜絕緣外皮受熱圖，如圖1所示。

圖1 電纜絕緣外皮受熱圖

由圖1可知，電纜絕緣外皮受熱呈中心性變化，因此在監(jiān)測(cè)時(shí)需要結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱流場(chǎng)的狀態(tài)及時(shí)改變監(jiān)測(cè)參數(shù)，避免出現(xiàn)監(jiān)測(cè)誤差?？梢愿鶕?jù)電纜耐熱外皮的狀態(tài)變化方程設(shè)計(jì)有效的電纜監(jiān)測(cè)電路，該電路需要具有無(wú)介質(zhì)損耗的絕緣點(diǎn)，保證熱流傳遞到絕緣層的損耗最低，還可以將絕緣層劃分為兩個(gè)部分，以避免導(dǎo)熱熱阻對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成影響。

1.3 設(shè)計(jì)電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法

實(shí)現(xiàn)5G 通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的最后一步是設(shè)計(jì)電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法，該算法也是整個(gè)監(jiān)測(cè)的核心所在，影響實(shí)際監(jiān)測(cè)敏感度。電纜耐熱外皮溫度與其參數(shù)特征信息有很大的關(guān)聯(lián)性，在實(shí)際通信電纜工作過(guò)程中，存在環(huán)境復(fù)雜、介質(zhì)特性不一的問(wèn)題，因此為了降低環(huán)境信息對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的影響，本文設(shè)計(jì)了電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)粒子群算法，公式為：

其中，代表電纜耐熱外皮粒子初始狀態(tài)系數(shù)，代表綜合監(jiān)測(cè)數(shù)值，代表外界溫度，代表外皮溫度損耗，代表狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)間，代表溫度流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，該算法不但能計(jì)算恒定影響因素對(duì)電纜耐熱外皮的影響，而且還能計(jì)算非恒定因素對(duì)電纜耐熱外皮的影響，且該算法在計(jì)算時(shí)可以忽略電纜散熱誤差，從而降低狀態(tài)監(jiān)測(cè)的難度。

面對(duì)不穩(wěn)定的通信電流，需要借助暫態(tài)電流的作用來(lái)判斷穩(wěn)態(tài)電流的實(shí)際大小，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，電纜耐熱外皮的負(fù)荷電流一直在不斷地變化，因此可以繪制負(fù)荷電流變化曲線，判斷此時(shí)存在的離散參數(shù)，保證電流幅值的穩(wěn)定。假設(shè)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中通信工程電纜耐熱外皮處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以根據(jù)電纜穩(wěn)態(tài)原則計(jì)算媒質(zhì)熱阻的具體數(shù)值，判斷電纜耐熱外皮的具體溫度，如果在監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)了外皮溫升現(xiàn)象，需要根據(jù)電流的實(shí)際變化計(jì)算階躍熱流，再結(jié)合疊加定理計(jì)算外皮溫度的具體增加數(shù)值。本文設(shè)計(jì)的技術(shù)為了盡量提高5G通信工程電纜耐熱外皮的監(jiān)測(cè)有效性，使用了熱特性穩(wěn)態(tài)電路，該電路可以排除電纜內(nèi)部材料和媒質(zhì)參數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成的影響，保證實(shí)際電容不變，最大限度地提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的5G 通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)效果，將其與傳統(tǒng)的電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)選取型號(hào)為YJV22-8.7/15-3×240 的通信電纜作為實(shí)驗(yàn)電纜，將其劃分成10 個(gè)不同段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并設(shè)置了通信電纜段編號(hào)，監(jiān)測(cè)其耐熱外皮的運(yùn)行狀態(tài)。為了保證實(shí)驗(yàn)的精確度，本文使用熱媒介特性驗(yàn)算法計(jì)算不同編號(hào)電纜的熱阻參數(shù)和熱容系數(shù)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

