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(fā)熱燒壞事故經(jīng)常發(fā)生，針對這一情況，對電動型10kV電力電纜頭發(fā)熱分析與安全監(jiān)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(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行安全監(jiān)測，研發(fā)了在線監(jiān)測裝置，為電纜頭檢修提供決策依據(jù)，實現(xiàn)了對電力電纜頭運行的實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：電動型10kV;電力電纜頭;穩(wěn)態(tài)溫度場;安全監(jiān)測

0引言

隨著我國經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展，電動型10kV電力電纜頭在鐵路建設(shè)中越來越重要。但因外在因素的影響（鐵路運行環(huán)境復(fù)雜、電容電流遠(yuǎn)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(fā)生頻率很高[1]，對鐵路行車安全造成嚴(yán)重影響，因此，對電動型10kV電力電纜頭發(fā)熱分析與安全監(jiān)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(shè)該模型建立過程如下：①電纜各層及周圍環(huán)境為均勻介質(zhì)、各向同性，且數(shù)值均為常數(shù);②計算條件均為穩(wěn)態(tài);③電纜各層理想接觸;④環(huán)境溫度發(fā)生變化時，不考慮材料導(dǎo)熱系數(shù)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(fā)熱分析

假設(shè)建立坐標(biāo)系的坐標(biāo)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(shè)的電纜金屬護(hù)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(jīng)電纜金屬護(hù)層的電流為：

公式（1）中，C表示電纜護(hù)層的自阻抗;U表示電纜金屬護(hù)層兩端的電壓差;E表示護(hù)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(hù)層中的電流[2]。

2溫度監(jiān)測閾值設(shè)定與電纜負(fù)荷調(diào)整

2.1牽引地回流對電纜負(fù)荷調(diào)整與溫度監(jiān)測閾值的影響

根據(jù)電動型10kV電力電纜頭在牽引地回流作用下的發(fā)熱分析，對溫度場仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在最高溫度下對電纜運行進(jìn)行最小二乘擬合，可以得出牽引地回流作用下的電纜外護(hù)套溫度監(jiān)測的閾值，電纜線芯電流和電纜外護(hù)套溫度隨著環(huán)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(jù)是環(huán)境溫度、電纜線芯電流和電纜外護(hù)套溫度的相互計算，利用牽引地回流作用，去進(jìn)行計算[3]。

2.2溫度監(jiān)測閾值設(shè)定與電纜負(fù)荷調(diào)整

電力電纜隨著社會的發(fā)展，建設(shè)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(guī)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用最小二乘擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)運算，如公式（1）所示。

3電動型10kV電力電纜頭安全監(jiān)測

結(jié)合電動型10kv電力電纜的具體運行情況，并監(jiān)測電纜外護(hù)套溫度、電纜接地線電流、電纜護(hù)層感應(yīng)電壓和主絕緣介質(zhì)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(biāo)志是溫度，相關(guān)閾值整定隨溫度的變化而變化。纜工程規(guī)范中規(guī)定在電壓不超過50v/的情況下，鐵路三芯電纜金屬護(hù)層一般由三種不平衡電流構(gòu)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(fù)荷周期性和波動性變化，電容電流在電纜接地線電流監(jiān)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(guān)系圖，其中聯(lián)電路的功率因素角為，為介質(zhì)損耗角為的余角。

根據(jù)上圖可以得出，介質(zhì)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(zhì)損耗正切值的理論計算公式，運用Fourier decomposition對電纜主絕緣兩側(cè)的電壓和流經(jīng)電纜接地線的電流進(jìn)行分解，如公式（4）、（5）為其表達(dá)式。

由公式（4）、（5）得出介損角的測量值為：

3.1監(jiān)測裝置軟件設(shè)計

將基爾5作為軟件開發(fā)裝置的核心控制平臺，4G通信模塊將在系統(tǒng)上電后，與后臺服務(wù)器相連接，之后對處理器的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置。電纜頭運行狀態(tài)被判斷函數(shù)判定后，將打包傳輸電纜頭狀態(tài)信息和電纜頭狀態(tài)判定結(jié)果到嚴(yán)懲服務(wù)器[5]。電動型10kV電力電纜頭的實現(xiàn)主要靠主程序的運行，電纜頭安全監(jiān)測量的數(shù)據(jù)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(jiān)測閾值進(jìn)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(jiān)測的狀態(tài)信息與位置信息將通過4G模塊傳遞出，當(dāng)運行異常時，將會立即發(fā)送執(zhí)行命令。

3.2監(jiān)測裝置硬件設(shè)計

電動型10kV電力電纜頭安全監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

選用32位的高性能臂皮質(zhì)-M3內(nèi)核的控制芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和程序，可以運行大代碼。

選采用測量精度高和性能穩(wěn)定的PT100 platinum thermistor作為電纜外護(hù)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(hù)套，在將數(shù)據(jù)傳至STM32 single chip microcomputer的模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)電纜護(hù)層，直流電壓輸出將從0-1000伏的電壓轉(zhuǎn)化成0-5伏。

4結(jié)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(yīng)的發(fā)熱規(guī)律和數(shù)學(xué)關(guān)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(jiān)測的依據(jù)，對對理想情況下和考慮牽引地回流的電纜發(fā)熱進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，得出溫度監(jiān)測閾值整定公式。為及時處理異常狀況和實現(xiàn)“狀態(tài)檢修”提供決策依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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