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电力电缆接头运行温度的在线监测
发表时间：2014-11-01 20:22 作者： 来源： 浏览：
赵文科
摘要：本文分析了电力电缆故障产生的原因及对电缆接头温度监测的重要性。重点介绍了电缆接头温度监测系统的设计思想、软硬件构成、温度传感器的选取和监测单元的设计。结果表明，该系统可实现电缆接头温度的自动监测和统计分析。
关键词：温度测量 表面温度 电缆接头
1 电力电缆故障概述
1.1 研究背景
在铁路配电网中，架空线路占用过多地上空间，同时受恶劣天气影响而发生故障的机率比较高，而电力电缆线路在这方面有较大的优势。与架空线路相比较，电力电缆线路具有如下优点：
1、不易受自然气象条件(如雷电、风雨、盐雾、污秽等)和周围环境的影响，供电可靠性高。
2、线间绝缘距离小，占地少，无干扰电波。
3、地下敷设时，不占地面、空间，同一地下电缆通道，可以容纳多回线路；既安全可靠，又不易暴露目标”。
随着铁路的发展，电网需要改造，电力电缆获得了越来越广泛的应用。但是，电缆绝缘结构相对复杂，容易受损，为了保证电缆线路安全运行，需要对电缆进行故障监测。经了解，铁路电缆约60％的电缆线路经常处于过负荷运行状态且不能够及时维护。同时，由于铁路电力电缆投资规模和资金的限制，使部分地区过去用的老电缆还在超期运行，造成电缆线路运行故障次数明显增加，基本已进入高故障率时期。
1.2 电力电缆故障原因及类型
随着电缆数量的增多及运行时间的延长，由于电缆绝缘老化特性等因素，故障发生概率大大增加。电缆故障点的查找与测量是通讯和电力供应畅通的有力保障，但是因为电缆线路的隐蔽性、个别运行单位的运行资料不完善以及测试设备的局限性，使电缆故障的查找非常困难。尤其是在狂风、暴雨等恶劣天气中，给故障的查找、维修带来了很大不便。了解电缆故障的原因，对于减少电缆的损坏，快速地判定出故障点是十分重要的。电缆发生故障的原因是多方面的，常见的几种主要原因归纳如下：
1、机械损伤。很多故障是由于电缆安装敷设时不小心造成的机械损伤或安装后靠近电缆路径作业造成的机械损伤而直接引起的。有时如果损伤轻微，在几个月甚至几年后损伤部位才发展到铠装、铅(铝)护套穿孔，潮气侵入而导致损伤部位彻底崩溃形成故障。例如2010年9月4日13时00分，茶坞工务段秦西重点维修车间对轨枕进行锚固作业时，在通信电缆径路上方搭建加热硫磺锅，造成下部电缆烧损，致使卢龙北-后营站间空、重车线连续发生通过信号机红灯故障。
2、化学腐蚀
电缆路径在有酸碱作业的地区通过，或煤气站的苯蒸汽往往造成电缆铠装和铅(铝)护套大面积长距离被腐蚀，出现麻点、开裂或穿孔，造成故障。
3、设计和制作工艺不良
拙劣的技工、拙劣的接头，电场分布设计不周密，材料选用不当，不按技术要求敷设电缆往往都是形成电缆故障的重要原因。
材料缺陷主要表现在三个方面。一是电缆制造的问题，铅(铝)护层留下的缺陷，在包缠绝缘过程中，纸绝缘上出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷；二是电缆附件制造上的缺陷，如铸铁件有砂眼，瓷件的机械强度不够，其它零件不符合规格或组装时不密封等；三是对绝缘材料的维护管理不善，造成电缆绝缘受潮、脏污和老化。
4、过电压
过电压主要是指大气过电压(雷击)和电缆内部过电压。对实际故障进行的分析表明，许多户外终端头的故障是由大气过电压引起的。电缆本身的缺陷也会导致在大气过电压的情况下发生故障。
5、绝缘老化变质
电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离使绝缘下降．当绝缘介质电离时，气隙中产生臭氧、腐蚀绝缘：绝缘中的水分使绝缘纤维产生水解，造成绝缘下降。
