基于物聯網的電力電纜狀態檢修技術

曾少杰

（廣西智能交通科技有限公司，廣西 南寧 530000）

物聯網能夠監測電力設備或電纜的運行環境、工作狀態，并將監測到的各類信息反饋給計算機，根據分析結果采取相應的調控措施，從而保證了電力系統運行的安全可靠、經濟合理。現階段，物聯網技術已經在發電機、變壓器、輸電線路，以及各種二次設備的狀態監測中得到了推廣使用。其中，電力電纜作為電力系統中連接各類電氣設備的重要工具，保證其工況良好對維護整個電力系統的穩定運行有重要影響。基于此，設計一種適用于電力電纜狀態監測的物聯網監測系統，成為新時期電力運維與管理工作的一項重要任務。

1 基于物聯網的電力電纜狀態檢修設計

1.1 電纜狀態檢修系統感知層的設計

電力電纜的許多故障都會以溫度的形式表現出來，例如電纜接頭生銹或發生絕緣擊穿后，電纜故障位置處會有明顯的升溫現象。基于此，可以將電纜接頭溫度作為采樣指標，在電纜接頭處安裝溫度傳感器，實時采集電纜的溫度，然后將采集到的溫度數據通過通信系統反饋給控制站，并由控制站計算機進行分析。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計，置于電纜中間接頭內部。在傳感器外側安裝有一個密封的銅殼，可以避免溫度傳感器因為受潮而出現銹蝕、污損，從而延長傳感器的使用壽命。為了減輕終端的數據處理工作量，可以設定傳感器的數據采集周期，例如每30 min或每60 min 采集一次電纜監測點的溫度數據。需要采集數據時，該測溫節點的傳感器被喚醒，完成溫度采集后則進入休眠狀態，等到下一周期再次被喚醒，這樣就能降低能耗[1]。如果系統出現告警情況，則每5 min 或每10 min 采集一次溫度數據。

同時，為了提高測溫模塊的抗干擾能力，可選擇集成設備。溫度采集集成模塊由溫度傳感器、數據處理器、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 轉換，可直接輸出數字信號。另外，該傳感器內置32 位激光ROM、讀寫速度快；采用L-wire 技術，通信速率高；測溫范圍在-50～100 ℃，測量精度達到±0.1 ℃，可滿足絕大多數情況下電纜溫度監測需要[2]。

1.2 電纜狀態檢修系統網絡層的設計

網絡層的功能是連接傳感器與主控站，將測溫節點處射頻芯片發射的無線信號傳輸到計算機上，以便于計算機對溫度數據展開對比、分析。在網絡層設計中，分為有線通信和無線通信兩種模式。其中，網絡層與主控站上位機之間為有線通信，使用RS485 通信總線連接主控站計算機的接口，可以將計算機的調控指令發送到前端的傳感器。在測溫終端還有一個集成的LED 顯示器，可以直觀地顯示實時溫度。在網絡層與前端傳感器之間，則采用射頻芯片進行無線通信，將傳感器的溫度數據反饋至計算機。網絡層的結構組成見圖3。

在同一電力系統中，可能會設置多個測溫站，這些測溫站與測溫終端之間采用星型網絡拓撲結構，完成異步串行通信。其中，測溫終端始終保持指令接收狀態，以便于隨時接收主控站上位機發送的指令，并執行相應的操作。

1.3 電纜狀態檢修系統應用層的設計

系統應用層的主要功能是對前端反饋的溫度數據進行統計、對比、分析。應用層主要包括兩大模塊，即數據中心功能模塊、移動終端功能模塊，各模塊的功能組成見圖4。

應用層除了支持上述功能外，還可將前端反饋的溫度數據按照采集時間進行分類存儲。如果有異常數據，系統會自動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，系統還能將溫度數據自動轉化成溫度曲線，一目了然地顯示溫度變化趨勢。

2 基于物聯網技術的電線電纜狀態檢修實例

2.1 故障概況

某110 V 變電站共有2 條線路。2021 年9 月11日，其中一條電纜因為開關引線接頭溫度異常升高而臨時停電檢修，變電站進入非正常運行狀態，另一條電纜承擔了全站負荷，此時負荷電流達到了266 A（正常情況下為140～180 A）。該線路持續運行40 min后，9 號接頭的C 相出現故障。經調查，該線路的電纜型號為YJLW03，線路總長度為11.5 km，導線截面積775 mm3，線路內共有36 個電纜接頭。

2.2 原因分析

故障發生后，變電站立即組織技術人員進行了現場調查。經檢查，未發現外力破壞痕跡，故排出外力因素引起故障。事故發生時，該變電站臨時切換線路導致線路的負荷電流突然增加，但是經測量發現，負荷電流并未超過最大負載，由此排出了電纜負荷電流太高引起的故障。

