隨著高速鐵路向中西部地區(qū)不斷發(fā)展，在山區(qū)和丘陵地段修建的高速鐵路越來(lái)越多。牽引供電系統(tǒng)供電線在穿越隧道時(shí)以及高鐵牽引變電所內(nèi)，大量采用27.5kV電纜作為能量傳輸載體為機(jī)車(chē)供電。因此，電纜的可靠性影響著供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)表明，由于制造、施工等環(huán)節(jié)不當(dāng)，監(jiān)測(cè)技術(shù)缺失等原因，造成我國(guó)電纜故障率約是發(fā)達(dá)國(guó)家的10倍。

國(guó)內(nèi)業(yè)內(nèi)針對(duì)電纜在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行了一系列的研究，研究的方向主要集中在基于局放、絕緣電阻和溫度等非直接接觸式監(jiān)測(cè)。研究表明，電纜接頭是電纜運(yùn)行中最薄弱、最容易故障的環(huán)節(jié)，其絕緣材料、應(yīng)力控制、壓接質(zhì)量及密封散熱等工藝制造原因，加上缺少有效的檢測(cè)手段，造成了電纜的高故障率。

目前，有關(guān)電氣化鐵道電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道。在實(shí)際的電氣化鐵路運(yùn)行中，電纜發(fā)生故障前，均出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，這會(huì)加速電纜的絕緣老化，甚至引起爆炸。

鑒于此，本文在總結(jié)現(xiàn)有電纜監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于一體化和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)思想，提出一種鐵道27.5kV電纜接頭芯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)方案。該方案擴(kuò)展靈活，具有良好的互操作性，可有效預(yù)防并減少突發(fā)性的電纜事故，為電纜的安全可靠運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。

1 電纜故障檢測(cè)技術(shù)

目前，電纜檢測(cè)的手段主要有局放檢測(cè)、接觸電阻檢測(cè)和溫度檢測(cè)。其中，局放檢測(cè)方法包括脈沖電流法、射頻檢測(cè)法、紅外熱成像法、超聲波檢測(cè)法和特高頻檢測(cè)法，這些檢測(cè)方法存在現(xiàn)場(chǎng)安裝和需要供電、性?xún)r(jià)比不高等問(wèn)題；而接觸電阻檢測(cè)方法存在施工安裝和準(zhǔn)確性難保證等問(wèn)題。因此，局放檢測(cè)和接觸電阻檢測(cè)無(wú)法在工程中大量推廣應(yīng)用?，F(xiàn)階段，電纜溫度檢測(cè)是目前有效預(yù)防并減少突發(fā)性的電纜事故最實(shí)用的檢測(cè)方法。

業(yè)界針對(duì)電纜接頭在線測(cè)溫問(wèn)題，提出了多種解決方案，主要有如下幾種。

1）光纖測(cè)溫系統(tǒng)

光纖測(cè)溫由測(cè)溫光纖和光分析儀組成。沿電纜表面鋪設(shè)光纖，利用拉曼散射和光時(shí)域反射，拉曼散射技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，光時(shí)域反射實(shí)現(xiàn)溫度定位，從而間接判斷電纜的溫度。

2）電纜溫度監(jiān)測(cè)儀

采用溫度傳感器，通過(guò)測(cè)量接頭外部護(hù)層連接處的溫度，間接判斷內(nèi)部線芯的溫度。

3）紅外測(cè)溫

用紅外效應(yīng)測(cè)量溫度，測(cè)量接頭處的紅外輻射，從而計(jì)算出溫度。

上述3種測(cè)量方法，均為非接觸式測(cè)量接頭外部表面溫度，屬于間接測(cè)量方法，測(cè)量準(zhǔn)確度不高，無(wú)法準(zhǔn)確地反映電纜接頭內(nèi)部的真實(shí)溫度。

