基于物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜狀態(tài)檢修技術(shù)

曾少杰

（廣西智能交通科技有限公司，廣西 南寧 530000）

物聯(lián)網(wǎng)能夠監(jiān)測(cè)電力設(shè)備或電纜的運(yùn)行環(huán)境、工作狀態(tài)，并將監(jiān)測(cè)到的各類信息反饋給計(jì)算機(jī)，根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的調(diào)控措施，從而保證了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理?，F(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路，以及各種二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中得到了推廣使用。其中，電力電纜作為電力系統(tǒng)中連接各類電氣設(shè)備的重要工具，保證其工況良好對(duì)維護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響?；诖?，設(shè)計(jì)一種適用于電力電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成為新時(shí)期電力運(yùn)維與管理工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜狀態(tài)檢修設(shè)計(jì)

1.1 電纜狀態(tài)檢修系統(tǒng)感知層的設(shè)計(jì)

電力電纜的許多故障都會(huì)以溫度的形式表現(xiàn)出來，例如電纜接頭生銹或發(fā)生絕緣擊穿后，電纜故障位置處會(huì)有明顯的升溫現(xiàn)象?；诖?，可以將電纜接頭溫度作為采樣指標(biāo)，在電纜接頭處安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)采集電纜的溫度，然后將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)反饋給控制站，并由控制站計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。這里以電纜的中間接頭為例，溫度傳感器的布置方式見圖1。

溫度傳感器采用嵌入式設(shè)計(jì)，置于電纜中間接頭內(nèi)部。在傳感器外側(cè)安裝有一個(gè)密封的銅殼，可以避免溫度傳感器因?yàn)槭艹倍霈F(xiàn)銹蝕、污損，從而延長傳感器的使用壽命。為了減輕終端的數(shù)據(jù)處理工作量，可以設(shè)定傳感器的數(shù)據(jù)采集周期，例如每30 min或每60 min 采集一次電纜監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，該測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的傳感器被喚醒，完成溫度采集后則進(jìn)入休眠狀態(tài)，等到下一周期再次被喚醒，這樣就能降低能耗[1]。如果系統(tǒng)出現(xiàn)告警情況，則每5 min 或每10 min 采集一次溫度數(shù)據(jù)。

同時(shí)，為了提高測(cè)溫模塊的抗干擾能力，可選擇集成設(shè)備。溫度采集集成模塊由溫度傳感器、數(shù)據(jù)處理器、射頻芯片、電源組成（見圖2）。其中，溫度傳感器使用DS18B20 型傳感器，無需A/D 轉(zhuǎn)換，可直接輸出數(shù)字信號(hào)。另外，該傳感器內(nèi)置32 位激光ROM、讀寫速度快；采用L-wire 技術(shù)，通信速率高；測(cè)溫范圍在-50～100 ℃，測(cè)量精度達(dá)到±0.1 ℃，可滿足絕大多數(shù)情況下電纜溫度監(jiān)測(cè)需要[2]。

1.2 電纜狀態(tài)檢修系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層的功能是連接傳感器與主控站，將測(cè)溫節(jié)點(diǎn)處射頻芯片發(fā)射的無線信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，以便于計(jì)算機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)展開對(duì)比、分析。在網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)中，分為有線通信和無線通信兩種模式。其中，網(wǎng)絡(luò)層與主控站上位機(jī)之間為有線通信，使用RS485 通信總線連接主控站計(jì)算機(jī)的接口，可以將計(jì)算機(jī)的調(diào)控指令發(fā)送到前端的傳感器。在測(cè)溫終端還有一個(gè)集成的LED 顯示器，可以直觀地顯示實(shí)時(shí)溫度。在網(wǎng)絡(luò)層與前端傳感器之間，則采用射頻芯片進(jìn)行無線通信，將傳感器的溫度數(shù)據(jù)反饋至計(jì)算機(jī)。網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)組成見圖3。

在同一電力系統(tǒng)中，可能會(huì)設(shè)置多個(gè)測(cè)溫站，這些測(cè)溫站與測(cè)溫終端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成異步串行通信。其中，測(cè)溫終端始終保持指令接收狀態(tài)，以便于隨時(shí)接收主控站上位機(jī)發(fā)送的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

1.3 電纜狀態(tài)檢修系統(tǒng)應(yīng)用層的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用層的主要功能是對(duì)前端反饋的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、分析。應(yīng)用層主要包括兩大模塊，即數(shù)據(jù)中心功能模塊、移動(dòng)終端功能模塊，各模塊的功能組成見圖4。

應(yīng)用層除了支持上述功能外，還可將前端反饋的溫度數(shù)據(jù)按照采集時(shí)間進(jìn)行分類存儲(chǔ)。如果有異常數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)篩選出來并保存到專門的文件夾中，方便工作人員集中處理[3]。另外，系統(tǒng)還能將溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)化成溫度曲線，一目了然地顯示溫度變化趨勢(shì)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電線電纜狀態(tài)檢修實(shí)例

2.1 故障概況

某110 V 變電站共有2 條線路。2021 年9 月11日，其中一條電纜因?yàn)殚_關(guān)引線接頭溫度異常升高而臨時(shí)停電檢修，變電站進(jìn)入非正常運(yùn)行狀態(tài)，另一條電纜承擔(dān)了全站負(fù)荷，此時(shí)負(fù)荷電流達(dá)到了266 A（正常情況下為140～180 A）。該線路持續(xù)運(yùn)行40 min后，9 號(hào)接頭的C 相出現(xiàn)故障。經(jīng)調(diào)查，該線路的電纜型號(hào)為YJLW03，線路總長度為11.5 km，導(dǎo)線截面積775 mm3，線路內(nèi)共有36 個(gè)電纜接頭。