排除上述幾種可能導致電纜故障的常見因素后，技術人員對電纜的接地系統進行了檢查，發現存在以下問題：（1） 該條線路共包括15 段電纜，按照相關設計要求需要設置5 個交叉互聯段，這樣才能有效抑制線纜金屬保護層的感應電壓。而現場檢查結果顯示，該線路僅有3 個交叉互聯段，達不到設計要求。（2） 接線方法上，要求絕緣接頭的同軸電纜內線芯與同一側金屬保護套連接，外線芯與對側金屬保護套連接。現場檢查結果顯示只有部分接線正確。綜上，金屬保護層接地系統存在缺陷，導致電纜接頭處電壓過高、環流增加，是引起本次故障的主要原因。

2.3 基于物聯網的狀態檢修

在常規檢修模式下，電纜每年檢修1 次。由于檢修頻率較低，很難保證在電纜發生故障以后第一時間發現問題所在，錯過了最佳的維修時機，進而引起更為嚴重的事故。另外，在檢修方法上，主要是由維修人員手持紅外檢測儀等設備逐項檢查。而由于變電站電纜的接頭較多、線路復雜，使得檢測效率不高，一些隱蔽的故障也難以發現。基于此，本次變電站電纜故障檢修中引入了基于互聯網技術的電纜狀態檢修技術，具體如下：

將溫度傳感器安裝到電纜的接頭處，然后在無線測溫裝置上設定數據采集頻率，每60 min 接收1 次溫度數據。根據線纜運行工況，設定溫度上限為50℃，如果監測到的實際溫度超過50 ℃，則監測裝置自動告警，提醒工作人員及時處理。告警后，測溫裝置自動將數據采集頻率調整為10 min/次，密切監測電纜接頭溫度的實時變化。在測溫裝置的人機交互界面，工作人員可以直觀地觀察到每個被監測接頭的當前溫度信息和歷史溫度信息，通過數據對比即可找出溫度異常的電纜接頭，從而實現對故障點的超前處理，避免嚴重事故的發生[4]。2 個監測點的溫度變化數據見圖5。

受到電流熱效應的影響，距離故障點越近的位置，其溫度越高，升溫速度越快；相應的，距離電源側越遠的位置，其溫度變化幅度越小。結合圖5 可以發現，監測點M 的溫升要高于N點，這表明M 點距離故障點更近一些。按照此方法，在電纜上多布置幾個監測點，就可以通過各個監測點的溫升情況，逐漸逼近故障點，從而縮小了故障排查范圍，方便工作人員以最短時間鎖定故障，為電纜故障的維修處理提供了技術支持[5]。

在基于物聯網的電纜故障排查中，還可以對各個監測點反饋的數據進行橫向比較，也可判斷電纜故障位置。本次監測中獲取該電纜A、B、C 三相的運行溫度，結果見圖6。

結合圖6，該線路上同一位置的A、B、C 三相溫度，C 相溫度在多數時間里明顯高于A 相和B 相溫度。說明C 相電纜出現異常。在配合上文的電纜溫度監測結果，即可精準鎖定故障位置。

2.4 電線電纜狀態檢修技術的對比

對比來看，基于物聯網技術的電纜狀態檢修，相比于傳統的人工檢修具有如下優勢：

（1） 安全優勢。變電站電氣設備種類多樣、電線電纜連接復雜。傳統以人工為主的檢修，很有可能因為電纜絕緣失效等故障而增加安全隱患。相比之下，基于物聯網技術的電纜狀態檢修，可利用傳感器采集溫度參數、振動參數、電流參數，整個監測過程不需要人工參與，因此更加安全。

（2） 成本優勢。基于物聯網技術的電纜狀態檢修，用電氣設備代替人工，可以做到無人巡檢，顯著降低了人工成本。

（3） 效率優勢。基于物聯網技術的電纜狀態檢修，可以24 h 不間斷的采集電纜運行數據，并基于人工智能分析快速、準確判斷電纜故障，實現隱蔽故障的超前報警、及時處理，檢修效率更高。

3 結論

相比于傳統以人工為主的檢修模式，本研究提出的一種基于物聯網技術的電纜狀態檢修方案，可以利用溫度傳感器實時采集電纜各處的溫度變化情況，然后將采集數據進行匯總分析。如果某個監測點的溫度出現異常升高情況，則系統立即報警，提醒工作人員及時發現和處理問題。根據監測點與故障點距離越近、溫度越高的特性，可以快速查找到故障位置，進而為工作人員采取針對性的維修處理措施提供了技術支持。