基于内窥镜+传感器的电缆敷设状态监测系统设计

沈圣炜

(国网浙江桐乡市供电有限公司，浙江 桐乡 314599)

电缆管道敷设是一种将电缆敷设于预先建好的地下管道中的安装方式，适用于城市交通比较繁忙、地下走廊比较拥挤、敷设条数比较多的地段，目前已成为电缆敷设的主要方式。在电缆敷设过程中，电缆管道由于地质下沉、敷设质量等原因，管道内会有堵塞、管道错位等异常现象，造成电缆在敷设过程中受损(如护套划伤、绝缘受伤等)，最终导致电缆使用寿命下降[1-3]。

传统电缆管道采用人力牵引塑料通棒或铁牛等工具来疏通和清理管道，但这只能说明管道畅通，不能说明管道内缺陷存在的情况，整个管道内缺陷状态仍处于盲区状态。因此，寻求一种电缆敷设状态监测已成为电缆安全敷设所急需解决的问题。

传统电缆在敷设过程中对电缆管道状态无法进行监测，为此本文提出一种基于内窥镜+传感器的电缆敷设状态监测系统，可避免牵引力过大或管道内缺陷造成电缆受伤，从而提高电缆敷设质量。

1 电缆敷设状态监测系统框架

在满足电缆敷设要求的基础上，本文对电缆敷设状态监测系统进行设计，整个系统的框架如图1所示。

图1 电缆敷设状态监测系统框架

电缆敷设状态监测系统由视频监测模块、拉力监测模块、复合钢缆和监测终端等组成。整个系统在作业过程中，首先利用视频监测模块对管道内状态进行拍摄，通过辐射钢缆上传到监测终端，作业人员通过观测管道内状态实现对缺陷的监测和定位，然后利用拉力传感器对电缆敷设过程中牵引力的监测，实时掌握牵引力的变化，避免牵引力过大导致电缆受损。

2 视频监测模块设计

视频监测模块设计时，采用内窥镜+发光二极管(LED)补光相结合的技术实现对电缆管道内部缺陷的监测。

电缆管道缺陷监测装置结构及实物图如图2所示，由摄像头、LED补光灯、里程计、行走轮、主控芯片和结构组件等组成，首先利用LED补光技术实现对管道内部照明，利用内窥镜模块对电缆管道内部缺陷的观测。

图2 电缆管道缺陷检测装置结构及实物图

在观测管道内部缺陷的过程中，为了实现对管道缺陷的精确定位，提高作业人员对缺陷修复的作业效率，利用磁开关脉冲计数的方式实现对路程和速度的测量，系统的结构如图3所示。由图3可知，整个系统由磁开关和带磁粒的轮毂组成，系统在管道内移动的过程中，轮毂在旋转，当磁粒接近磁开关时，给一个磁信号，触发磁开关，形成一个脉冲信号，通过对脉冲信号的计数和间隔时间的测量，实现对系统路径长度和速度的测量。计算公式如下：

(1)

式中s——路程；l——两个磁粒之间的弧长；n——计数值；v——平均速度；Δt——脉冲的时间间隔。

图3 里程计的结构示意图

基于里程计的设计，结合系统的测量模块和管道的尺寸，整个系统采用轮毂式结构，如图 4所示。

为了使系统适用于各种管道尺寸，在轮毂设计中增加了弹簧，通过弹簧的长度调节轮毂尺寸，使其适用于各种管道。

图4 轮毂式结构示意图

3 拉力测试模块设计

拉力传感器根据力作用下变化量的不同分为电阻应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。为了实现对电缆敷设过程中牵引力的测量，设计了基于压阻式压力传感器的牵引力监测模块。通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密地粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的电阻发生改变，导致加在电阻上的电压发生变化，从而实现对压力的测量[4-5]。

金属导体的电阻值可用下式表示：

(2)

式中ρ——金属导体的电阻率，(Ω·cm2·m-1)；S——导体的截面积，cm2；L——导体的长度，m。

当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化。如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增加。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。

利用分压器原理对应变片的电阻进行测量，结合电阻和拉力的关系实现对电缆敷设过程中牵引力的测量，电缆敷设系统的整体结构示意图如图5所示。

图5 牵引力监测结构及实物图

4 复合缆的设计

根据需要上传的拉力数据和图像，同时为满足电缆敷设过程中牵引强度，采用高强度钢丝复合缆，实现对系统牵引过程红供电及数据上传。凯夫拉复合电缆的结构示意图如图6所示。

图6 凯夫拉复合电缆的结构示意图

为了防止供电线缆和光纤在施工过程中受损，将光纤和线缆放置在中间，外围采用高强度钢丝承受电缆敷设牵引力。

5 模拟试验

为了了解所设计的电缆敷设状态监测系统的监测效果，根据电缆敷设状态监测系统的设计对整个系统进行了制作和试验。

电缆敷设状态监测模拟试验的测试示意图如图7所示。在图7中，01为电缆绞盘；02为电缆导向桶(或导向滑轮组)；03为电缆；04为电缆输送机；05为管口扩口器(或导向滑轮组)；06为拉力及视频监测单元；07为导向滑轮组；08为复合钢丝缆；09为绞磨；10为里程计(或导向滑轮)；11为钢丝缆绞盘；12为地面控制单元。

图7 电缆敷设状态监测模拟试验示意图

首先利用视频监测系统对电缆管道内缺陷进行监测，如图8所示。从图8中可以看出，视频系统可实现对管道缺陷清晰观测，并通过里程计实现对缺陷初步位置的定位。利用视频监测系统对电缆管道内状态的监测，使作业人员可以清晰地了解到管道内状态及缺陷的位置，对缺陷进行及时地处理，避免电缆管道缺陷对敷设过程中电缆造成损伤。

图8 电缆管道缺陷图

当电缆管道内部状态良好时，此时开始敷设电缆，将牵引力监测终端代替原有的防捻器，实现对电缆敷设过程中牵引力的监测，如图9所示。同时释放复合钢缆在牵引电缆过程中的扭力，当发现电缆敷设过程中牵引力大于电缆所能承受力时，系统发出报警信息，停止电缆敷设，避免电缆敷设过程中受伤。

图9 敷设拉力曲线图

6 结语

通过对电缆敷设状态监测系统的设计、制作和试验，由测试结果可以得出如下结论。

(1)基于内窥镜+LED补光技术制成的管道内缺陷监测装置可清晰地观测到电缆管道内的缺陷，可实现对电缆管道缺陷的监测。

(2)基于磁脉冲制成的历程测量模块可实现对管道内缺陷装置行驶历程的测量，测量精度达0.3 m，可实现对缺陷的精确定位，提高了作业人员修复管道缺陷的工作效率。

(3)基于拉力传感器制成的牵引力监测系统可实现对电缆敷设过程中牵引力的监测，满足牵引力监测要求。

由此可见，本文设计的电缆敷设状态监测系统可实现对电缆管道内缺陷的监测和定位、电缆敷设过程中牵引力的监测，使作业人员能及时掌握电缆敷设的状态，避免了管道缺陷和过大牵引力造成敷设过程中电缆受伤，并提高了电缆敷设质量。