電纜線路全壽命周期計算模型設計及在線監測

周英明，龐 丹，趙昌鵬，杜 群

（國網長春供電公司，吉林長春 130021）

0 引言

全壽命周期管理（LCM）是指涵蓋了某個產品或項目的設計、選材、建設、運營，直到報廢等各個流程的一種綜合管理手段，以保障運行穩定、延長使用壽命、降低維護成本為目的，是現代管理理論體系的重要組成部分。構建電纜線路的全壽命周期計算模型，至少要包括可研性論證、設計與制造、采購與安裝、運行與維護以及報廢回收這5 個模塊。在電纜線路投入運行期間，為保證其電力供應的穩定、可靠，滿足電力設備運行需要和電力客戶用電需求，必須要引入在線監測裝置，實現24 h不間斷的監測，確保故障隱患第一時間告警、處理，確保整個線路系統安全運行。

1 電纜線路全壽命周期計算模型設計

1.1 電纜選型設計

選擇電纜時，在滿足使用需求的前提下必須綜合考慮成本、質量等影響因素。例如，電纜的線芯要盡量選擇機械強度高、熱穩定性好的材料，如銅；電纜的保護套則要優先考慮阻燃性能好、機械性能優、耐腐蝕能力強的材料，如聚乙烯樹脂材料等；材料的可回收性、節能環保性等也是綠色發展背景下需要著重考慮的選型因素。電纜選型會直接對全壽命周期成本管理產生影響，其中電纜的橫截面面積是最主要的影響因素。因此，電纜選型作為全壽命周期管理中的首要環節，應當引起設計人員的重視，并從實用性、經濟性、穩定性、環保性等方面，選出最佳的電纜型號。

1.2 接地裝置設計

在電力系統中，與電纜線路相連的接地裝置主要包括2 種型式，其一是比較常規的接地箱。在同軸電纜外層導體的接線端子上，采用接地壓板與接地銅排連接的方式，達到接地保護效果。在設計接地箱時，必須保證外側箱體密封，防水防塵；同時還要具備較強的可擴展性，后期根據電纜線路的擴張需要，根據實際需要靈活擴展，降低改造成本；盡量控制接地箱的尺寸，可減少空間、降低費用。其二是適用于特殊情況的銅覆鋼材料接地保護，銅包覆鋼的耐腐蝕、機械強度和電阻率等性能指標均得到了優化，接地保護效果更加穩定，可實施性強、可維護性好，設計使用壽命通常達到35 年以上。

1.3 電纜溝、工井設計

（1）電纜通道耐久性設計。在設計電纜通道時，一般選擇用鋼混基礎作為承載構件。因此，要想提高電纜通道的使用壽命，應當重點關注鋼筋混凝土的耐久性設計。結合電纜通道的敷設環境，在設計時除了考慮鋼筋材料、混凝土的材料選型外，也要注意自然環境對材料帶來的影響。例如，我國北方地區冬季會形成凍土層，設計電纜通道時應考慮其低溫耐凍性能；凍土的周期性凍融特性，要求電纜通道必須具備較強的剛度才能保證承載力。在酸性地質條件下，還要考慮電纜通道的耐腐蝕能力，對鋼筋混凝土結構應做好防腐設計。

（2）混凝土結構耐久性設計。在制備混凝土時，使用到的原材料除了水泥、粉煤灰外，為了改善混凝土的和易性、粘結性和密實度，還會加入氫氧化鈣、鐵鋁酸鈣等材料。這些基礎材料按照設計好的配合比攪拌之后，所得的混凝土材料pH 值通常在12 以上，為強堿性。這種情況下，像鋼筋框架上澆筑混凝土，強堿環境會在鋼材表面形成一層致密的鈍化膜，保護鋼筋框架免受腐蝕，從而達到了提高鋼混結構耐久性的目的。

2 在線監測技術的應用

2.1 接地環流監測技術

利用溫度傳感器、振動傳感器等裝置，實現對電纜運行狀態的實時監控。一旦發現電纜金屬保護層的環流發生異常，如超出閾值等，會自動出發警報，提醒技術人員采取檢修、控制措施。在精密監測儀器和光纖通信技術的支持下，現階段接地環流檢測系統具有靈敏度高、穩定性好、調試方便等諸多應用優勢。整個系統大體包含了電源模塊、數據采集模塊、無線傳輸模塊和分析計算模塊等。其中，為了保證電力持續供給，保證監測的連續性，接地環流監測系統引入在線自取能技術（圖1）。有了自取能裝置后，利用線圈從高壓線纜獲取感應能量，然后將其轉化為電能，為蓄電池供電；在充滿電后繼續為整個監測系統供電，當電力中斷后蓄電池維持續航，從而實現在線實時監測。

圖1 在線自取能裝置工作原理

2.2 反外力破壞監控技術

在電纜線路覆蓋規模擴大的同時，線路遭到破壞的情況也更加常見，除了不法分子故意破壞外，工程施工中挖斷線纜的情況也屢見不鮮。為了保護電纜線路，反外力破壞監控系統得到了推廣應用（圖2）。

圖2 反外力破壞監控系統的組成

系統是由安裝在線桿或高架塔上的光伏電池板提供電力。在電力充足的情況下，首先將蓄電池充滿電，然后繼續向整個系統供電。陰雨天太陽能供電不足時，蓄電池持續放電以保證該系統正常運行。利用動態報警系統，能夠對輸電線路周圍一定范圍內的大型移動物體進行動態偵測，并設定最小報警距離，如1 m。當監測到某大型物體與輸電線路之間的距離不足1 m 時，觸發告警信號，由終端PLC 控制報警器發出警示音，提醒作業人員及時中止作業，防止誤碰、破壞電纜線路。

2.3 監測電纜表層溫度技術

電流熱效應會導致輸電線路溫度升高，但是在額定電流強度之內，不會對電纜線路造成損害。如果出現過電流的情況，電纜升溫現象十分明顯，進而對電纜以及其他電力設備造成損害。基于這一特性，設計了電纜表層溫度監測裝置，根據溫度變化情況，反推電纜線路運行狀況。在該監測裝置中，核心功能裝置主要有3 部分：①前端數據采集裝置，主要是分布在電力線纜各處的溫度監測分機，能夠實時采集溫度信號；②中間的信號傳輸裝置，主要由若干臺中繼通信設備組成，將溫度監測分機收集到的信號傳輸到終端設備；③溫度監測中心，主要由1 臺終端計算機組成，負責將溫度信號轉化為數字信號，并根據系統預設值，判斷實測溫度是否超出了預設值。如果溫度監測裝置判斷為“是”，則發出預警信號，并回溯提供該溫度信號的溫度監測分機，確定位置后，為技術人員判斷故障位置、開展搶修作業提供參考（圖3）。

圖3 溫度監測裝置系統組成

2.4 圖像監控技術

在線遠程監測能夠讓管理人員隨時掌握各地電力線路的運行狀況和外部環境，而圖像監控技術是支持遠程監測功能實現的關鍵。圖像監測系統提供了高清圖像抓拍、視頻在線記錄、鏡頭焦距控制等功能。從系統組成上來看，主要包括錄像管理模塊、設備管理模塊、報警控制模塊等。

3 結論

將全壽命周期管理理念運用到電纜線路的設計與管理中，從線纜選型、接地裝置設計、電纜通道設計等方面，構建理想的模型，從而為電纜線路的敷設和運行提供指導。在電纜線路投入運行以后，利用在線監測裝置實現工況實時監測，一旦發現安全隱患立即報警、處理，從而保障電纜線路運行的可靠與穩定，維護電力公司的效益。