電動型10kV電力電纜頭發熱分析與安全監測

徐龍彬 李漢巧 冼偉鏡 彭亮良 吳崇榮

摘要：電動型10kV電力電纜頭發熱燒壞事故經常發生，針對這一情況，對電動型10kV電力電纜頭發熱分析與安全監研究。文章首先利用有限元分析法建立了電動型10kV電力電纜頭溫度場仿真模型;其次，采用最小二乘法對溫度場仿真數據進行處理，得出溫度閾值整定公式;最后，對電動型10kV電力電纜頭進行安全監測，研發了在線監測裝置，為電纜頭檢修提供決策依據，實現了對電力電纜頭運行的實時監測。

關鍵詞：電動型10kV;電力電纜頭;穩態溫度場;安全監測

0引言

隨著我國經濟與科技的快速發展，電動型10kV電力電纜頭在鐵路建設中越來越重要。但因外在因素的影響（鐵路運行環境復雜、電容電流遠大于架空線路、牽引地回流過大等）電動型10kV電力電纜頭燒壞事故發生頻率很高[1]，對鐵路行車安全造成嚴重影響，因此，對電動型10kV電力電纜頭發熱分析與安全監測是非常有必要的。

1電動型10kV電力電纜頭溫度場仿真分析

1.1電動型10kV電力電纜頭溫度場仿真模型的建立

如圖1所示搭建電動型10kv三芯電力電纜頭溫度場仿真模型圖是利用ANSYS工作臺建立的。假設該模型建立過程如下：①電纜各層及周圍環境為均勻介質、各向同性，且數值均為常數;②計算條件均為穩態;③電纜各層理想接觸;④環境溫度發生變化時，不考慮材料導熱系數的改變。

1.2電動型10kV電力電力電纜頭在牽引地回流作用下的發熱分析

假設建立坐標系的坐標原點為電力機車泄流點，y軸為鋼軸，其水平垂直方向為x軸。與鋼軌平行鋪設的電纜金屬護層上的某一點為M（x，y），I為牽引電流， 電纜雙端接地時，流經電纜金屬護層的電流為：

公式（1）中，C表示電纜護層的自阻抗;U表示電纜金屬護層兩端的電壓差;E表示護層兩端的接地電阻。在不同土壤電阻率下，取I為1000安培，C為0.05焦耳，E為4，可以得出距離鋼軌位置不同時電纜護層中的電流[2]。

2溫度監測閾值設定與電纜負荷調整

2.1牽引地回流對電纜負荷調整與溫度監測閾值的影響

根據電動型10kV電力電纜頭在牽引地回流作用下的發熱分析，對溫度場仿真數據進行處理，在最高溫度下對電纜運行進行最小二乘擬合，可以得出牽引地回流作用下的電纜外護套溫度監測的閾值，電纜線芯電流和電纜外護套溫度隨著環境溫度的變化而變化（IX、GW、GE）。

為電纜安全運行狀況提供判定的理論依據是環境溫度、電纜線芯電流和電纜外護套溫度的相互計算，利用牽引地回流作用，去進行計算[3]。

2.2溫度監測閾值設定與電纜負荷調整

電力電纜隨著社會的發展，建設新的電力電纜線路的難度不斷增加，施工空間有限，想要長期安全可靠的運行需要保持合理的利用率。電力電纜長期運行需要其絕緣性可靠，這就要求對溫度有限制，工作溫度超過規定值8度時，電力電纜的壽命將會縮短。在最高溫度下的溫度場進行數據處理，利用最小二乘擬合進行數據運算，如公式（1）所示。

