基于物聯網的低壓電纜短路自動報警裝置的開發

王亮才，李志文

（國網浙江省電力有限公司青田縣供電公司，浙江 青田 323900）

0 引言

隨著人們對配電系統供電可靠性要求的提高，加快配電系統中的故障處置速度是配電系統運維人員的重要職責。當前配電系統中廣泛采用了電纜線路，而電纜線路常常由于電纜附件或者是電纜接頭處的絕緣損壞而導致線路跳閘，甚至還會引發火災事故。同時低壓電纜絕緣老化受實際材料性能的影響，并且絕緣老化的速度和電纜的應用環境直接相關，難以避免[1]。為了能夠提前感知低壓電纜中所存在的缺陷，可以利用物聯網技術開發出低壓電纜短路自動報警裝置，感知電纜線路中是否出現了因絕緣損壞而導致的漏電流，一旦漏電流達到了動作閾值，及時發出告警，從而避免配電系統出現停電事故。

1 低壓電纜絕緣故障的檢測現狀

1.1 低壓電纜的運維現狀

隨著經濟的發展，企業及居民的用電量都得到了快速的增長，每年都保持了較高的電量增長速度，低壓電力電纜的使用量也得到了大幅的提升。低壓電纜雖然在實際中的運行維護工作量較小，但也并不是免維護，還是會發生類似于電纜接頭爆炸、電纜線路短路等故障，進而引發突發性停電事故。為了防止低壓電力電纜出現故障，電纜的運維人員也會定期對電力電纜開展預防性檢修試驗。但是采用這種方式需要運維人員去現場，并且預防性檢測周期也相對較長。如果低壓電力電纜在預防性檢測周期時間間隔內出現了缺陷，也做不到及時發現及處理。

1.2 低壓電纜的故障檢測現狀

低壓電纜在結構組成上，主要包括了絕緣層、導體以及防護層等幾個部分組成。隨著低壓電纜線路運行時間的變長，會發生多種不同類型的故障，有的故障較為容易查找，但有的卻比較難查找。低壓電纜線路發生故障的原因類型也較多，主要包括了外力破壞、絕緣系統因老化而損壞等。在傳統的低壓電纜故障排查中，當配電系統發生故障時，一開始難以判斷故障的具體原因是否由低壓電纜所引起。當配電搶修人員抵達現場之后，首先勘察現場的設備是否有打火現象，配電線路是否存在過載情況等，綜合考慮故障點是否位于低壓電纜。如果確定是由低壓電纜故障原因引起，則將電纜頭兩側解開，并測試低壓電纜的絕緣性能，如果電纜的絕緣性能指標不合格，則將該低壓電纜更換。這種傳統的方法對于檢修人員的經驗豐富程度要求相對較高，并且所需要的處理時間也較長，這樣就使得對低壓電纜中的故障處置效率較低[2]。為了提高低壓電纜中的故障處置效率，可以采用基于物聯網的低壓電纜短路自動報警裝置。當低壓電纜出現故障時，及時發出告警信息，從而提醒運維人員進行故障處置。

2 物聯網技術在低壓電纜故障檢測中的應用

2.1 物聯網技術的應用

物聯網技術在數據智能感知和數據共享方面存在著較大的應用優勢，一般在實際應用中，先通過物聯網設備采集現場的狀態數據信息，再對這些數據信息進行處理。為了提高數據處理的實時性，降低數據傳輸對網絡帶寬的需求，可以采用邊緣計算技術，在網絡的邊緣端就將很多臨時數據進行處理，這樣就減少了數據在中間的傳輸過程，使得系統的響應速度更快。同時由于和遠程服務之間交換的數據量得到了降低，故可以減輕網絡系統帶寬的壓力，同時也能夠降低數據泄露的風險。圖1為物聯網技術的應用架構。

圖1 物聯網技術的應用架構

從圖1中可知，首先利用轉換元件將低壓電纜中的漏電流、絕緣電阻等物理量轉換為邊緣計算系統可以處理的數字量。經過邊緣計算處理之后的數據，再經過通信接口發送到網絡傳輸系統中，實現數據的采集及邊緣端的初步處理，這些模塊構成了物聯網智能感知系統，以下詳細分析利用物聯網技術構建的低壓電纜短路自動報警裝置的原理。

