基于物联网的电力电缆状态检修技术

曾少杰

（广西智能交通科技有限公司，广西 南宁 530000）

物联网能够监测电力设备或电缆的运行环境、工作状态，并将监测到的各类信息反馈给计算机，根据分析结果采取相应的调控措施，从而保证了电力系统运行的安全可靠、经济合理。现阶段，物联网技术已经在发电机、变压器、输电线路，以及各种二次设备的状态监测中得到了推广使用。其中，电力电缆作为电力系统中连接各类电气设备的重要工具，保证其工况良好对维护整个电力系统的稳定运行有重要影响。基于此，设计一种适用于电力电缆状态监测的物联网监测系统，成为新时期电力运维与管理工作的一项重要任务。

1 基于物联网的电力电缆状态检修设计

1.1 电缆状态检修系统感知层的设计

电力电缆的许多故障都会以温度的形式表现出来，例如电缆接头生锈或发生绝缘击穿后，电缆故障位置处会有明显的升温现象。基于此，可以将电缆接头温度作为采样指标，在电缆接头处安装温度传感器，实时采集电缆的温度，然后将采集到的温度数据通过通信系统反馈给控制站，并由控制站计算机进行分析。这里以电缆的中间接头为例，温度传感器的布置方式见图1。

温度传感器采用嵌入式设计，置于电缆中间接头内部。在传感器外侧安装有一个密封的铜壳，可以避免温度传感器因为受潮而出现锈蚀、污损，从而延长传感器的使用寿命。为了减轻终端的数据处理工作量，可以设定传感器的数据采集周期，例如每30 min或每60 min 采集一次电缆监测点的温度数据。需要采集数据时，该测温节点的传感器被唤醒，完成温度采集后则进入休眠状态，等到下一周期再次被唤醒，这样就能降低能耗[1]。如果系统出现告警情况，则每5 min 或每10 min 采集一次温度数据。

同时，为了提高测温模块的抗干扰能力，可选择集成设备。温度采集集成模块由温度传感器、数据处理器、射频芯片、电源组成（见图2）。其中，温度传感器使用DS18B20 型传感器，无需A/D 转换，可直接输出数字信号。另外，该传感器内置32 位激光ROM、读写速度快；采用L-wire 技术，通信速率高；测温范围在-50～100 ℃，测量精度达到±0.1 ℃，可满足绝大多数情况下电缆温度监测需要[2]。

1.2 电缆状态检修系统网络层的设计

网络层的功能是连接传感器与主控站，将测温节点处射频芯片发射的无线信号传输到计算机上，以便于计算机对温度数据展开对比、分析。在网络层设计中，分为有线通信和无线通信两种模式。其中，网络层与主控站上位机之间为有线通信，使用RS485 通信总线连接主控站计算机的接口，可以将计算机的调控指令发送到前端的传感器。在测温终端还有一个集成的LED 显示器，可以直观地显示实时温度。在网络层与前端传感器之间，则采用射频芯片进行无线通信，将传感器的温度数据反馈至计算机。网络层的结构组成见图3。

在同一电力系统中，可能会设置多个测温站，这些测温站与测温终端之间采用星型网络拓扑结构，完成异步串行通信。其中，测温终端始终保持指令接收状态，以便于随时接收主控站上位机发送的指令，并执行相应的操作。

1.3 电缆状态检修系统应用层的设计

系统应用层的主要功能是对前端反馈的温度数据进行统计、对比、分析。应用层主要包括两大模块，即数据中心功能模块、移动终端功能模块，各模块的功能组成见图4。

应用层除了支持上述功能外，还可将前端反馈的温度数据按照采集时间进行分类存储。如果有异常数据，系统会自动筛选出来并保存到专门的文件夹中，方便工作人员集中处理[3]。另外，系统还能将温度数据自动转化成温度曲线，一目了然地显示温度变化趋势。

2 基于物联网技术的电线电缆状态检修实例

2.1 故障概况

某110 V 变电站共有2 条线路。2021 年9 月11日，其中一条电缆因为开关引线接头温度异常升高而临时停电检修，变电站进入非正常运行状态，另一条电缆承担了全站负荷，此时负荷电流达到了266 A（正常情况下为140～180 A）。该线路持续运行40 min后，9 号接头的C 相出现故障。经调查，该线路的电缆型号为YJLW03，线路总长度为11.5 km，导线截面积775 mm3，线路内共有36 个电缆接头。

