电缆隧道环境综合监测系统设计与应用

2021-04-01刘俊俊黄新波赵隆朱永灿王孝敬

广东电力 2021年3期

刘俊俊，黄新波，赵隆，朱永灿，王孝敬

(1.西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048；2.西安金源电气股份有限公司，陕西西安 710117)

随着我国电力行业的飞速发展，城市供电设施不断完善，电缆已经成为了主要的送电体；与架空方式相比，电缆隧道方式输电的优势越来越明显[1]，因此电缆隧道的建设也越来越广泛；这种地下隧道工作环境比较复杂[2]，对电缆以及隧道运行维护提出了更高的要求。传统的周期巡视和检修管理模式存在很大的局限性，人工维护需要停电，费时费力，危险大。同时，数据监测不完整，装置间缺乏必要的联系和有效的协调，无法直观展示实时数据及进行综合评估。因不能及时发现电缆及隧道环境存在的隐患，易导致因电缆缺陷引发的事故，从而造成不必要的损失；所以，采用电缆隧道环境综合监测系统来运维管理，对保障供电可靠性具有十分重要的意义[3-5]。

目前，国内电缆隧道监测系统还不能做到及时有效地发现电缆的缺陷和隐患[6-7]，电缆隧道系统监测工作面临巨大压力[8]。文献[9]虽然实现了对全隧道的监控和指挥，但缺乏对整个系统的综合运行状态的诊断。为此，在电力电缆诊断检测技术[10-11]、电缆的光纤测温[12-13]、电缆护层电流的检测[14-15]等方面都有不同的研究。文献[16]对电缆隧道环境进行了综合监测，但只是对电缆及隧道环境进行单一运行数据的采集及监测，缺乏对数据的分析和整个电缆隧道系统运行状态的综合评估。

为了提升电缆隧道智能化故障处理的能力[17]，本文设计了1套智能化隧道环境综合监测系统，能够实时采集隧道环境的各种数据，处理后向相关人员直观地展示隧道内情况，能进行数据分析、自动报警、自动联动控制隧道中的硬件设备排除警情。在河南试运行的某电缆隧道环境综合监测系统显示，此系统满足智能电网对输电线路的安全性、经济性和智能性的要求。

1 隧道环境对电缆隧道运行的影响

1.1 电缆隧道的重要组成

电缆隧道顾名思义就是由电缆和隧道两大部分组成。其中电缆是电缆隧道中的核心部分，现有的许多电缆在线监测都是为了保证电缆运行的稳定性。电缆隧道结构主要包括主体建筑和附属设备两部分：主题建筑物由洞身和洞门组成，附属设备包括消防设施、应急通信、排水设施以及通风照明设备等。

电缆和隧道两者密不可分，可以通过对电缆本体和隧道环境的监测，将两者紧密结合起来更全面地评估电缆的安全性，这既可以加强电缆的稳定运行，大大增加电缆的运行寿命，也很好地保证工作人员进入隧道的安全性。

1.2 电力电缆故障分析

电缆故障主要分为电缆本体故障和电缆附件故障两方面。电缆本体故障原因包括外力破坏、产品质量、施工安装、受潮、自然灾害、交叉互联接线方式错误等，其中：外力破坏为电缆本体发生故障的主要原因，占比高达70%以上；其次是产品质量故障，占比约为12%。产品质量故障主要原因如下：电缆绝缘屏蔽与金属护套接触不良、电缆外护套材质不良导致裂开、绝缘材料性能不合格、本体制造缺陷等。