2.2 低壓電纜的絕緣故障檢測

低壓電纜受實際運行環境和自身磨損等因素影響，會發生多種不同類型的故障。當低壓電纜出現了故障時，主要會有以下不同的表現，據此可以判斷低壓電纜是否出現了絕緣故障問題：一是低阻，當低壓電纜發生了相間絕緣損壞時，使得電纜的絕緣電阻出現了較為明顯的降低，可以采用低壓脈沖發射的檢測方法進行絕緣電阻檢測[3]；二是泄漏，在檢測所采用的試驗電壓還未達到低壓電纜的額定電壓時，此時檢測到的泄漏電流就已經超過了允許值，說明低壓電纜發生了絕緣損壞故障；三是開路故障，雖然絕緣電阻值符合要求，則工作電壓容易出現損耗，難以傳達到電纜的終端處。利用物聯網技術，都可以對這些低壓電纜的故障類型進行檢測，并將監測結果加以反饋。如當低壓電纜絕緣系統被擊穿時，會在接地回路中產生暫態行波信號，這類信號的頻率極高，可以采用傳感器來采集在接地線上的行波電流信號，再通過物聯網技術和邊緣計算技術進行分析和處理，發出告警信息。

3 低壓電纜短路自動報警裝置的開發

3.1 低壓電纜短路自動報警裝置的原理

利用低壓電纜短路的檢測技術原理，可以開發出低壓電纜短路自動報警裝置。在低壓電纜短路自動報警裝置中，包括了低壓電纜漏電流、絕緣電阻采集檢測模塊，并引入物聯網中的邊緣計算技術和芯片集成技術，構建數據處理功能模塊，實現對低壓電纜絕緣數據的采集及預處理。當低壓電纜出現了短路情況時，能夠及時發出低壓電纜絕緣狀態的就地告警信息，圖2為低壓電纜短路自動報警裝置的原理結構圖。

圖2 低壓電纜短路自動報警裝置的原理結構圖

從圖2的低壓電纜短路自動報警裝置的原理結構圖中可以看出，將自動報警裝置的輸入端和電纜相連，輸出端連接自動報警功能組件4，組件2為自動報警裝置中的數據分析及處理功能模塊，組件3為自動報警裝置的電源模塊。當低壓電纜發生了單相短路或者是相間短路故障時，能夠靈敏地檢測出短路電流或者零序電流，從而發出報警信息[4]。為了提高告警信息發送的實時性，在數據分析和處理算法的選擇上，應選擇計算效率較高的算法，這樣就可以降低數據分析及處理所需要花費的時間。同時，通過該裝置還可以檢測低壓電纜中的漏電流及絕緣電阻等數據，當檢測到電纜的絕緣性能水平較低時，也可以發生告警信息。

其中在數據處理模塊中，應利用物聯網技術和邊緣計算技術可靠地對這些采集到的數據進行分析。利用邊緣計算技術可以在數據的源頭側提供服務，這樣就可以明顯減少數據在網絡系統上的傳輸。其優勢一方面為計算服務響應速度更快，可以應用在對實時性能要求較高的場合；另一方面，由于在通信傳輸通道上的數據量較小，故對于數據信息安全的保護程度得到提高。但是邊緣技術在應用的過程中，由于需要自行處理眾多的數據，故需要配備相應的存儲硬件設備，屬于一種分散式的計算方式。在數據處理芯片的選擇上，應選擇集成度高，能和現代數字信號處理技術相兼容的芯片，保證對低壓電纜運行數據處理的效率。

3.2 低壓電纜短路自動報警裝置的應用

采用本文所分析的低壓電纜短路自動報警裝置，當低壓電纜中出現了接地故障或者是短路故障時，能夠通過裝置中的輔助判斷功能模塊，確定低壓電纜中出現漏電或者是絕緣性能降低的故障點，并自動發生報警信息，以便低壓電纜的維護人員能夠快速對故障進行排查，恢復低壓電纜的正常運行[5]。同時采用該短路自動報警裝置，可以降低故障處置的物資成本，并降低低壓電纜運維人員的工作強度、提高現場作業的安全水平。此外為了降低低壓電纜出現故障的概率，在低壓配電系統的設計時，對于電纜型號的選擇應留有一定的裕度，盡管會在建設成本上有所提高，但能夠延長低壓電纜的實際使用壽命，總體而言依然具有較高的經濟價值。其次在電纜的敷設方式上，對于多雨的地區，不適合采用直埋的方式，同時應加強對低壓電纜的質量把關。通過采取上述一系列措施，將有利于低壓電纜在運行過程中的穩定性。將該低壓電纜短路自動報警裝置應用在某供電公司中，也能夠及時準確發出低壓電纜的故障點告警信息，取得了很好的應用效果。

4 結語

本文詳細分析了利用物聯網技術開發的低壓電纜短路自動告警裝置，并介紹了其具體的自動告警裝置開發原理及其在實際生產中的相關應用情況，對于提高低壓電纜的故障處理效率和技術水平具有一定的價值，可以在實際的低壓電纜運維中加以推廣應用。