过热会引起绝缘老化变质。造成电缆过热的因素有多方面，既有内因，又有外因。内因主要是电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热，从而使绝缘炭化；外因是电缆过负荷产生过热。安装于电缆密集地区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆，以及电缆与热力管道接近的部分等，都会因本身过热而使绝缘加速损坏。长期过负荷运行，会使电缆的温度随之下降，薄弱处和对接头处首先被击穿。在夏季，电缆故障率高原因就在于此。油浸纸电缆、电缆敷设时地沟凹凸不平，或处在电杆上的户外头，由于电缆的起伏，高低落差悬殊，高处的电缆绝缘油流向低处而使高处的电缆绝缘性能下降，导致故障发生。例如2009年10月19日14 ：50分，侯月线上交至桥上区间下行线接触网跳闸，原因为桥上～上交间下行线寺西3#隧道K71+200处接触网正馈线电缆中间头过热击穿。2009年10月26日12：08分，侯月线沁水～桥上间下行线接触网跳闸，原因为桥上～上交间下行线寺西4#隧道15-1#支柱处正馈线电缆过热击穿。
通过以上事例表明：电力电缆中间接头的表面温度是反映其运行状态的重要参数。对电缆接头的温度进行连续不断地监视和统计分析，可使运行人员全面掌握其工作状况，及时了解电缆接头的老化情况，在必要时结合生产情况提出维修计划，并且在接头温度急剧升高达到极限温度时，发出报警信号提醒有关人员紧急处理，避免或减少故障的发生。是一项提高供电系统安全性、可靠性，确保铁路安全生产持续稳定的重要技术措施。
2 检测系统的设计
2.1 检测系统的设计原理
目前各种类型的测温装置虽有很多，但都不适应于电缆接头点多量广、集中性差、电磁干扰严重、阴暗潮湿、腐蚀性有害气体多、现场一般均没有低压工作电源的特点。目前尚没有专用于电缆接头温度监测的系统，铁路许多部门不得不采用人工定期测量的方法来监视电力电缆接头的温度。由于电缆都敷设在电缆沟内或埋在地下，人工测量不仅是十分不方便，有时也是十分危险的。由于不能连续监视，有些故障隐患不能及时发现，仍有出现故障的危险。
新研制的电缆接头温度检测装置，应能克服上述缺点，在无须运行人员参与的情况下，自动、连续地对电缆接头温度进行检测，随时显示并定时打印记录各被测电缆接头的温度值，当其中任意一个超过设定值时，能发出报警信号，以引起值班人员的注意，使故障隐患得以及时消除。除上述功能外，现场测温装置检测的结果应能通过计算机网络传送到经常有人值班的调度室、变电站主控室或其它有关部门。
工程师站
其它系统
其它系统
图1 电缆接头测温系统的总体框图
满足上述要求的测温系统的总体原理框图如图1所示。该系统在每个电缆中间接头处安装一个温度传感器，其输出电流信号通过辅助电缆传送至测温单元，根据电缆接头地理分布情况的不同，每个测温单元可与8个到48个传感器连接。测温单元的检测处理结果可以就地显示打印、越限报警，也可以通过通信网络传输至安装在主控制室或调度中心的监测主机。该主机还可以通过局域网或互联网与其它计算机相连，使有关人员均能够通过网络了解整个系统电缆接头的工作状况。
2.2 传感器的选取
温度传感器的选取，是电缆接头温度检测系统设计中的重要一环。传感器类型不同，检测仪器的检测方法和电路结构也会有很大的不同，传感器特性的优劣，对整个装置的性能有很大的影响。
目前常用的温度传感元件主要有红外温度计、热电偶、热电阻、半导体PN结、温控晶闸管和集成电路型温度传感器等几种。红外式最大的优点是非接触测量，因而具有很好的安全性，其缺点是结构复杂、抗干扰能力差，对环境要求高，故不宜选用；热电偶传输信号需用专用补偿线，且传输距离不宜太长，不适应电缆接头分布面很广的实际情况；热电阻通常为铂电阻，一般需采用三线式传输，平衡电桥式输出，传输距离也不宜太长，且抗干扰的能力较差；半导体PN结型和温控晶闸管型传感器也存在这样那样的问题，均不适用于电缆头温度检测；集成电路型测温元件有多种类型，其中电流输出型元件有很大的内阻（大于等于10兆欧），适合于远距离传输，抗干扰能力较强，通常体积较小，可用防腐防潮抗高温的导热硅胶密封在被测量点处，外接线由两条线引出，被测点处也不需要工作电源，比较适合电缆接头温度测量的需要。
