5G通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測技術

馬賽

（九江職業技術學院，江西 九江 332007）

0 引 言

通信技術的廣泛應用推動了各行各業的快速發展，通信電纜作為通信的基礎設施分布越來越廣泛，組成也越來越復雜，在通信電纜的使用過程中，經常會因過載而引起電纜過熱，導致電纜運行故障，甚至引發火災。相關研究人員為了避免電纜過熱故障而為通信電纜安裝耐熱外皮，常見的耐熱外皮屬于絕緣裝置，雖然能有效地避免電纜接觸熱故障，但使用過程中容易出現老化的問題，導致電纜性能下降，進而引發某些嚴重的故障，因此需要及時監測電纜絕緣外皮的運行狀況，保證通信工程安全。

隨著通信技術的發展，5G 通信工程建設得越來越完善，有效地提升了基礎通信速率，可以很好地滿足用戶高速率、低延時的需求。5G 通信工程電纜數量十分龐大，一旦某一條電纜出現過熱故障很容易導致通信異常，造成嚴重的經濟損失。傳統的電纜耐熱外皮運行狀態監測只是通過簡單的溫度傳感器來實現，數據傳播處理速度較慢，且敏感性較低，經常無法識別微小的溫度變化，對保證通信電纜安全十分不利，因此本文結合5G 通信工程電纜運行現狀，設計了一種通信電纜耐熱外皮運行狀態監測技術。

1 5G 通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測技術設計

1.1 采集5G 通信工程電纜耐熱外皮運行參數

通信電纜的耐熱外皮運行參數與其運行狀態監測有直接關系，因此在進行電纜耐熱外皮運行監測前，首先需要采集通信工程電纜耐熱外皮參數，當通信電纜內部有電流經過時，很容易出現功率損耗，這些功率損耗會以熱能的形式反饋出來，因此需要先采集電纜耐熱外皮的溫度梯度參數，本文設計的技術首先根據電纜的幾何參數計算電纜的軸向熱，再結合電纜材料熱損耗設計電纜耐熱外皮運行參數的采集計算式。

其中，代表電纜耐熱外皮運行參數，代表表皮電阻，代表內部電阻，代表損耗系數，代表耐熱外皮溫度，使用該采集計算式進行采集時可能會出現電纜載流量不穩定的問題，此時可以進一步計算標準電纜耐熱外皮熱損耗，以保證采集參數的準確性。

首先設定標準導體電阻數值，根據目前的導體電流選取合適的溫度系數，此時計算的標準溫度系數受實際損耗的影響存在一定的誤差，為了避免此誤差給實際參數采集造成影響，設計了損耗的計算式。

其中，代表對地電壓，代表綜合損耗，在計算出正確的損耗后可以使用有限元分析法構建電纜溫度場，保證參數的有效性。

本文選取Maxwell 有限元軟件完成參數采集分析，該軟件能有效地識別流體數據和磁場數據，實現信息高效轉化，因此本文將其與ANSYS 結合，進行參數選取和參數分析。使用ANSYSWorkbench15.0 搭建參數采集界面，結合參數的種類和數量設計參數選取流程，將5G 通信工程電纜劃分為不同的網格結構。經過分析可知，穩態時的電纜溫度變化較小，因此需要借助所搭建的采集分析框架來判斷電纜的實際狀態，從而從根本上保證采集數據的可靠性。為了增加數據的直觀性，本文設計的技術使用IEC-60287 作為定義標準來完成參數監測，確保每一個參數都在標準的使用范圍內。

1.2 構建通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測模型

根據選取的電纜耐熱外皮運行參數實現狀態監測模型的精細化設計，保證運行狀態監測的敏感性。經過研究發現，5G通信電纜主要由幾個不同的部分組成，內部會形成一個不穩定的溫度場，該溫度場受熱輻射等多種綜合作用影響，本文結合電纜耐熱外皮狀態影響因素設計了模型的假設條件。

