基于物联网的低压电缆短路自动报警装置的开发

2022-03-26王亮才李志文

电子元器件与信息技术 2022年1期

王亮才，李志文

（国网浙江省电力有限公司青田县供电公司，浙江青田 323900）

0 引言

随着人们对配电系统供电可靠性要求的提高，加快配电系统中的故障处置速度是配电系统运维人员的重要职责。当前配电系统中广泛采用了电缆线路，而电缆线路常常由于电缆附件或者是电缆接头处的绝缘损坏而导致线路跳闸，甚至还会引发火灾事故。同时低压电缆绝缘老化受实际材料性能的影响，并且绝缘老化的速度和电缆的应用环境直接相关，难以避免[1]。为了能够提前感知低压电缆中所存在的缺陷，可以利用物联网技术开发出低压电缆短路自动报警装置，感知电缆线路中是否出现了因绝缘损坏而导致的漏电流，一旦漏电流达到了动作阈值，及时发出告警，从而避免配电系统出现停电事故。

1 低压电缆绝缘故障的检测现状

1.1 低压电缆的运维现状

随着经济的发展，企业及居民的用电量都得到了快速的增长，每年都保持了较高的电量增长速度，低压电力电缆的使用量也得到了大幅的提升。低压电缆虽然在实际中的运行维护工作量较小，但也并不是免维护，还是会发生类似于电缆接头爆炸、电缆线路短路等故障，进而引发突发性停电事故。为了防止低压电力电缆出现故障，电缆的运维人员也会定期对电力电缆开展预防性检修试验。但是采用这种方式需要运维人员去现场，并且预防性检测周期也相对较长。如果低压电力电缆在预防性检测周期时间间隔内出现了缺陷，也做不到及时发现及处理。

1.2 低压电缆的故障检测现状

低压电缆在结构组成上，主要包括了绝缘层、导体以及防护层等几个部分组成。随着低压电缆线路运行时间的变长，会发生多种不同类型的故障，有的故障较为容易查找，但有的却比较难查找。低压电缆线路发生故障的原因类型也较多，主要包括了外力破坏、绝缘系统因老化而损坏等。在传统的低压电缆故障排查中，当配电系统发生故障时，一开始难以判断故障的具体原因是否由低压电缆所引起。当配电抢修人员抵达现场之后，首先勘察现场的设备是否有打火现象，配电线路是否存在过载情况等，综合考虑故障点是否位于低压电缆。如果确定是由低压电缆故障原因引起，则将电缆头两侧解开，并测试低压电缆的绝缘性能，如果电缆的绝缘性能指标不合格，则将该低压电缆更换。这种传统的方法对于检修人员的经验丰富程度要求相对较高，并且所需要的处理时间也较长，这样就使得对低压电缆中的故障处置效率较低[2]。为了提高低压电缆中的故障处置效率，可以采用基于物联网的低压电缆短路自动报警装置。当低压电缆出现故障时，及时发出告警信息，从而提醒运维人员进行故障处置。

2 物联网技术在低压电缆故障检测中的应用

2.1 物联网技术的应用

物联网技术在数据智能感知和数据共享方面存在着较大的应用优势，一般在实际应用中，先通过物联网设备采集现场的状态数据信息，再对这些数据信息进行处理。为了提高数据处理的实时性，降低数据传输对网络带宽的需求，可以采用边缘计算技术，在网络的边缘端就将很多临时数据进行处理，这样就减少了数据在中间的传输过程，使得系统的响应速度更快。同时由于和远程服务之间交换的数据量得到了降低，故可以减轻网络系统带宽的压力，同时也能够降低数据泄露的风险。图1为物联网技术的应用架构。

图1 物联网技术的应用架构

从图1中可知，首先利用转换元件将低压电缆中的漏电流、绝缘电阻等物理量转换为边缘计算系统可以处理的数字量。经过边缘计算处理之后的数据，再经过通信接口发送到网络传输系统中，实现数据的采集及边缘端的初步处理，这些模块构成了物联网智能感知系统，以下详细分析利用物联网技术构建的低压电缆短路自动报警装置的原理。