3電動型10kV電力電纜頭安全監測

結合電動型10kv電力電纜的具體運行情況，并監測電纜外護套溫度、電纜接地線電流、電纜護層感應電壓和主絕緣介質損耗正切值。衡量電力電纜是否正常運行的一個非電氣量標志是溫度，相關閾值整定隨溫度的變化而變化。纜工程規范中規定在電壓不超過50v/的情況下，鐵路三芯電纜金屬護層一般由三種不平衡電流構成[4]，即牽引地回流、充放電時的電容電流和電纜主絕緣的泄露電流。牽引地回流隨牽引負荷周期性和波動性變化，電容電流在電纜接地線電流監測時可以忽略，因此電纜主絕緣的泄露電流為接地線中的電流。如圖1所示為等效電路及向量關系圖，其中聯電路的功率因素角為，為介質損耗角為的余角。

根據上圖可以得出，介質損耗角正切值的計算公式為：

公式（3）采用離散傅里葉變換，為介質損耗正切值的理論計算公式，運用Fourier decomposition對電纜主絕緣兩側的電壓和流經電纜接地線的電流進行分解，如公式（4）、（5）為其表達式。

由公式（4）、（5）得出介損角的測量值為：

3.1監測裝置軟件設計

將基爾5作為軟件開發裝置的核心控制平臺，4G通信模塊將在系統上電后，與后臺服務器相連接，之后對處理器的相關寄存器進行配置。電纜頭運行狀態被判斷函數判定后，將打包傳輸電纜頭狀態信息和電纜頭狀態判定結果到嚴懲服務器[5]。電動型10kV電力電纜頭的實現主要靠主程序的運行，電纜頭安全監測量的數據采集與顯示將在程序初始化完成后開始，通過鍵盤輸入對監測閾值進行接收方電話更改和整定更改，在判定完電纜頭安全信息后，電纜頭安全監測的狀態信息與位置信息將通過4G模塊傳遞出，當運行異常時，將會立即發送執行命令。

3.2監測裝置硬件設計

電動型10kV電力電纜頭安全監測裝置的硬件結構如圖2所示。

選用32位的高性能臂皮質-M3內核的控制芯片，負責數據處理與數據通信的處理器選用低功耗STM32F103ZET6型，其擴展存儲容量為521K閃光燈和64x隨機存儲器，能夠存儲大容量數據和程序，可以運行大代碼。

選采用測量精度高和性能穩定的PT100 platinum thermistor作為電纜外護套溫度的溫感元件，通過溫度變送與測溫點接觸緊密的電纜外護套，在將數據傳至STM32 single chip microcomputer的模數轉換器引腳[6]。濕度采集模塊采用AM2001，采用高性能的交流電壓變送器來感應電纜護層，直流電壓輸出將從0-1000伏的電壓轉化成0-5伏。

4結論

通過分析電動型10kV電力電纜頭溫度場仿真情況，得出了相應的發熱規律和數學關系。因為溫度影響電動型10kV電力電纜的運行，為了給電力電纜頭提供監測的依據，對對理想情況下和考慮牽引地回流的電纜發熱進行了數學分析，得出溫度監測閾值整定公式。為及時處理異常狀況和實現“狀態檢修”提供決策依據。

參考文獻：

[1] 霍東亮.鐵路電力電纜貫通線故障的應用研究探析[J].南方農機，2019，50（23）：109.

[2] 劉家軍，杜智亮，李娟絨，段瑋.鐵路10kV電力電纜頭發熱分析與安全監測[J].電力系統保護與控制，2019，47（24）：131-138.

[3] 梁偉.電力電纜爆炸原因分析及解決方法研究[J].江西電力，2017，41（02）：45-48.

[4] 姚文吉，楊幫華，何金海，謝彬，陳海鵬.110kV電力電纜交叉互聯缺陷引起電纜頭燒毀分析[J].電工文摘，2017（04）：74-76.

[5] 于峰，尹丹，姚江華，劉晶.并聯單芯中壓電力電纜相間短路故障案例解析[J].建筑電氣，2019，38（08）：111-115.

[6] 高振華.基于Zigbee的電纜頭溫度檢測系統的開發[J].科技創新與應用，2016（13）：74.