铁道27.5kV电缆接头芯温监测系统方案研究
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电缆作为铁道牵引供电系统的能量传输载体，其可靠性影响着供电系统的安全运行。四川艾德瑞电气有限公司、中铁二院工程集团有限责任公司的研究人员贺毅、代文平、肖琨，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文，在总结与现有电缆故障监测技术的基础上，基于一体化和物联网设计思想，提出了铁道27.5kV电缆接头芯温监测系统，详细阐述了系统方案。该方案扩展灵活，具有良好的互操作性，可有效预防并减少突发性的电缆事故，为电缆的安全可靠运行提供理论基础和技术保障。
随着高速铁路向中西部地区不断发展，在山区和丘陵地段修建的高速铁路越来越多。牵引供电系统供电线在穿越隧道时以及高铁牵引变电所内，大量采用27.5kV电缆作为能量传输载体为机车供电。因此，电缆的可靠性影响着供电系统的安全运行。统计表明，由于制造、施工等环节不当，监测技术缺失等原因，造成我国电缆故障率约是发达国家的10倍。
国内业内针对电缆在线监测进行了一系列的研究，研究的方向主要集中在基于局放、绝缘电阻和温度等非直接接触式监测。研究表明，电缆接头是电缆运行中最薄弱、最容易故障的环节，其绝缘材料、应力控制、压接质量及密封散热等工艺制造原因，加上缺少有效的检测手段，造成了电缆的高故障率。
目前，有关电气化铁道电缆监测系统的研究鲜有报道。在实际的电气化铁路运行中，电缆发生故障前，均出现发热现象，这会加速电缆的绝缘老化，甚至引起爆炸。
鉴于此，本文在总结现有电缆监测技术的基础上，基于一体化和物联网设计思想，提出一种铁道27.5kV电缆接头芯温监测系统，并详细阐述了系统方案。该方案扩展灵活，具有良好的互操作性，可有效预防并减少突发性的电缆事故，为电缆的安全可靠运行提供理论基础和技术保障。
1 电缆故障检测技术
目前，电缆检测的手段主要有局放检测、接触电阻检测和温度检测。其中，局放检测方法包括脉冲电流法、射频检测法、红外热成像法、超声波检测法和特高频检测法，这些检测方法存在现场安装和需要供电、性价比不高等问题；而接触电阻检测方法存在施工安装和准确性难保证等问题。因此，局放检测和接触电阻检测无法在工程中大量推广应用。现阶段，电缆温度检测是目前有效预防并减少突发性的电缆事故最实用的检测方法。
业界针对电缆接头在线测温问题，提出了多种解决方案，主要有如下几种。
1）光纤测温系统
光纤测温由测温光纤和光分析仪组成。沿电缆表面铺设光纤，利用拉曼散射和光时域反射，拉曼散射技术实现温度测量，光时域反射实现温度定位，从而间接判断电缆的温度。
2）电缆温度监测仪
采用温度传感器，通过测量接头外部护层连接处的温度，间接判断内部线芯的温度。
3）红外测温
用红外效应测量温度，测量接头处的红外辐射，从而计算出温度。
上述3种测量方法，均为非接触式测量接头外部表面温度，属于间接测量方法，测量准确度不高，无法准确地反映电缆接头内部的真实温度。
2 系统方案
为提高电缆测温的准确性，必须研究内置温度传感器方式的直接电缆芯温监测技术，并且将感温元件及相关的传输部件集成电缆接头中，不影响电缆接头的连接和电缆的电气性能，下文探讨一种接触式测量电缆接头真实温度的技术方案。
2.1 方案特点
1）无线无源温度传感器直接测温技术
本文采用电缆芯温直接测量方法，将温度传感器直接接触线芯感应电缆温度。由于电气化铁道采用27.5kV高压单芯电缆，为避免使用电缆为温度传感器供电和传送信号，保证供电安全，本文采用无源传感器进行温度的检测及传输。安装于电缆外壳内侧的收发天线产生高频电磁信号，当电磁波到达温度传感器时，温度传感器对传过来的电磁波来说是一个特殊的负载，产生后向调制效应。