2.2 低压电缆的绝缘故障检测

低压电缆受实际运行环境和自身磨损等因素影响，会发生多种不同类型的故障。当低压电缆出现了故障时，主要会有以下不同的表现，据此可以判断低压电缆是否出现了绝缘故障问题：一是低阻，当低压电缆发生了相间绝缘损坏时，使得电缆的绝缘电阻出现了较为明显的降低，可以采用低压脉冲发射的检测方法进行绝缘电阻检测[3]；二是泄漏，在检测所采用的试验电压还未达到低压电缆的额定电压时，此时检测到的泄漏电流就已经超过了允许值，说明低压电缆发生了绝缘损坏故障；三是开路故障，虽然绝缘电阻值符合要求，则工作电压容易出现损耗，难以传达到电缆的终端处。利用物联网技术，都可以对这些低压电缆的故障类型进行检测，并将监测结果加以反馈。如当低压电缆绝缘系统被击穿时，会在接地回路中产生暂态行波信号，这类信号的频率极高，可以采用传感器来采集在接地线上的行波电流信号，再通过物联网技术和边缘计算技术进行分析和处理，发出告警信息。

3 低压电缆短路自动报警装置的开发

3.1 低压电缆短路自动报警装置的原理

利用低压电缆短路的检测技术原理，可以开发出低压电缆短路自动报警装置。在低压电缆短路自动报警装置中，包括了低压电缆漏电流、绝缘电阻采集检测模块，并引入物联网中的边缘计算技术和芯片集成技术，构建数据处理功能模块，实现对低压电缆绝缘数据的采集及预处理。当低压电缆出现了短路情况时，能够及时发出低压电缆绝缘状态的就地告警信息，图2为低压电缆短路自动报警装置的原理结构图。

图2 低压电缆短路自动报警装置的原理结构图

从图2的低压电缆短路自动报警装置的原理结构图中可以看出，将自动报警装置的输入端和电缆相连，输出端连接自动报警功能组件4，组件2为自动报警装置中的数据分析及处理功能模块，组件3为自动报警装置的电源模块。当低压电缆发生了单相短路或者是相间短路故障时，能够灵敏地检测出短路电流或者零序电流，从而发出报警信息[4]。为了提高告警信息发送的实时性，在数据分析和处理算法的选择上，应选择计算效率较高的算法，这样就可以降低数据分析及处理所需要花费的时间。同时，通过该装置还可以检测低压电缆中的漏电流及绝缘电阻等数据，当检测到电缆的绝缘性能水平较低时，也可以发生告警信息。

其中在数据处理模块中，应利用物联网技术和边缘计算技术可靠地对这些采集到的数据进行分析。利用边缘计算技术可以在数据的源头侧提供服务，这样就可以明显减少数据在网络系统上的传输。其优势一方面为计算服务响应速度更快，可以应用在对实时性能要求较高的场合；另一方面，由于在通信传输通道上的数据量较小，故对于数据信息安全的保护程度得到提高。但是边缘技术在应用的过程中，由于需要自行处理众多的数据，故需要配备相应的存储硬件设备，属于一种分散式的计算方式。在数据处理芯片的选择上，应选择集成度高，能和现代数字信号处理技术相兼容的芯片，保证对低压电缆运行数据处理的效率。

3.2 低压电缆短路自动报警装置的应用

采用本文所分析的低压电缆短路自动报警装置，当低压电缆中出现了接地故障或者是短路故障时，能够通过装置中的辅助判断功能模块，确定低压电缆中出现漏电或者是绝缘性能降低的故障点，并自动发生报警信息，以便低压电缆的维护人员能够快速对故障进行排查，恢复低压电缆的正常运行[5]。同时采用该短路自动报警装置，可以降低故障处置的物资成本，并降低低压电缆运维人员的工作强度、提高现场作业的安全水平。此外为了降低低压电缆出现故障的概率，在低压配电系统的设计时，对于电缆型号的选择应留有一定的裕度，尽管会在建设成本上有所提高，但能够延长低压电缆的实际使用寿命，总体而言依然具有较高的经济价值。其次在电缆的敷设方式上，对于多雨的地区，不适合采用直埋的方式，同时应加强对低压电缆的质量把关。通过采取上述一系列措施，将有利于低压电缆在运行过程中的稳定性。将该低压电缆短路自动报警装置应用在某供电公司中，也能够及时准确发出低压电缆的故障点告警信息，取得了很好的应用效果。