2 系統(tǒng)方案

為提高電纜測(cè)溫的準(zhǔn)確性，必須研究?jī)?nèi)置溫度傳感器方式的直接電纜芯溫監(jiān)測(cè)技術(shù)，并且將感溫元件及相關(guān)的傳輸部件集成電纜接頭中，不影響電纜接頭的連接和電纜的電氣性能，下文探討一種接觸式測(cè)量電纜接頭真實(shí)溫度的技術(shù)方案。

2.1 方案特點(diǎn)

1）無(wú)線無(wú)源溫度傳感器直接測(cè)溫技術(shù)

本文采用電纜芯溫直接測(cè)量方法，將溫度傳感器直接接觸線芯感應(yīng)電纜溫度。由于電氣化鐵道采用27.5kV高壓?jiǎn)涡倦娎|，為避免使用電纜為溫度傳感器供電和傳送信號(hào)，保證供電安全，本文采用無(wú)源傳感器進(jìn)行溫度的檢測(cè)及傳輸。安裝于電纜外殼內(nèi)側(cè)的收發(fā)天線產(chǎn)生高頻電磁信號(hào)，當(dāng)電磁波到達(dá)溫度傳感器時(shí)，溫度傳感器對(duì)傳過(guò)來(lái)的電磁波來(lái)說(shuō)是一個(gè)特殊的負(fù)載，產(chǎn)生后向調(diào)制效應(yīng)。

該調(diào)制效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電磁波產(chǎn)生頻率變化，外部的采集器能夠檢測(cè)到該頻率變化。內(nèi)置傳感器由特殊材料制成，根據(jù)溫度變化可線性改變自身的物理特性，通過(guò)后向調(diào)制，線性地改變電磁波頻率。從而，通過(guò)頻率的變化，計(jì)算出相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)采用內(nèi)置無(wú)線無(wú)源溫度傳感器與電纜接頭一體化設(shè)計(jì)，達(dá)到絕緣、密封、應(yīng)力等可靠性最佳匹配，保證測(cè)溫性能、絕緣安全、壽命等性能。

2）長(zhǎng)距離總線傳輸技術(shù)

由于電纜接頭常常處于野外，采集器布置在電纜接頭附近，附近無(wú)供電電源，需要遠(yuǎn)端供電。本文采用電信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的HYAT通信電纜，在一條電纜中完成遠(yuǎn)程供電和數(shù)據(jù)傳輸，可以掛接多個(gè)設(shè)備，功耗低，避免了在設(shè)備處另外設(shè)置電源所帶來(lái)的施工、安全等問(wèn)題，節(jié)省了成本。

3）智能化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著在線監(jiān)測(cè)和信息技術(shù)的發(fā)展，電氣化鐵路對(duì)“智慧鐵路”的需求越來(lái)越迫切，加快了智能牽引變電站、萬(wàn)物互聯(lián)互通理念的進(jìn)程。本文基于智能變電站和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，采用IEC 61850規(guī)約、云服務(wù)等實(shí)現(xiàn)各接口的標(biāo)準(zhǔn)化和信息的實(shí)時(shí)共享，加快了設(shè)備狀態(tài)檢修的效率；同時(shí)也便于系統(tǒng)的擴(kuò)展及升級(jí)，對(duì)電氣化牽引供電的RAMS提供了數(shù)據(jù)支撐。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案充分考慮系統(tǒng)擴(kuò)容及升級(jí)的能力，以適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展和管理的需要?；谥腔坭F路的設(shè)計(jì)思想，下文基于IEC 61850有線通信及無(wú)線傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)詳細(xì)探討一體化電纜芯溫監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案。

1）基于IEC 61850有線通信方案

系統(tǒng)可分為3層，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)收集層、數(shù)據(jù)評(píng)估層，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層由采集智能電子設(shè)備（intelligent electronic device, IED）、內(nèi)置溫度傳感器、無(wú)線收發(fā)天線組成，如圖2所示。內(nèi)置溫度傳感器采用無(wú)源傳感器，緊貼在電纜接頭導(dǎo)體上，將電纜溫度的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電量信息，通過(guò)無(wú)線的傳輸方式，將溫度信息傳送給無(wú)線天線。