南方电网科学研究院有限责任公司对2006—2016年间发生的231起故障案例统计显示：计及外力破坏导致的故障时，电缆附件(含接头和终端)故障占比达64.5%；不考虑外力破坏的故障时，电缆附件故障占比高达85.5%。可以看出，无论是否考虑外力破坏，目前电缆线路中电缆附件已成为最大的薄弱环节，所以本系统在设计时更多地考虑隧道环境因素对电缆附件的影响。电缆附件故障原因包括外力破坏、产品质量、施工安装、受潮、自然灾害等，如图1所示，其中，施工安装和产品质量是2个主要因素，附件安装尺寸与设计图纸不一致、附件安装时电缆处理不当、预制件与电缆绝缘界面压力控制不当、预制件安装严重偏心、电缆或终端弯曲半径过小等都会导致施工安装时出现问题。隧道环境中的温湿度也对电缆接头的安全运行有很大影响，如图1所示，当电缆隧道内湿度较大或天气原因，电缆接头与电缆绝缘界面处混入水分，使电缆接头密封受潮导致电缆的绝缘出现问题。综上所述，本系统需要对电缆接头本体和隧道环境参数进行实时在线监测以确保电缆的安全运行。

图1 电缆接头故障原因分布图Fig.1 Fault cause distribution of cable joint

1.3 电力电缆隧道监测参数分析

该系统监测的参数主要分为电缆本体参数和电缆隧道环境参数两大方面。电缆本体的监测参数为电缆接头温度和电缆护层电流：电缆接头温度能够反映电缆接头的运行状况，一般其温度不能超过90 ℃；通过监测护层电流可及时发现电缆线路的潜在故障,有效避免非计划性停电，加强对电缆本体的有效性监测。

该系统主要监测的环境参数包括环境温度、环境湿度、隧道内有害气体含量、水位以及烟雾。环境温湿度和水位对电缆绝缘有较大影响，当温湿度过高或水位高时，会加快腐蚀隧道内的电气设备，更会加快电缆的老化速度；电缆隧道内由于内部绝缘材料老化产生的有害气体会在隧道内积聚，不但会直接影响电缆的运行安全，提高隧道发生火灾的几率，还会威胁到进入隧道工作人员的生命安全，因此电缆隧道内应安装有害气体监测装置。

在隧道内电缆的运行过程中，该系统对电缆本体和环境的监测同样重要，就像一个整体密不可分，对电缆本体监测可及时发现电缆运行中的问题，防止事故扩大，对隧道环境监测可及时优化隧道环境，延长电缆的寿命，对两者的监测缺一不可。

2 系统总体架构

电缆隧道运行环境综合监测系统对隧道中的电缆及其运行环境进行全面监控，对其运行状态进行综合评估，对相关联动设备进行智能控制及事故处理，系统整体架构如图2所示。

该系统包括数据展示层、管理层和采集层[18]。数据采集层是对电缆隧道中的温度、湿度、有害气体含量、烟雾、水位、电缆接头温度[19-20]和护层接地电流等各项指标进行实时监测，并通过RS485通信总线将采集到的数据传入数据管理层。数据管理层是对采集到的状态数据进行阈值处理，并通过光纤网络通信上传至数据展示层。若遇到电缆温度过高、火灾或漏水等紧急情况，能够及时制动相关联动设备并报警。数据展示层是通过该系统监测到的数据对电缆隧道运行状态进行综合评估，并保存历史数据。

2.1 监测主机

监测主机完成对电缆运行状态参数和电缆隧道环境信息的采集和数据传输。主要由微处理器、电源、电缆及隧道环境监测单元、自动控制模块以及通信模块组成，如图3所示。硬件设计核心微处理器选用32位高性能ARM处理器STM32F407，该处理器不仅有工作模式，还有睡眠、停止和待机3种低功耗模式，可以有效配合传感器采集数据。

图2 系统整体架构图Fig.2 System overall architecture

图3 电缆隧道在线监测装置的内部结构示意图Fig.3 Internal structure diagram of on-line monitoring device for cable tunnel

a)装置电源模块。微处理器供电模块和传感器供电模块构成整个装置的供电模块。本装置需要24 V、5 V、3.3 V电源。先将装置外220 V交流电经过空气开关引入该装置，供电模块通过AC/DC开关电源将220 V交流电转成48 V直流电，通过DC/DC电源模块将48 V转成24 V和5 V,再通过低压稳压芯片将5 V转成3.3 V。该装置用微处理器来控制传感器供电模块，通过DC/DC电源芯片将24 V转换成±12 V给传感器供电。微处理器通过光耦控制各类传感器的数据采集。