由表1可知，不同段電纜的參數(shù)存在基礎(chǔ)性差異，證明劃分的電纜符合實(shí)驗(yàn)要求。將上述電纜與某導(dǎo)體相連，設(shè)計(jì)一個(gè)閉合的測(cè)試回路。為了保證測(cè)溫的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)置了敏感度較高的熱電偶，保證每?jī)蓚€(gè)測(cè)溫點(diǎn)之間的距離大于0.5 m，此時(shí)可以不斷記錄電纜外皮的溫度，判斷溫度差值區(qū)間，繪制時(shí)間溫度曲線，如圖2所示。

表1 電纜參數(shù)

圖2 時(shí)間溫度曲線

由圖2可知，隨著時(shí)間的增加，熱電偶監(jiān)測(cè)的溫度逐漸到達(dá)峰值，之后又逐漸下降，符合實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性要求，可以進(jìn)行后續(xù)的通信電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

為了提高監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度，本文選取了MATLAB 平臺(tái)，設(shè)計(jì)了測(cè)試優(yōu)化程序，首先選取測(cè)試范圍，將標(biāo)準(zhǔn)的電纜外皮溫度數(shù)值及臨界數(shù)值輸入到程序中，此時(shí)可以得到穩(wěn)定狀態(tài)下的電纜溫度場(chǎng)參數(shù)，保證電纜內(nèi)部熱阻不變，結(jié)合電纜的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)媒質(zhì)熱阻的計(jì)算式。

其中，代表電纜耐熱外皮溫度，代表外界環(huán)境溫度，代表基礎(chǔ)穩(wěn)態(tài)溫度，逐個(gè)計(jì)算上述電纜的媒質(zhì)熱阻，構(gòu)建通信電纜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，確保其他運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定。

通信工程電纜在使用過(guò)程中存在一定的電流變化，可能會(huì)產(chǎn)生變化的溫度場(chǎng)，為了避免該溫度場(chǎng)對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)造成影響，本文使用了IEC 準(zhǔn)則，在COMSOL Multiphysics 檢測(cè)中心估算各個(gè)工程電纜的基礎(chǔ)電容，再使用有限元分析法分析電纜的熱性參數(shù)，確保測(cè)試電纜周?chē)?fù)荷與實(shí)際電纜運(yùn)行負(fù)荷一致。在一定周期內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)影響環(huán)境溫度的基礎(chǔ)電流，這些基礎(chǔ)電流會(huì)從電纜外皮傳輸至電纜內(nèi)部，嚴(yán)重降低電纜運(yùn)行的安全性。為了降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，本文在測(cè)試之前計(jì)算了初始電纜外皮基礎(chǔ)電流量，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，始終利用敷設(shè)回路監(jiān)測(cè)具體的基礎(chǔ)電流數(shù)值，一旦該數(shù)值出現(xiàn)明顯的變化則需立即終止實(shí)驗(yàn)，避免因電流對(duì)電纜內(nèi)部的沖擊而誘發(fā)實(shí)驗(yàn)安全性問(wèn)題。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，已知電纜外皮溫度高于55 度為告警狀態(tài)，此時(shí)分別使用本文設(shè)計(jì)的通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和傳統(tǒng)的電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄不同段電纜敏感溫度變化下兩者的告警結(jié)果，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，本文設(shè)計(jì)的5G 通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確識(shí)別溫度變化，及時(shí)發(fā)出告警，而傳統(tǒng)的電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)僅能在溫度差值較高時(shí)發(fā)出告警。

3 結(jié) 論

綜上所述，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)通信領(lǐng)域鋪設(shè)的通信電纜的種類(lèi)和數(shù)量都在不斷增加，分布也越來(lái)越復(fù)雜，在使用過(guò)程中很容易產(chǎn)生過(guò)熱效應(yīng)，導(dǎo)致運(yùn)行異常，甚至帶來(lái)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)，因此急需進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的敏感性較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)，因此本文設(shè)計(jì)一種通信工程電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電纜耐熱外皮運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)敏感性較高，監(jiān)測(cè)效果較好，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)5G 通信工程電纜故障監(jiān)測(cè)的參考。