2.2 原因分析

故障發(fā)生后，變電站立即組織技術(shù)人員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)外力破壞痕跡，故排出外力因素引起故障。事故發(fā)生時(shí)，該變電站臨時(shí)切換線路導(dǎo)致線路的負(fù)荷電流突然增加，但是經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷電流并未超過最大負(fù)載，由此排出了電纜負(fù)荷電流太高引起的故障。

排除上述幾種可能導(dǎo)致電纜故障的常見因素后，技術(shù)人員對(duì)電纜的接地系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：（1） 該條線路共包括15 段電纜，按照相關(guān)設(shè)計(jì)要求需要設(shè)置5 個(gè)交叉互聯(lián)段，這樣才能有效抑制線纜金屬保護(hù)層的感應(yīng)電壓。而現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果顯示，該線路僅有3 個(gè)交叉互聯(lián)段，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。（2） 接線方法上，要求絕緣接頭的同軸電纜內(nèi)線芯與同一側(cè)金屬保護(hù)套連接，外線芯與對(duì)側(cè)金屬保護(hù)套連接?，F(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果顯示只有部分接線正確。綜上，金屬保護(hù)層接地系統(tǒng)存在缺陷，導(dǎo)致電纜接頭處電壓過高、環(huán)流增加，是引起本次故障的主要原因。

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)檢修

在常規(guī)檢修模式下，電纜每年檢修1 次。由于檢修頻率較低，很難保證在電纜發(fā)生故障以后第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題所在，錯(cuò)過了最佳的維修時(shí)機(jī)，進(jìn)而引起更為嚴(yán)重的事故。另外，在檢修方法上，主要是由維修人員手持紅外檢測(cè)儀等設(shè)備逐項(xiàng)檢查。而由于變電站電纜的接頭較多、線路復(fù)雜，使得檢測(cè)效率不高，一些隱蔽的故障也難以發(fā)現(xiàn)?；诖?，本次變電站電纜故障檢修中引入了基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修技術(shù)，具體如下：

將溫度傳感器安裝到電纜的接頭處，然后在無線測(cè)溫裝置上設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率，每60 min 接收1 次溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)線纜運(yùn)行工況，設(shè)定溫度上限為50℃，如果監(jiān)測(cè)到的實(shí)際溫度超過50 ℃，則監(jiān)測(cè)裝置自動(dòng)告警，提醒工作人員及時(shí)處理。告警后，測(cè)溫裝置自動(dòng)將數(shù)據(jù)采集頻率調(diào)整為10 min/次，密切監(jiān)測(cè)電纜接頭溫度的實(shí)時(shí)變化。在測(cè)溫裝置的人機(jī)交互界面，工作人員可以直觀地觀察到每個(gè)被監(jiān)測(cè)接頭的當(dāng)前溫度信息和歷史溫度信息，通過數(shù)據(jù)對(duì)比即可找出溫度異常的電纜接頭，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的超前處理，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生[4]。2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)見圖5。

受到電流熱效應(yīng)的影響，距離故障點(diǎn)越近的位置，其溫度越高，升溫速度越快；相應(yīng)的，距離電源側(cè)越遠(yuǎn)的位置，其溫度變化幅度越小。結(jié)合圖5 可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)M 的溫升要高于N點(diǎn)，這表明M 點(diǎn)距離故障點(diǎn)更近一些。按照此方法，在電纜上多布置幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，就可以通過各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫升情況，逐漸逼近故障點(diǎn)，從而縮小了故障排查范圍，方便工作人員以最短時(shí)間鎖定故障，為電纜故障的維修處理提供了技術(shù)支持[5]。

在基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜故障排查中，還可以對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，也可判斷電纜故障位置。本次監(jiān)測(cè)中獲取該電纜A、B、C 三相的運(yùn)行溫度，結(jié)果見圖6。

結(jié)合圖6，該線路上同一位置的A、B、C 三相溫度，C 相溫度在多數(shù)時(shí)間里明顯高于A 相和B 相溫度。說明C 相電纜出現(xiàn)異常。在配合上文的電纜溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，即可精準(zhǔn)鎖定故障位置。

2.4 電線電纜狀態(tài)檢修技術(shù)的對(duì)比

對(duì)比來看，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修，相比于傳統(tǒng)的人工檢修具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1） 安全優(yōu)勢(shì)。變電站電氣設(shè)備種類多樣、電線電纜連接復(fù)雜。傳統(tǒng)以人工為主的檢修，很有可能因?yàn)殡娎|絕緣失效等故障而增加安全隱患。相比之下，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修，可利用傳感器采集溫度參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)、電流參數(shù)，整個(gè)監(jiān)測(cè)過程不需要人工參與，因此更加安全。

（2） 成本優(yōu)勢(shì)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修，用電氣設(shè)備代替人工，可以做到無人巡檢，顯著降低了人工成本。

（3） 效率優(yōu)勢(shì)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修，可以24 h 不間斷的采集電纜運(yùn)行數(shù)據(jù)，并基于人工智能分析快速、準(zhǔn)確判斷電纜故障，實(shí)現(xiàn)隱蔽故障的超前報(bào)警、及時(shí)處理，檢修效率更高。

3 結(jié)論

相比于傳統(tǒng)以人工為主的檢修模式，本研究提出的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修方案，可以利用溫度傳感器實(shí)時(shí)采集電纜各處的溫度變化情況，然后將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。如果某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度出現(xiàn)異常升高情況，則系統(tǒng)立即報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)距離越近、溫度越高的特性，可以快速查找到故障位置，進(jìn)而為工作人員采取針對(duì)性的維修處理措施提供了技術(shù)支持。