基于內窺鏡+傳感器的電纜敷設狀態監測系統設計

沈圣煒

(國網浙江桐鄉市供電有限公司，浙江 桐鄉 314599)

電纜管道敷設是一種將電纜敷設于預先建好的地下管道中的安裝方式，適用于城市交通比較繁忙、地下走廊比較擁擠、敷設條數比較多的地段，目前已成為電纜敷設的主要方式。在電纜敷設過程中，電纜管道由于地質下沉、敷設質量等原因，管道內會有堵塞、管道錯位等異常現象，造成電纜在敷設過程中受損(如護套劃傷、絕緣受傷等)，最終導致電纜使用壽命下降[1-3]。

傳統電纜管道采用人力牽引塑料通棒或鐵牛等工具來疏通和清理管道，但這只能說明管道暢通，不能說明管道內缺陷存在的情況，整個管道內缺陷狀態仍處于盲區狀態。因此，尋求一種電纜敷設狀態監測已成為電纜安全敷設所急需解決的問題。

傳統電纜在敷設過程中對電纜管道狀態無法進行監測，為此本文提出一種基于內窺鏡+傳感器的電纜敷設狀態監測系統，可避免牽引力過大或管道內缺陷造成電纜受傷，從而提高電纜敷設質量。

1 電纜敷設狀態監測系統框架

在滿足電纜敷設要求的基礎上，本文對電纜敷設狀態監測系統進行設計，整個系統的框架如圖1所示。

圖1 電纜敷設狀態監測系統框架

電纜敷設狀態監測系統由視頻監測模塊、拉力監測模塊、復合鋼纜和監測終端等組成。整個系統在作業過程中，首先利用視頻監測模塊對管道內狀態進行拍攝，通過輻射鋼纜上傳到監測終端，作業人員通過觀測管道內狀態實現對缺陷的監測和定位，然后利用拉力傳感器對電纜敷設過程中牽引力的監測，實時掌握牽引力的變化，避免牽引力過大導致電纜受損。

2 視頻監測模塊設計

視頻監測模塊設計時，采用內窺鏡+發光二極管(LED)補光相結合的技術實現對電纜管道內部缺陷的監測。

電纜管道缺陷監測裝置結構及實物圖如圖2所示，由攝像頭、LED補光燈、里程計、行走輪、主控芯片和結構組件等組成，首先利用LED補光技術實現對管道內部照明，利用內窺鏡模塊對電纜管道內部缺陷的觀測。

圖2 電纜管道缺陷檢測裝置結構及實物圖

在觀測管道內部缺陷的過程中，為了實現對管道缺陷的精確定位，提高作業人員對缺陷修復的作業效率，利用磁開關脈沖計數的方式實現對路程和速度的測量，系統的結構如圖3所示。由圖3可知，整個系統由磁開關和帶磁粒的輪轂組成，系統在管道內移動的過程中，輪轂在旋轉，當磁粒接近磁開關時，給一個磁信號，觸發磁開關，形成一個脈沖信號，通過對脈沖信號的計數和間隔時間的測量，實現對系統路徑長度和速度的測量。計算公式如下：

(1)

式中s——路程；l——兩個磁粒之間的弧長；n——計數值；v——平均速度；Δt——脈沖的時間間隔。

圖3 里程計的結構示意圖

基于里程計的設計，結合系統的測量模塊和管道的尺寸，整個系統采用輪轂式結構，如圖 4所示。

為了使系統適用于各種管道尺寸，在輪轂設計中增加了彈簧，通過彈簧的長度調節輪轂尺寸，使其適用于各種管道。

圖4 輪轂式結構示意圖

3 拉力測試模塊設計

拉力傳感器根據力作用下變化量的不同分為電阻應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。為了實現對電纜敷設過程中牽引力的測量，設計了基于壓阻式壓力傳感器的牽引力監測模塊。通常是將應變片通過特殊的粘合劑緊密地粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的電阻發生改變，導致加在電阻上的電壓發生變化，從而實現對壓力的測量[4-5]。

金屬導體的電阻值可用下式表示：

(2)

式中ρ——金屬導體的電阻率，(Ω·cm2·m-1)；S——導體的截面積，cm2；L——導體的長度，m。

當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化。如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增加。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。

利用分壓器原理對應變片的電阻進行測量，結合電阻和拉力的關系實現對電纜敷設過程中牽引力的測量，電纜敷設系統的整體結構示意圖如圖5所示。

圖5 牽引力監測結構及實物圖

4 復合纜的設計

根據需要上傳的拉力數據和圖像，同時為滿足電纜敷設過程中牽引強度，采用高強度鋼絲復合纜，實現對系統牽引過程紅供電及數據上傳。凱夫拉復合電纜的結構示意圖如圖6所示。

圖6 凱夫拉復合電纜的結構示意圖

為了防止供電線纜和光纖在施工過程中受損，將光纖和線纜放置在中間，外圍采用高強度鋼絲承受電纜敷設牽引力。

5 模擬試驗

為了了解所設計的電纜敷設狀態監測系統的監測效果，根據電纜敷設狀態監測系統的設計對整個系統進行了制作和試驗。

電纜敷設狀態監測模擬試驗的測試示意圖如圖7所示。在圖7中，01為電纜絞盤；02為電纜導向桶(或導向滑輪組)；03為電纜；04為電纜輸送機；05為管口擴口器(或導向滑輪組)；06為拉力及視頻監測單元；07為導向滑輪組；08為復合鋼絲纜；09為絞磨；10為里程計(或導向滑輪)；11為鋼絲纜絞盤；12為地面控制單元。

圖7 電纜敷設狀態監測模擬試驗示意圖

首先利用視頻監測系統對電纜管道內缺陷進行監測，如圖8所示。從圖8中可以看出，視頻系統可實現對管道缺陷清晰觀測，并通過里程計實現對缺陷初步位置的定位。利用視頻監測系統對電纜管道內狀態的監測，使作業人員可以清晰地了解到管道內狀態及缺陷的位置，對缺陷進行及時地處理，避免電纜管道缺陷對敷設過程中電纜造成損傷。

圖8 電纜管道缺陷圖

當電纜管道內部狀態良好時，此時開始敷設電纜，將牽引力監測終端代替原有的防捻器，實現對電纜敷設過程中牽引力的監測，如圖9所示。同時釋放復合鋼纜在牽引電纜過程中的扭力，當發現電纜敷設過程中牽引力大于電纜所能承受力時，系統發出報警信息，停止電纜敷設，避免電纜敷設過程中受傷。

圖9 敷設拉力曲線圖

6 結語

通過對電纜敷設狀態監測系統的設計、制作和試驗，由測試結果可以得出如下結論。

(1)基于內窺鏡+LED補光技術制成的管道內缺陷監測裝置可清晰地觀測到電纜管道內的缺陷，可實現對電纜管道缺陷的監測。

(2)基于磁脈沖制成的歷程測量模塊可實現對管道內缺陷裝置行駛歷程的測量，測量精度達0.3 m，可實現對缺陷的精確定位，提高了作業人員修復管道缺陷的工作效率。

(3)基于拉力傳感器制成的牽引力監測系統可實現對電纜敷設過程中牽引力的監測，滿足牽引力監測要求。

由此可見，本文設計的電纜敷設狀態監測系統可實現對電纜管道內缺陷的監測和定位、電纜敷設過程中牽引力的監測，使作業人員能及時掌握電纜敷設的狀態，避免了管道缺陷和過大牽引力造成敷設過程中電纜受傷，并提高了電纜敷設質量。