2.2 原因分析

故障发生后，变电站立即组织技术人员进行了现场调查。经检查，未发现外力破坏痕迹，故排出外力因素引起故障。事故发生时，该变电站临时切换线路导致线路的负荷电流突然增加，但是经测量发现，负荷电流并未超过最大负载，由此排出了电缆负荷电流太高引起的故障。

排除上述几种可能导致电缆故障的常见因素后，技术人员对电缆的接地系统进行了检查，发现存在以下问题：（1） 该条线路共包括15 段电缆，按照相关设计要求需要设置5 个交叉互联段，这样才能有效抑制线缆金属保护层的感应电压。而现场检查结果显示，该线路仅有3 个交叉互联段，达不到设计要求。（2） 接线方法上，要求绝缘接头的同轴电缆内线芯与同一侧金属保护套连接，外线芯与对侧金属保护套连接。现场检查结果显示只有部分接线正确。综上，金属保护层接地系统存在缺陷，导致电缆接头处电压过高、环流增加，是引起本次故障的主要原因。

2.3 基于物联网的状态检修

在常规检修模式下，电缆每年检修1 次。由于检修频率较低，很难保证在电缆发生故障以后第一时间发现问题所在，错过了最佳的维修时机，进而引起更为严重的事故。另外，在检修方法上，主要是由维修人员手持红外检测仪等设备逐项检查。而由于变电站电缆的接头较多、线路复杂，使得检测效率不高，一些隐蔽的故障也难以发现。基于此，本次变电站电缆故障检修中引入了基于互联网技术的电缆状态检修技术，具体如下：

将温度传感器安装到电缆的接头处，然后在无线测温装置上设定数据采集频率，每60 min 接收1 次温度数据。根据线缆运行工况，设定温度上限为50℃，如果监测到的实际温度超过50 ℃，则监测装置自动告警，提醒工作人员及时处理。告警后，测温装置自动将数据采集频率调整为10 min/次，密切监测电缆接头温度的实时变化。在测温装置的人机交互界面，工作人员可以直观地观察到每个被监测接头的当前温度信息和历史温度信息，通过数据对比即可找出温度异常的电缆接头，从而实现对故障点的超前处理，避免严重事故的发生[4]。2 个监测点的温度变化数据见图5。

受到电流热效应的影响，距离故障点越近的位置，其温度越高，升温速度越快；相应的，距离电源侧越远的位置，其温度变化幅度越小。结合图5 可以发现，监测点M 的温升要高于N点，这表明M 点距离故障点更近一些。按照此方法，在电缆上多布置几个监测点，就可以通过各个监测点的温升情况，逐渐逼近故障点，从而缩小了故障排查范围，方便工作人员以最短时间锁定故障，为电缆故障的维修处理提供了技术支持[5]。

在基于物联网的电缆故障排查中，还可以对各个监测点反馈的数据进行横向比较，也可判断电缆故障位置。本次监测中获取该电缆A、B、C 三相的运行温度，结果见图6。

结合图6，该线路上同一位置的A、B、C 三相温度，C 相温度在多数时间里明显高于A 相和B 相温度。说明C 相电缆出现异常。在配合上文的电缆温度监测结果，即可精准锁定故障位置。

2.4 电线电缆状态检修技术的对比

对比来看，基于物联网技术的电缆状态检修，相比于传统的人工检修具有如下优势：

（1） 安全优势。变电站电气设备种类多样、电线电缆连接复杂。传统以人工为主的检修，很有可能因为电缆绝缘失效等故障而增加安全隐患。相比之下，基于物联网技术的电缆状态检修，可利用传感器采集温度参数、振动参数、电流参数，整个监测过程不需要人工参与，因此更加安全。

（2） 成本优势。基于物联网技术的电缆状态检修，用电气设备代替人工，可以做到无人巡检，显著降低了人工成本。

（3） 效率优势。基于物联网技术的电缆状态检修，可以24 h 不间断的采集电缆运行数据，并基于人工智能分析快速、准确判断电缆故障，实现隐蔽故障的超前报警、及时处理，检修效率更高。

3 结论

相比于传统以人工为主的检修模式，本研究提出的一种基于物联网技术的电缆状态检修方案，可以利用温度传感器实时采集电缆各处的温度变化情况，然后将采集数据进行汇总分析。如果某个监测点的温度出现异常升高情况，则系统立即报警，提醒工作人员及时发现和处理问题。根据监测点与故障点距离越近、温度越高的特性，可以快速查找到故障位置，进而为工作人员采取针对性的维修处理措施提供了技术支持。