电缆线路全寿命周期计算模型设计及在线监测

周英明，庞 丹，赵昌鹏，杜 群

（国网长春供电公司，吉林长春 130021）

0 引言

全寿命周期管理（LCM）是指涵盖了某个产品或项目的设计、选材、建设、运营，直到报废等各个流程的一种综合管理手段，以保障运行稳定、延长使用寿命、降低维护成本为目的，是现代管理理论体系的重要组成部分。构建电缆线路的全寿命周期计算模型，至少要包括可研性论证、设计与制造、采购与安装、运行与维护以及报废回收这5 个模块。在电缆线路投入运行期间，为保证其电力供应的稳定、可靠，满足电力设备运行需要和电力客户用电需求，必须要引入在线监测装置，实现24 h不间断的监测，确保故障隐患第一时间告警、处理，确保整个线路系统安全运行。

1 电缆线路全寿命周期计算模型设计

1.1 电缆选型设计

选择电缆时，在满足使用需求的前提下必须综合考虑成本、质量等影响因素。例如，电缆的线芯要尽量选择机械强度高、热稳定性好的材料，如铜；电缆的保护套则要优先考虑阻燃性能好、机械性能优、耐腐蚀能力强的材料，如聚乙烯树脂材料等；材料的可回收性、节能环保性等也是绿色发展背景下需要着重考虑的选型因素。电缆选型会直接对全寿命周期成本管理产生影响，其中电缆的横截面面积是最主要的影响因素。因此，电缆选型作为全寿命周期管理中的首要环节，应当引起设计人员的重视，并从实用性、经济性、稳定性、环保性等方面，选出最佳的电缆型号。

1.2 接地装置设计

在电力系统中，与电缆线路相连的接地装置主要包括2 种型式，其一是比较常规的接地箱。在同轴电缆外层导体的接线端子上，采用接地压板与接地铜排连接的方式，达到接地保护效果。在设计接地箱时，必须保证外侧箱体密封，防水防尘；同时还要具备较强的可扩展性，后期根据电缆线路的扩张需要，根据实际需要灵活扩展，降低改造成本；尽量控制接地箱的尺寸，可减少空间、降低费用。其二是适用于特殊情况的铜覆钢材料接地保护，铜包覆钢的耐腐蚀、机械强度和电阻率等性能指标均得到了优化，接地保护效果更加稳定，可实施性强、可维护性好，设计使用寿命通常达到35 年以上。

1.3 电缆沟、工井设计

（1）电缆通道耐久性设计。在设计电缆通道时，一般选择用钢混基础作为承载构件。因此，要想提高电缆通道的使用寿命，应当重点关注钢筋混凝土的耐久性设计。结合电缆通道的敷设环境，在设计时除了考虑钢筋材料、混凝土的材料选型外，也要注意自然环境对材料带来的影响。例如，我国北方地区冬季会形成冻土层，设计电缆通道时应考虑其低温耐冻性能；冻土的周期性冻融特性，要求电缆通道必须具备较强的刚度才能保证承载力。在酸性地质条件下，还要考虑电缆通道的耐腐蚀能力，对钢筋混凝土结构应做好防腐设计。

（2）混凝土结构耐久性设计。在制备混凝土时，使用到的原材料除了水泥、粉煤灰外，为了改善混凝土的和易性、粘结性和密实度，还会加入氢氧化钙、铁铝酸钙等材料。这些基础材料按照设计好的配合比搅拌之后，所得的混凝土材料pH 值通常在12 以上，为强碱性。这种情况下，像钢筋框架上浇筑混凝土，强碱环境会在钢材表面形成一层致密的钝化膜，保护钢筋框架免受腐蚀，从而达到了提高钢混结构耐久性的目的。

2 在线监测技术的应用

2.1 接地环流监测技术

利用温度传感器、振动传感器等装置，实现对电缆运行状态的实时监控。一旦发现电缆金属保护层的环流发生异常，如超出阈值等，会自动出发警报，提醒技术人员采取检修、控制措施。在精密监测仪器和光纤通信技术的支持下，现阶段接地环流检测系统具有灵敏度高、稳定性好、调试方便等诸多应用优势。整个系统大体包含了电源模块、数据采集模块、无线传输模块和分析计算模块等。其中，为了保证电力持续供给，保证监测的连续性，接地环流监测系统引入在线自取能技术（图1）。有了自取能装置后，利用线圈从高压线缆获取感应能量，然后将其转化为电能，为蓄电池供电；在充满电后继续为整个监测系统供电，当电力中断后蓄电池维持续航，从而实现在线实时监测。

图1 在线自取能装置工作原理

2.2 反外力破坏监控技术

在电缆线路覆盖规模扩大的同时，线路遭到破坏的情况也更加常见，除了不法分子故意破坏外，工程施工中挖断线缆的情况也屡见不鲜。为了保护电缆线路，反外力破坏监控系统得到了推广应用（图2）。

图2 反外力破坏监控系统的组成

系统是由安装在线杆或高架塔上的光伏电池板提供电力。在电力充足的情况下，首先将蓄电池充满电，然后继续向整个系统供电。阴雨天太阳能供电不足时，蓄电池持续放电以保证该系统正常运行。利用动态报警系统，能够对输电线路周围一定范围内的大型移动物体进行动态侦测，并设定最小报警距离，如1 m。当监测到某大型物体与输电线路之间的距离不足1 m 时，触发告警信号，由终端PLC 控制报警器发出警示音，提醒作业人员及时中止作业，防止误碰、破坏电缆线路。

2.3 监测电缆表层温度技术

电流热效应会导致输电线路温度升高，但是在额定电流强度之内，不会对电缆线路造成损害。如果出现过电流的情况，电缆升温现象十分明显，进而对电缆以及其他电力设备造成损害。基于这一特性，设计了电缆表层温度监测装置，根据温度变化情况，反推电缆线路运行状况。在该监测装置中，核心功能装置主要有3 部分：①前端数据采集装置，主要是分布在电力线缆各处的温度监测分机，能够实时采集温度信号；②中间的信号传输装置，主要由若干台中继通信设备组成，将温度监测分机收集到的信号传输到终端设备；③温度监测中心，主要由1 台终端计算机组成，负责将温度信号转化为数字信号，并根据系统预设值，判断实测温度是否超出了预设值。如果温度监测装置判断为“是”，则发出预警信号，并回溯提供该温度信号的温度监测分机，确定位置后，为技术人员判断故障位置、开展抢修作业提供参考（图3）。

图3 温度监测装置系统组成

2.4 图像监控技术

在线远程监测能够让管理人员随时掌握各地电力线路的运行状况和外部环境，而图像监控技术是支持远程监测功能实现的关键。图像监测系统提供了高清图像抓拍、视频在线记录、镜头焦距控制等功能。从系统组成上来看，主要包括录像管理模块、设备管理模块、报警控制模块等。

3 结论

将全寿命周期管理理念运用到电缆线路的设计与管理中，从线缆选型、接地装置设计、电缆通道设计等方面，构建理想的模型，从而为电缆线路的敷设和运行提供指导。在电缆线路投入运行以后，利用在线监测装置实现工况实时监测，一旦发现安全隐患立即报警、处理，从而保障电缆线路运行的可靠与稳定，维护电力公司的效益。