b)自动控制模块。通过AD模块将采集到的传感器数据传入微处理器并进行判断，当数据超过或低于隧道环境正常阈值时，微处理器会及时通过继电器做出反应。例如，当水位超过阈值时，微处理器会通过继电器让水泵工作，降低水位；同理，当隧道内空气中气体含量异常或温湿度过高时，微处理器会通过继电器让风机工作来优化隧道内的空气质量及温湿度。将所有采集到的数据通过网口通信模块上传到信息管理服务器，在系统后台对电缆隧道运行状态做进一步的综合评估。

c)数据通信模块。电缆隧道监测数据的传输采用“光纤+电力载波+RS485”的综合通信方式：前端监测设备和传感器之间采用RS485总线通信；各前端监测设备到隧道内的监测主机采用电力载波通信；各监测主机到站控层的后台服务器之间采用光纤网络(光纤环网)通信。

2.2 传感器单元

通过各种传感器对电缆隧道内的电缆接头温度、电缆护层电流、气体含量[21]、温湿度、水位等进行数据采集及实时监测。

电缆隧道环境要求：相对湿度10%～100%，温度0～75 ℃。考虑到监测系统的高精度、高性价比的要求，选择准确度和稳定性较好的SHT15数字温湿度传感器，其测量相对湿度界限为0～100%，测量温度范围为-40～123.8 ℃，温度分辨率为0.01 ℃。气体传感器选用KQ500点型气体探测器，其输出4～20 mA的电信号，检测范围为体积分数0～30%。水位传感器采用投入式液位计，其输出4～20 mA的电信号，检测范围0～5 m。电流传感器采用穿心式电流互感器，安装方便。电缆接头测温采用PT100温度传感器，以“8”字方式缠绕于电缆接头，测温精度可达±0.03 ℃。

上述传感器上传的电信号为4～20 mA，再通过1个250 Ω的电阻将其转换成1～5 V的电压信号，并通过AD模块转换传入微处理器。微处理器将采集到的数据通过网口通信模块上传到信息管理服务器，在系统后台做进一步的电缆隧道的状态诊断。

3 电缆隧道综合管理平台设计

3.1 状态评估及故障处理

故障评估与分析是对故障做出自动处理的前提条件[22-24]。本文将电缆隧道监测参数分为安全、告警和故障，并对10个参数进行阈值判断，见表1。其中氧气含量(体积分数，其他气体相同)、电缆接头温度等参数阈值为定值，环境温度、水位等参数阈值可根据具体情况做一定调整。

本系统应用于电缆隧道环境综合监测[25]，通过分析电缆隧道的特点，根据电缆隧道可能发生的典型的报警情况，建立综合评估报警体系，见表2。

表1 电缆隧道参数阈值判断表Tab.1 Parameter threshold judgment table of cable tunnel

表2 综合评估体系报警情况Tab.2 Alarm situations of comprehensive evaluation system

系统将电缆隧道运行状态分为正常状态、亚正常状态、紧急状态、危急状态4种状态。正常状态下，约束条件均能满足，且具有适当的安全裕度，能够承受偶然事故却不超出任何约束条件；亚正常状态下，约束条件均能满足，但安全裕度低，一旦发生偶然事故就会进入紧急状态；紧急状态下，不满足小部分约束条件的运行状态，运行参数已经超越警戒线；危急状态下，不满足大部分约束条件的运行状态，一旦发生故障会引起连锁反应，甚至会造成系统严重损坏。通过多参数的监测达到对整体电缆隧道环境系统状态的综合诊断，见表3。

故障处理是整个系统的关键部分。当事故发生时，系统将控制相关的联动设备，由综合评估体系报警情况表可知，隧道内部的报警类型分为7种，每一种警情分别对应不同的处理方式，见表4。