2.3 监测单元和监测主机通信界面的设计
监测单元是整个系统最重要最基本的组成部分。根据需要，每个系统可以包括一个或多个监测单元。该单元主要功能是对温度传感器传来的微弱电流信号进行隔离、放大、采集、转换和计算，并根据要求以适当的方式显示、打印、报警和向监测主机转发数据。
界面可分为四大部分：菜单区、显示区、控制区和状态区，其中显示区主要显示各电缆接头的温度信息、接头号码（线号）、接头名称（线名）、超温值和时间信息。
程序的菜单区提供9个主菜单，依次是文件、设置、查询、调整、写入器、打印、OLC、附件和帮助。
文件菜单主要完成温度数据（在本程序中形成特定的数据文件）的操作处理，如打开、保存、删除数据文件等。文件菜单的下拉菜单有打开、保存、删除、复制、移动。
设置菜单主要完成设置工作，如设置接头数、接头名、报警温度、窗体颜色以及通信参数的设置，通信参数包括串行口、波特率、奇偶校验、停止位和通信周期。此外，本程序还设有口令，口令可以更改，在设置菜单里可以更换口令。与此相对应的下拉菜单有：路数、路名、报警温度、颜色、通信、通信周期、口令。
查询菜单与设置菜单相对应，用来查询设置菜单里完成的设置内容如路名、路数、报警温度、通信周期等，除此之外，通过该菜单还可以查询温度值、故障报告以及磁盘的类型和磁盘的空间。点击温值子菜单，出现温值查询窗口，通过温值查询窗口可以查询各接头的温度，并且可以查询温度是否越限。点击故障报告子菜单，出现故障报告窗口，故障报告窗口类似于主窗口，但它只显示温度越限接头的详细资料。
调整菜单用于某些设置信息的调整。由于现实中时常加装新电缆，拆除旧电缆，所以可通过调整菜单增加电缆接头、删除电缆接头、更改名称。对应的子菜单是增加节点、删除节点、修改名称。
打印菜单用来实现打印设置、打印数据的功能。
2.4 小结
随着电力电缆在铁路供电中的普遍采用，电缆的数量有了显著的增长，电缆的故障也随之增多。而电力电缆中间接头的表面温度是反映其运行状态的重要参数。对电缆接头的温度进行连续不断地监视和统计分析，可使运行人员全面掌握其工作状况，及时了解电缆接头的老化情况，在必要时结合生产情况提出维修计划，并且在接头温度急剧升高达到极限温度时，发出报警信号提醒有关人员紧急处理，避免或减少故障的发生。因此，本文对电力电缆的故障原因作了统计分析，提出了故障预防措施，并且对电缆接头运行温度检测系统设计方案进行了论述。为提高供电系统安全性、可靠性，确保铁路安全生产持续稳定提供了一项重要技术措施。
结 论
目前国际上对电力电缆故障诊断的在线监测技术研究已取得了不少成果，但目前我国电缆的故障诊断还处于现场的人机测试阶段。可以预期将来随着检测技术和信息处理技术的提高以及管理水平的进步，电力电缆的故障诊断问题将变得越来越容易解决，电力电缆的供电可靠性将得到最大限度的保证。实现电力电缆故障的实时动态监测将是未来电缆故障诊断的研究及发展的方向。
总之本文在深入了解了电缆在线监测与故障诊断研究的背景，包括监测的原因、现状、以及存在的问题的基础上，系统地分析了发生电缆故障的原因、故障分类等，最后提出了本课题的研究方向、意义和方法。
由于本人水平有限，文中不妥与错误之处在所难免，恳请各位专家、老师和同学批评指正。
参考文献
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[2]姚广平(基于单片微机的多通道数据采集系统(计算机测量与控制，1998，1（1）：23-26)
[3]西南交通大学（牵引供电专业培训教材，2010（5）：190-196）
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