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        基于物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜狀態(tài)檢修技術(shù)

        2022-12-07 08:02:34曾少杰
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年34期
        關(guān)鍵詞:故障

        曾少杰

        (廣西智能交通科技有限公司,廣西 南寧 530000)

        物聯(lián)網(wǎng)能夠監(jiān)測電力設(shè)備或電纜的運(yùn)行環(huán)境、工作狀態(tài),并將監(jiān)測到的各類信息反饋給計(jì)算機(jī),根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的調(diào)控措施,從而保證了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。現(xiàn)階段,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路,以及各種二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測中得到了推廣使用。其中,電力電纜作為電力系統(tǒng)中連接各類電氣設(shè)備的重要工具,保證其工況良好對維護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響?;诖?,設(shè)計(jì)一種適用于電力電纜狀態(tài)監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),成為新時(shí)期電力運(yùn)維與管理工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。

        1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電力電纜狀態(tài)檢修設(shè)計(jì)

        1.1 電纜狀態(tài)檢修系統(tǒng)感知層的設(shè)計(jì)

        電力電纜的許多故障都會以溫度的形式表現(xiàn)出來,例如電纜接頭生銹或發(fā)生絕緣擊穿后,電纜故障位置處會有明顯的升溫現(xiàn)象。基于此,可以將電纜接頭溫度作為采樣指標(biāo),在電纜接頭處安裝溫度傳感器,實(shí)時(shí)采集電纜的溫度,然后將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)反饋給控制站,并由控制站計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。這里以電纜的中間接頭為例,溫度傳感器的布置方式見圖1。

        溫度傳感器采用嵌入式設(shè)計(jì),置于電纜中間接頭內(nèi)部。在傳感器外側(cè)安裝有一個(gè)密封的銅殼,可以避免溫度傳感器因?yàn)槭艹倍霈F(xiàn)銹蝕、污損,從而延長傳感器的使用壽命。為了減輕終端的數(shù)據(jù)處理工作量,可以設(shè)定傳感器的數(shù)據(jù)采集周期,例如每30 min或每60 min 采集一次電纜監(jiān)測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。需要采集數(shù)據(jù)時(shí),該測溫節(jié)點(diǎn)的傳感器被喚醒,完成溫度采集后則進(jìn)入休眠狀態(tài),等到下一周期再次被喚醒,這樣就能降低能耗[1]。如果系統(tǒng)出現(xiàn)告警情況,則每5 min 或每10 min 采集一次溫度數(shù)據(jù)。

        同時(shí),為了提高測溫模塊的抗干擾能力,可選擇集成設(shè)備。溫度采集集成模塊由溫度傳感器、數(shù)據(jù)處理器、射頻芯片、電源組成(見圖2)。其中,溫度傳感器使用DS18B20 型傳感器,無需A/D 轉(zhuǎn)換,可直接輸出數(shù)字信號。另外,該傳感器內(nèi)置32 位激光ROM、讀寫速度快;采用L-wire 技術(shù),通信速率高;測溫范圍在-50~100 ℃,測量精度達(dá)到±0.1 ℃,可滿足絕大多數(shù)情況下電纜溫度監(jiān)測需要[2]。

        1.2 電纜狀態(tài)檢修系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)

        網(wǎng)絡(luò)層的功能是連接傳感器與主控站,將測溫節(jié)點(diǎn)處射頻芯片發(fā)射的無線信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上,以便于計(jì)算機(jī)對溫度數(shù)據(jù)展開對比、分析。在網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)中,分為有線通信和無線通信兩種模式。其中,網(wǎng)絡(luò)層與主控站上位機(jī)之間為有線通信,使用RS485 通信總線連接主控站計(jì)算機(jī)的接口,可以將計(jì)算機(jī)的調(diào)控指令發(fā)送到前端的傳感器。在測溫終端還有一個(gè)集成的LED 顯示器,可以直觀地顯示實(shí)時(shí)溫度。在網(wǎng)絡(luò)層與前端傳感器之間,則采用射頻芯片進(jìn)行無線通信,將傳感器的溫度數(shù)據(jù)反饋至計(jì)算機(jī)。網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)組成見圖3。