该调制效应会导致电磁波产生频率变化，外部的采集器能够检测到该频率变化。内置传感器由特殊材料制成，根据温度变化可线性改变自身的物理特性，通过后向调制，线性地改变电磁波频率。从而，通过频率的变化，计算出相应的温度数据。同时采用内置无线无源温度传感器与电缆接头一体化设计，达到绝缘、密封、应力等可靠性最佳匹配，保证测温性能、绝缘安全、寿命等性能。
2）长距离总线传输技术
由于电缆接头常常处于野外，采集器布置在电缆接头附近，附近无供电电源，需要远端供电。本文采用电信行业标准的HYAT通信电缆，在一条电缆中完成远程供电和数据传输，可以挂接多个设备，功耗低，避免了在设备处另外设置电源所带来的施工、安全等问题，节省了成本。
3）智能化、物联网技术
随着在线监测和信息技术的发展，电气化铁路对“智慧铁路”的需求越来越迫切，加快了智能牵引变电站、万物互联互通理念的进程。本文基于智能变电站和物联网相关技术，采用IEC 61850规约、云服务等实现各接口的标准化和信息的实时共享，加快了设备状态检修的效率；同时也便于系统的扩展及升级，对电气化牵引供电的RAMS提供了数据支撑。
2.2 系统方案设计
系统方案充分考虑系统扩容及升级的能力，以适应业务发展和管理的需要。基于智慧铁路的设计思想，下文基于IEC 61850有线通信及无线传输的物联网技术详细探讨一体化电缆芯温监测的技术方案。
1）基于IEC 61850有线通信方案
系统可分为3层，即数据采集层、数据收集层、数据评估层，系统架构图如图1所示。
（1）数据采集层
数据采集层由采集智能电子设备（intelligent electronic device, IED）、内置温度传感器、无线收发天线组成，如图2所示。内置温度传感器采用无源传感器，紧贴在电缆接头导体上，将电缆温度的非电量信号转化为电量信息，通过无线的传输方式，将温度信息传送给无线天线。
无线收发天线安装在绝缘层和屏蔽壳之间，产生高频电磁信号传送给温度传感器，温度传感器从电磁信号获取能力，导致电磁波的频率变化，无线天线将导致电磁波频率变化的温度信息再传送给就地安装在电缆接头附近的采集IED进行温度调制。
为了安装方便、可靠，收发天线和电缆接头铜壳一体化设计。在铜壳内部，专门做出相应的卡槽，安装时对准该位置，天线就能紧密固定在铜壳相应位置，并且精确对正内置芯温传感器，确保无线信号收发可靠。铜壳上设计有专门出线孔，引出收发天线的电缆，以连接采集器。
图1 系统架构图
图2 内置芯温测量方案
采集器由总线接口电路、低功耗控制器、储能电路、芯温传感器无线收发信号调制解调电路4部分组成，其结构框图如图3所示。
图3 采集器结构框图
其中总线接口设置有浪涌防护电路，保护内部设备不受浪涌高压的损害。采集器总线接口电路完成从电缆传来的调制信号中提取工作电源和数据的调制解调。芯温传感器无线收发信号调制解调电路，完成高频电磁波的调制和解调，配合内置芯温传感器，获取温度信号。低功耗单片机完成温度数据的计算处理。
（2）数据收集层
数据收集层由控制主IED组成。由于接头沿电缆分布，有可能离牵引变电所很远，同时，往往附近没有低压电源，如何给设备供电并传输数据成为问题。针对此问题，本方案中的控制主IED采用HT-LPLD（hyper transport low power low drive）总线技术，集成了直流48V隔离电源，如图4所示。
控制主IED可接入6根供电和数据传输的总线，建议总线采用HYAT通信电缆，每条总线可挂接30个采集IED。控制主IED控制总线信号的调制、传输和采集器的温度数据信号收集，并通过IEC 61850-MMS规约向牵引变电所/AT所/分区所的数据监测服务器传输温度信号。