表3 电缆隧道状态综合诊断表Tab.3 Comprehensive diagnosis table of cable tunnel conditions

3.2 系统平台功能设计

本系统平台的设计具备以下功能：

a)电缆隧道三维建模及数据展示：结合地理信息系统(geographic information system ，GIS)构建三维隧道模型，将电缆隧道中电缆本体、环境等各状态量实时显示，并在“GIS地图”页面显示所有隧道监控情况，如图4所示。其中细线代表隧道及防区走向。

表4 报警类型与处理方式对应关系表Tab.4 Corresponding relationship between the alarm types and processing modes

图4 综合子系统GIS地图Fig.4 GIS map of integrated subsystem

b)数据统计及报表生成：系统根据采集到的数据统计各状态量特征值，生成相关报表，并显示各监测量的变化趋势和报警内容，方便管理人员进行数据查询分析。

c)历史数据查询：监控上位机能永久保存数据。系统可使用界面右侧设备树进行设备切换；同时，可根据用户输入的时间段进行历史数据搜索。当电缆发生故障时，系统将自动记录并保存事故前后的设备运行数据，用于故障分析。

4 现场应用

电缆隧道在线监测装置主要由监测主机和各类传感器构成，如图5所示。

将此系统应用于河南某电缆隧道现场，系统运行稳定，测试结果良好，可以实时、精确地采集电缆隧道状态运行数据。可通过此系统提取监测到的时间段数据，并绘制曲线图。

图6为隧道内低洼地方的水位在某一天中的变化。可以看出，由于天气下雨，水位在上午05：00—07：00之间有明显的涨幅。当水位超过安全值时，该装置控制继电器让水泵工作，将水位降低到安全值以下，在水位不再继续上涨时，关闭水泵，保持隧道内水位正常。

图5 电缆隧道在线监测装置图Fig.5 On-line monitoring device of cable tunnel

图6 水位监测数据图Fig.6 Monitoring data of water level

隧道内空气质量在某时间段中的变化如图7所示。可以看出，监测到的空气质量数据处于正常值，无需风机工作。

图7 空气质量监测数据Fig.7 Monitoring data of air quality

图8为隧道内某段电缆多个监测点某时刻的护层接地电流监测值。可以看出，5、6、7这3个监测点电缆护层接地电流明显大于正常值，其余监测点护层接地电流都基本正常。异常数据可能是由于交叉互联电缆系统连接处发生松动或者电缆接头处环氧预制件被击穿等情况所致，应立即安排电缆检修人员进行检修。

图8 护层接地电流监测数据Fig.8 Monitoring data of sheath grounding current

图9为隧道内电缆接头温度在某时间段中的变化。可以看出，监测到的电缆接头温度处于正常值，可以继续运行。

图9 电缆接头温度监测数据Fig.9 Monitoring data of cable joint temperature

通过以上数据分析，可以得出：①隧道内水位在短时间的测量中变化不大，所以该装置对隧道水位的采集周期可设为12 h或者24 h，如果遇到雨季或者恶劣天气可适当缩短采样周期；②隧道内空气质量一般情况下也不会有较大变化，可将采样周期设为10 min左右，若检修人员需进入隧道工作，应在隧道空气质量正常时方可进入；③因需要对电缆的运行以及绝缘状况进行实时监测，可适当缩短采样周期，隧道内护层接地电流和电缆接头温度监测的采样周期可设为30 s；④对电缆隧道环境的综合评估可保障电缆及隧道环境运行正常。

此系统在河南某电缆隧道现场试用后，通过对该系统采集到的数据进行分析，根据表1建立特征数据表，见表5。对特征数据进行状态评估，建立状态综合诊断表，见表6。

从表6可以看出，样本4、5的电缆隧道运行状态不佳，对其进行现场检查发现，样本4电缆接头处环氧预制件被击穿，样本5的电缆接头连接处发生松动及护层回路金属连接部分因腐蚀导致松动，隧道内有积水，与该系统监测出来的结果一致。通过对其他多组监测数据检验，该装置的数据监测准确率较高，能有效增强线路运行、维护的安全性和可靠性。