        在同一電力系統(tǒng)中,可能會設(shè)置多個(gè)測溫站,這些測溫站與測溫終端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),完成異步串行通信。其中,測溫終端始終保持指令接收狀態(tài),以便于隨時(shí)接收主控站上位機(jī)發(fā)送的指令,并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

        1.3 電纜狀態(tài)檢修系統(tǒng)應(yīng)用層的設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)應(yīng)用層的主要功能是對前端反饋的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對比、分析。應(yīng)用層主要包括兩大模塊,即數(shù)據(jù)中心功能模塊、移動終端功能模塊,各模塊的功能組成見圖4。

        應(yīng)用層除了支持上述功能外,還可將前端反饋的溫度數(shù)據(jù)按照采集時(shí)間進(jìn)行分類存儲。如果有異常數(shù)據(jù),系統(tǒng)會自動篩選出來并保存到專門的文件夾中,方便工作人員集中處理[3]。另外,系統(tǒng)還能將溫度數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)化成溫度曲線,一目了然地顯示溫度變化趨勢。

        2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電線電纜狀態(tài)檢修實(shí)例

        2.1 故障概況

        某110 V 變電站共有2 條線路。2021 年9 月11日,其中一條電纜因?yàn)殚_關(guān)引線接頭溫度異常升高而臨時(shí)停電檢修,變電站進(jìn)入非正常運(yùn)行狀態(tài),另一條電纜承擔(dān)了全站負(fù)荷,此時(shí)負(fù)荷電流達(dá)到了266 A(正常情況下為140~180 A)。該線路持續(xù)運(yùn)行40 min后,9 號接頭的C 相出現(xiàn)故障。經(jīng)調(diào)查,該線路的電纜型號為YJLW03,線路總長度為11.5 km,導(dǎo)線截面積775 mm3,線路內(nèi)共有36 個(gè)電纜接頭。

        2.2 原因分析

        故障發(fā)生后,變電站立即組織技術(shù)人員進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查。經(jīng)檢查,未發(fā)現(xiàn)外力破壞痕跡,故排出外力因素引起故障。事故發(fā)生時(shí),該變電站臨時(shí)切換線路導(dǎo)致線路的負(fù)荷電流突然增加,但是經(jīng)測量發(fā)現(xiàn),負(fù)荷電流并未超過最大負(fù)載,由此排出了電纜負(fù)荷電流太高引起的故障。

        排除上述幾種可能導(dǎo)致電纜故障的常見因素后,技術(shù)人員對電纜的接地系統(tǒng)進(jìn)行了檢查,發(fā)現(xiàn)存在以下問題:(1) 該條線路共包括15 段電纜,按照相關(guān)設(shè)計(jì)要求需要設(shè)置5 個(gè)交叉互聯(lián)段,這樣才能有效抑制線纜金屬保護(hù)層的感應(yīng)電壓。而現(xiàn)場檢查結(jié)果顯示,該線路僅有3 個(gè)交叉互聯(lián)段,達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。(2) 接線方法上,要求絕緣接頭的同軸電纜內(nèi)線芯與同一側(cè)金屬保護(hù)套連接,外線芯與對側(cè)金屬保護(hù)套連接?,F(xiàn)場檢查結(jié)果顯示只有部分接線正確。綜上,金屬保護(hù)層接地系統(tǒng)存在缺陷,導(dǎo)致電纜接頭處電壓過高、環(huán)流增加,是引起本次故障的主要原因。

        2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)檢修

        在常規(guī)檢修模式下,電纜每年檢修1 次。由于檢修頻率較低,很難保證在電纜發(fā)生故障以后第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題所在,錯(cuò)過了最佳的維修時(shí)機(jī),進(jìn)而引起更為嚴(yán)重的事故。另外,在檢修方法上,主要是由維修人員手持紅外檢測儀等設(shè)備逐項(xiàng)檢查。而由于變電站電纜的接頭較多、線路復(fù)雜,使得檢測效率不高,一些隱蔽的故障也難以發(fā)現(xiàn)?;诖?,本次變電站電纜故障檢修中引入了基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修技術(shù),具體如下:

        將溫度傳感器安裝到電纜的接頭處,然后在無線測溫裝置上設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率,每60 min 接收1 次溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)線纜運(yùn)行工況,設(shè)定溫度上限為50℃,如果監(jiān)測到的實(shí)際溫度超過50 ℃,則監(jiān)測裝置自動告警,提醒工作人員及時(shí)處理。告警后,測溫裝置自動將數(shù)據(jù)采集頻率調(diào)整為10 min/次,密切監(jiān)測電纜接頭溫度的實(shí)時(shí)變化。在測溫裝置的人機(jī)交互界面,工作人員可以直觀地觀察到每個(gè)被監(jiān)測接頭的當(dāng)前溫度信息和歷史溫度信息,通過數(shù)據(jù)對比即可找出溫度異常的電纜接頭,從而實(shí)現(xiàn)對故障點(diǎn)的超前處理,避免嚴(yán)重事故的發(fā)生[4]。2 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)見圖5。

        受到電流熱效應(yīng)的影響,距離故障點(diǎn)越近的位置,其溫度越高,升溫速度越快;相應(yīng)的,距離電源側(cè)越遠(yuǎn)的位置,其溫度變化幅度越小。結(jié)合圖5 可以發(fā)現(xiàn),監(jiān)測點(diǎn)M 的溫升要高于N點(diǎn),這表明M 點(diǎn)距離故障點(diǎn)更近一些。按照此方法,在電纜上多布置幾個(gè)監(jiān)測點(diǎn),就可以通過各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫升情況,逐漸逼近故障點(diǎn),從而縮小了故障排查范圍,方便工作人員以最短時(shí)間鎖定故障,為電纜故障的維修處理提供了技術(shù)支持[5]。

        在基于物聯(lián)網(wǎng)的電纜故障排查中,還可以對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較,也可判斷電纜故障位置。本次監(jiān)測中獲取該電纜A、B、C 三相的運(yùn)行溫度,結(jié)果見圖6。

        結(jié)合圖6,該線路上同一位置的A、B、C 三相溫度,C 相溫度在多數(shù)時(shí)間里明顯高于A 相和B 相溫度。說明C 相電纜出現(xiàn)異常。在配合上文的電纜溫度監(jiān)測結(jié)果,即可精準(zhǔn)鎖定故障位置。

        2.4 電線電纜狀態(tài)檢修技術(shù)的對比

        對比來看,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修,相比于傳統(tǒng)的人工檢修具有如下優(yōu)勢:

        (1) 安全優(yōu)勢。變電站電氣設(shè)備種類多樣、電線電纜連接復(fù)雜。傳統(tǒng)以人工為主的檢修,很有可能因?yàn)殡娎|絕緣失效等故障而增加安全隱患。相比之下,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修,可利用傳感器采集溫度參數(shù)、振動參數(shù)、電流參數(shù),整個(gè)監(jiān)測過程不需要人工參與,因此更加安全。

        (2) 成本優(yōu)勢?;谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修,用電氣設(shè)備代替人工,可以做到無人巡檢,顯著降低了人工成本。

        (3) 效率優(yōu)勢。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修,可以24 h 不間斷的采集電纜運(yùn)行數(shù)據(jù),并基于人工智能分析快速、準(zhǔn)確判斷電纜故障,實(shí)現(xiàn)隱蔽故障的超前報(bào)警、及時(shí)處理,檢修效率更高。

        3 結(jié)論

        相比于傳統(tǒng)以人工為主的檢修模式,本研究提出的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜狀態(tài)檢修方案,可以利用溫度傳感器實(shí)時(shí)采集電纜各處的溫度變化情況,然后將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。如果某個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度出現(xiàn)異常升高情況,則系統(tǒng)立即報(bào)警,提醒工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題。根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)與故障點(diǎn)距離越近、溫度越高的特性,可以快速查找到故障位置,進(jìn)而為工作人員采取針對性的維修處理措施提供了技術(shù)支持。

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