無(wú)線收發(fā)天線安裝在絕緣層和屏蔽殼之間，產(chǎn)生高頻電磁信號(hào)傳送給溫度傳感器，溫度傳感器從電磁信號(hào)獲取能力，導(dǎo)致電磁波的頻率變化，無(wú)線天線將導(dǎo)致電磁波頻率變化的溫度信息再傳送給就地安裝在電纜接頭附近的采集IED進(jìn)行溫度調(diào)制。

為了安裝方便、可靠，收發(fā)天線和電纜接頭銅殼一體化設(shè)計(jì)。在銅殼內(nèi)部，專(zhuān)門(mén)做出相應(yīng)的卡槽，安裝時(shí)對(duì)準(zhǔn)該位置，天線就能緊密固定在銅殼相應(yīng)位置，并且精確對(duì)正內(nèi)置芯溫傳感器，確保無(wú)線信號(hào)收發(fā)可靠。銅殼上設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)出線孔，引出收發(fā)天線的電纜，以連接采集器。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 內(nèi)置芯溫測(cè)量方案

采集器由總線接口電路、低功耗控制器、儲(chǔ)能電路、芯溫傳感器無(wú)線收發(fā)信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路4部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 采集器結(jié)構(gòu)框圖

其中總線接口設(shè)置有浪涌防護(hù)電路，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備不受浪涌高壓的損害。采集器總線接口電路完成從電纜傳來(lái)的調(diào)制信號(hào)中提取工作電源和數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)。芯溫傳感器無(wú)線收發(fā)信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路，完成高頻電磁波的調(diào)制和解調(diào)，配合內(nèi)置芯溫傳感器，獲取溫度信號(hào)。低功耗單片機(jī)完成溫度數(shù)據(jù)的計(jì)算處理。

（2）數(shù)據(jù)收集層

數(shù)據(jù)收集層由控制主IED組成。由于接頭沿電纜分布，有可能離牽引變電所很遠(yuǎn)，同時(shí)，往往附近沒(méi)有低壓電源，如何給設(shè)備供電并傳輸數(shù)據(jù)成為問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，本方案中的控制主IED采用HT-LPLD（hyper transport low power low drive）總線技術(shù)，集成了直流48V隔離電源，如圖4所示。

控制主IED可接入6根供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€，建議總線采用HYAT通信電纜，每條總線可掛接30個(gè)采集IED?？刂浦鱅ED控制總線信號(hào)的調(diào)制、傳輸和采集器的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)收集，并通過(guò)IEC 61850-MMS規(guī)約向牽引變電所/AT所/分區(qū)所的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)器傳輸溫度信號(hào)。

圖4 HT-LPLD總線示意圖

控制主IED集成了電源模塊和6路總線接口電路模塊、嵌入式處理器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

電源模塊為處理器、存儲(chǔ)器、總線接口、以太網(wǎng)接口等提供電源。嵌入式處理器及相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于完成溫度采集控制和數(shù)據(jù)信息處理。為保證電氣隔離，防止高電壓、浪涌造成損害，采用光纖通過(guò)IEC 61850接口與數(shù)據(jù)評(píng)估層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（3）數(shù)據(jù)評(píng)估層

數(shù)據(jù)評(píng)估層由牽引所/分區(qū)所/AT所所內(nèi)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)器、通信裝置、供電段維護(hù)系統(tǒng)組成。完成所內(nèi)及至接觸網(wǎng)所有電纜接頭的溫度信息匯總及評(píng)估，為運(yùn)營(yíng)檢修人員提供檢修依據(jù)。

圖5 控制主IED結(jié)構(gòu)框圖

所內(nèi)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)器集成了電纜溫度監(jiān)測(cè)評(píng)估軟件，通過(guò)IEC 61850-MMS規(guī)約與控制主IED通信，獲取電纜接頭的實(shí)時(shí)溫度信息，并通過(guò)監(jiān)測(cè)評(píng)估軟件評(píng)估電纜的實(shí)時(shí)狀態(tài)，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)器上展示評(píng)估結(jié)果，同時(shí)評(píng)估信息可通過(guò)監(jiān)測(cè)服務(wù)器與所內(nèi)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信，為值班員和檢測(cè)人員提供檢修指導(dǎo)依據(jù)。