图4 HT-LPLD总线示意图
控制主IED集成了电源模块和6路总线接口电路模块、嵌入式处理器及相应的数据存储器，其结构框图如图5所示。
电源模块为处理器、存储器、总线接口、以太网接口等提供电源。嵌入式处理器及相应数据存储器用于完成温度采集控制和数据信息处理。为保证电气隔离，防止高电压、浪涌造成损害，采用光纤通过IEC 61850接口与数据评估层进行数据交互。
（3）数据评估层
数据评估层由牵引所/分区所/AT所所内的数据监测服务器、通信装置、供电段维护系统组成。完成所内及至接触网所有电缆接头的温度信息汇总及评估，为运营检修人员提供检修依据。
图5 控制主IED结构框图
所内数据监测服务器集成了电缆温度监测评估软件，通过IEC 61850-MMS规约与控制主IED通信，获取电缆接头的实时温度信息，并通过监测评估软件评估电缆的实时状态，在数据监测服务器上展示评估结果，同时评估信息可通过监测服务器与所内的综合自动化系统通信，为值班员和检测人员提供检修指导依据。
运营检修人员任务重，无法第一时间通过电脑了解到电缆实时状态，从而错过了检修的最佳时期。随着云服务技术的发展，本方案在所内数据监测服务器上安装了云服务功能，可将电缆的实时状态信息传送至云端服务器，使检测人员随时随地均可通过手持设备访问云服务器获得电缆的实时状态信息。
2）基于无线传输的物联网方案
随着云服务、物联网技术的发展，运营维护单位对电气化铁道牵引供电提出了更高的要求，下文根据上述方案，基于大数据分析和智慧铁路的设计理念，详细阐述无线传输的物联网技术电缆接头温度监测系统，系统采用数据采集层、云数据层、站端层架构方式，架构如图6所示。
（1）数据采集层
相比较上文基于IEC 61850有线传输方案，无线传输方案采集IED无法采用HT-LPLD总线供电。本方案中采集IED通过就地安装在电缆外层的非闭合感应装置供电，导体测温传感器与电缆导体线芯直接接触，感知和传输电缆导体温度的实时数据信号，原理与基于IEC 61850有线传输方案相同。与测温传感器配套使用的信号天线外置于电缆接头绝缘主体外和铜胆内部，温度信号通过无线传输至就地安装的采集IED后，经过采集器处理后再将温度信号通过移动基站传输至云端服务器。
（2）云数据层
云数据层通过云端服务器接收各采集IED发送的电缆接头温度，将温度信息进行数据储存，并将监测评估软件通过Web应用服务器部署在云端。
图6 基于无线传输的物联网方案架构图
（3）站端层
运营维护人员通过手持终端、供电段维护系统及所内数据监控服务器等终端设备通过浏览器/服务器（B/S）模式访问云端进行电缆接头温度评估信息的查看。
本系统方案采用一体化设计思想，运用物联网、智能变电站技术，充分考虑了系统扩容及升级的能力，以适应业务发展和管理的需要。同时，开发的数据接口便于数据的实时共享，用户可根据设备运行收集的数据进行电缆状态的大数据分析，以进一步完善电缆故障状态诊断模型，提升电气化铁道智能运维水平。
3 结论
电缆接头是电缆运行中最薄弱、最容易故障的环节，实际运行表明27.5kV电缆接头正在成为影响电缆供电安全的主要因素。电缆接头发生事故前，往往出现发热，加速绝缘老化，最后造成接头爆炸。因此对电缆接头进行在线测温是预防和减少电缆接头故障的有效手段，是保证铁路牵引供电系统安全运行的一项重要措施。
本文在总结目前电缆故障监测技术的基础上，基于一体化和物联网设计思想，提出了铁道27.5kV电缆接头芯温监测系统，详细阐述了系统方案，该方案扩展灵活，具有良好的互操作性，可有效预防并减少突发性的电缆事故，为电缆的安全可靠运行提供了理论基础和技术保障。