第一個條件是保證電纜長度無限大，較遠端可以用一維模型來代替；第二個條件，保證電纜組成材料的熱穩定性，使其不隨溫度的改變而改變；第三個條件，假設電纜之間無隔離熱阻，根據上述假設條件構建電纜耐熱外皮運行狀態監測模型，公式為：

其中，d代表電纜耐熱外皮運行狀態監測模型，代表電纜橫截面積，d代表熱流系數。為了保證該模型的監測效果，在使用之前需要檢測熱效應影響，將實際電纜運行溫度劃分為10 種不同的檔次，進行綜合檢測，檢測數值均為正數，分別為：0.125、0.136、0.145、0.112、0.112、0.169、0.164、0.137、0.178、0.204，這也證明了上述模型具有穩定性，可以有效地完成通信電纜外皮耐熱監測。

在電纜耐熱外皮受熱時，其內部的熱流變化始終遵循熱力學定律，因此可以將單位時間內產生的熱流總量與實際熱流產生量進行比對，若單位時間內產生的熱流總量較高，證明此時的耐熱外皮存在性能下降問題，反之則證明耐熱外皮狀態良好。

電纜耐熱外皮性能一般可以用常規的熱流方程來表示，假設電纜處于初級絕緣層狀態，此時可以分別計算釋放熱流和吸收熱流總量，整合成標準表達式，結合傅立葉定律繪制電纜絕緣外皮受熱圖，如圖1所示。

圖1 電纜絕緣外皮受熱圖

由圖1可知，電纜絕緣外皮受熱呈中心性變化，因此在監測時需要結合穩態熱流場的狀態及時改變監測參數，避免出現監測誤差。可以根據電纜耐熱外皮的狀態變化方程設計有效的電纜監測電路，該電路需要具有無介質損耗的絕緣點，保證熱流傳遞到絕緣層的損耗最低，還可以將絕緣層劃分為兩個部分，以避免導熱熱阻對監測結果造成影響。

1.3 設計電纜耐熱外皮運行狀態監測算法

實現5G 通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測的最后一步是設計電纜耐熱外皮運行狀態監測算法，該算法也是整個監測的核心所在，影響實際監測敏感度。電纜耐熱外皮溫度與其參數特征信息有很大的關聯性，在實際通信電纜工作過程中，存在環境復雜、介質特性不一的問題，因此為了降低環境信息對狀態監測的影響，本文設計了電纜耐熱外皮運行狀態監測粒子群算法，公式為：

其中，代表電纜耐熱外皮粒子初始狀態系數，代表綜合監測數值，代表外界溫度，代表外皮溫度損耗，代表狀態監測時間，代表溫度流體運動參數，該算法不但能計算恒定影響因素對電纜耐熱外皮的影響，而且還能計算非恒定因素對電纜耐熱外皮的影響，且該算法在計算時可以忽略電纜散熱誤差，從而降低狀態監測的難度。

面對不穩定的通信電流，需要借助暫態電流的作用來判斷穩態電流的實際大小，經過計算可知，電纜耐熱外皮的負荷電流一直在不斷地變化，因此可以繪制負荷電流變化曲線，判斷此時存在的離散參數，保證電流幅值的穩定。假設在狀態監測過程中通信工程電纜耐熱外皮處于穩定狀態，可以根據電纜穩態原則計算媒質熱阻的具體數值，判斷電纜耐熱外皮的具體溫度，如果在監測過程中出現了外皮溫升現象，需要根據電流的實際變化計算階躍熱流，再結合疊加定理計算外皮溫度的具體增加數值。本文設計的技術為了盡量提高5G通信工程電纜耐熱外皮的監測有效性，使用了熱特性穩態電路，該電路可以排除電纜內部材料和媒質參數對監測結果造成的影響，保證實際電容不變，最大限度地提高監測準確性。