運(yùn)營(yíng)檢修人員任務(wù)重，無(wú)法第一時(shí)間通過(guò)電腦了解到電纜實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而錯(cuò)過(guò)了檢修的最佳時(shí)期。隨著云服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，本方案在所內(nèi)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)服務(wù)器上安裝了云服務(wù)功能，可將電纜的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息傳送至云端服務(wù)器，使檢測(cè)人員隨時(shí)隨地均可通過(guò)手持設(shè)備訪問(wèn)云服務(wù)器獲得電纜的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

2）基于無(wú)線傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)方案

隨著云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位對(duì)電氣化鐵道牽引供電提出了更高的要求，下文根據(jù)上述方案，基于大數(shù)據(jù)分析和智慧鐵路的設(shè)計(jì)理念，詳細(xì)闡述無(wú)線傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集層、云數(shù)據(jù)層、站端層架構(gòu)方式，架構(gòu)如圖6所示。

（1）數(shù)據(jù)采集層

相比較上文基于IEC 61850有線傳輸方案，無(wú)線傳輸方案采集IED無(wú)法采用HT-LPLD總線供電。本方案中采集IED通過(guò)就地安裝在電纜外層的非閉合感應(yīng)裝置供電，導(dǎo)體測(cè)溫傳感器與電纜導(dǎo)體線芯直接接觸，感知和傳輸電纜導(dǎo)體溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)，原理與基于IEC 61850有線傳輸方案相同。與測(cè)溫傳感器配套使用的信號(hào)天線外置于電纜接頭絕緣主體外和銅膽內(nèi)部，溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸至就地安裝的采集IED后，經(jīng)過(guò)采集器處理后再將溫度信號(hào)通過(guò)移動(dòng)基站傳輸至云端服務(wù)器。

（2）云數(shù)據(jù)層

云數(shù)據(jù)層通過(guò)云端服務(wù)器接收各采集IED發(fā)送的電纜接頭溫度，將溫度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，并將監(jiān)測(cè)評(píng)估軟件通過(guò)Web應(yīng)用服務(wù)器部署在云端。

圖6 基于無(wú)線傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)方案架構(gòu)圖

（3）站端層

運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員通過(guò)手持終端、供電段維護(hù)系統(tǒng)及所內(nèi)數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器等終端設(shè)備通過(guò)瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式訪問(wèn)云端進(jìn)行電纜接頭溫度評(píng)估信息的查看。

本系統(tǒng)方案采用一體化設(shè)計(jì)思想，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、智能變電站技術(shù)，充分考慮了系統(tǒng)擴(kuò)容及升級(jí)的能力，以適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展和管理的需要。同時(shí)，開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)接口便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，用戶可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行電纜狀態(tài)的大數(shù)據(jù)分析，以進(jìn)一步完善電纜故障狀態(tài)診斷模型，提升電氣化鐵道智能運(yùn)維水平。

3 結(jié)論

電纜接頭是電纜運(yùn)行中最薄弱、最容易故障的環(huán)節(jié)，實(shí)際運(yùn)行表明27.5kV電纜接頭正在成為影響電纜供電安全的主要因素。電纜接頭發(fā)生事故前，往往出現(xiàn)發(fā)熱，加速絕緣老化，最后造成接頭爆炸。因此對(duì)電纜接頭進(jìn)行在線測(cè)溫是預(yù)防和減少電纜接頭故障的有效手段，是保證鐵路牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要措施。

本文在總結(jié)目前電纜故障監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于一體化和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)思想，提出了鐵道27.5kV電纜接頭芯溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)方案，該方案擴(kuò)展靈活，具有良好的互操作性，可有效預(yù)防并減少突發(fā)性的電纜事故，為電纜的安全可靠運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。