2 實驗

為了檢驗本文設計的5G 通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測技術的監測效果，將其與傳統的電纜耐熱外皮運行狀態監測技術進行對比。

2.1 實驗準備

本實驗選取型號為YJV22-8.7/15-3×240 的通信電纜作為實驗電纜，將其劃分成10 個不同段進行監測，并設置了通信電纜段編號，監測其耐熱外皮的運行狀態。為了保證實驗的精確度，本文使用熱媒介特性驗算法計算不同編號電纜的熱阻參數和熱容系數，相關參數如表1所示。

由表1可知，不同段電纜的參數存在基礎性差異，證明劃分的電纜符合實驗要求。將上述電纜與某導體相連，設計一個閉合的測試回路。為了保證測溫的準確性，在實驗區域設置了敏感度較高的熱電偶，保證每兩個測溫點之間的距離大于0.5 m，此時可以不斷記錄電纜外皮的溫度，判斷溫度差值區間，繪制時間溫度曲線，如圖2所示。

表1 電纜參數

圖2 時間溫度曲線

由圖2可知，隨著時間的增加，熱電偶監測的溫度逐漸到達峰值，之后又逐漸下降，符合實驗穩定性要求，可以進行后續的通信電纜耐熱外皮運行狀態監測實驗。

為了提高監測精準度，本文選取了MATLAB 平臺，設計了測試優化程序，首先選取測試范圍，將標準的電纜外皮溫度數值及臨界數值輸入到程序中，此時可以得到穩定狀態下的電纜溫度場參數，保證電纜內部熱阻不變，結合電纜的運行狀態設計媒質熱阻的計算式。

其中，代表電纜耐熱外皮溫度，代表外界環境溫度，代表基礎穩態溫度，逐個計算上述電纜的媒質熱阻，構建通信電纜運行狀態監測模型，確保其他運行參數穩定。

通信工程電纜在使用過程中存在一定的電流變化，可能會產生變化的溫度場，為了避免該溫度場對后續實驗造成影響，本文使用了IEC 準則，在COMSOL Multiphysics 檢測中心估算各個工程電纜的基礎電容，再使用有限元分析法分析電纜的熱性參數，確保測試電纜周圍負荷與實際電纜運行負荷一致。在一定周期內可能會出現影響環境溫度的基礎電流，這些基礎電流會從電纜外皮傳輸至電纜內部，嚴重降低電纜運行的安全性。為了降低實驗風險，本文在測試之前計算了初始電纜外皮基礎電流量，在實驗過程中，始終利用敷設回路監測具體的基礎電流數值，一旦該數值出現明顯的變化則需立即終止實驗，避免因電流對電纜內部的沖擊而誘發實驗安全性問題。

2.2 實驗結果與討論

在上述實驗準備的基礎上進行后續的通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測，已知電纜外皮溫度高于55 度為告警狀態，此時分別使用本文設計的通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測技術和傳統的電纜耐熱外皮運行狀態監測技術進行監測，記錄不同段電纜敏感溫度變化下兩者的告警結果，如表2所示。

表2 實驗結果

由表2可知，本文設計的5G 通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測技術能夠準確識別溫度變化，及時發出告警，而傳統的電纜耐熱外皮運行狀態監測技術僅能在溫度差值較高時發出告警。

3 結 論

綜上所述，隨著通信技術的發展，我國通信領域鋪設的通信電纜的種類和數量都在不斷增加，分布也越來越復雜，在使用過程中很容易產生過熱效應，導致運行異常，甚至帶來運行安全風險，因此急需進行運行狀態監測。傳統電纜耐熱外皮運行狀態監測技術的敏感性較低，無法實現有效的監測，因此本文設計一種通信工程電纜耐熱外皮運行狀態監測技術，實驗結果表明，本文設計的電纜耐熱外皮運行狀態監測技術的監測敏感性較高，監測效果較好，有一定的應用價值，可以作為后續5G 通信工程電纜故障監測的參考。