电动型10kV电力电缆头发热分析与安全监测

徐龙彬 李汉巧 冼伟镜 彭亮良 吴崇荣

摘要：电动型10kV电力电缆头发热烧坏事故经常发生，针对这一情况，对电动型10kV电力电缆头发热分析与安全监研究。文章首先利用有限元分析法建立了电动型10kV电力电缆头温度场仿真模型;其次，采用最小二乘法对温度场仿真数据进行处理，得出温度阈值整定公式;最后，对电动型10kV电力电缆头进行安全监测，研发了在线监测装置，为电缆头检修提供决策依据，实现了对电力电缆头运行的实时监测。

关键词：电动型10kV;电力电缆头;稳态温度场;安全监测

0引言

随着我国经济与科技的快速发展，电动型10kV电力电缆头在铁路建设中越来越重要。但因外在因素的影响（铁路运行环境复杂、电容电流远大于架空线路、牵引地回流过大等）电动型10kV电力电缆头烧坏事故发生频率很高[1]，对铁路行车安全造成严重影响，因此，对电动型10kV电力电缆头发热分析与安全监测是非常有必要的。

1电动型10kV电力电缆头温度场仿真分析

1.1电动型10kV电力电缆头温度场仿真模型的建立

如图1所示搭建电动型10kv三芯电力电缆头温度场仿真模型图是利用ANSYS工作台建立的。假设该模型建立过程如下：①电缆各层及周围环境为均匀介质、各向同性，且数值均为常数;②计算条件均为稳态;③电缆各层理想接触;④环境温度发生变化时，不考虑材料导热系数的改变。

1.2电动型10kV电力电力电缆头在牵引地回流作用下的发热分析

假设建立坐标系的坐标原点为电力机车泄流点，y轴为钢轴，其水平垂直方向为x轴。与钢轨平行铺设的电缆金属护层上的某一点为M（x，y），I為牵引电流， 电缆双端接地时，流经电缆金属护层的电流为：

公式（1）中，C表示电缆护层的自阻抗;U表示电缆金属护层两端的电压差;E表示护层两端的接地电阻。在不同土壤电阻率下，取I为1000安培，C为0.05焦耳，E为4，可以得出距离钢轨位置不同时电缆护层中的电流[2]。

2温度监测阈值设定与电缆负荷调整

2.1牵引地回流对电缆负荷调整与温度监测阈值的影响

根据电动型10kV电力电缆头在牵引地回流作用下的发热分析，对温度场仿真数据进行处理，在最高温度下对电缆运行进行最小二乘拟合，可以得出牵引地回流作用下的电缆外护套温度监测的阈值，电缆线芯电流和电缆外护套温度随着环境温度的变化而变化（IX、GW、GE）。

为电缆安全运行状况提供判定的理论依据是环境温度、电缆线芯电流和电缆外护套温度的相互计算，利用牵引地回流作用，去进行计算[3]。

2.2温度监测阈值设定与电缆负荷调整

电力电缆随着社会的发展，建设新的电力电缆线路的难度不断增加，施工空间有限，想要长期安全可靠的运行需要保持合理的利用率。电力电缆长期运行需要其绝缘性可靠，这就要求对温度有限制，工作温度超过规定值8度时，电力电缆的寿命将会缩短。在最高温度下的温度场进行数据处理，利用最小二乘拟合进行数据运算，如公式（1）所示。

3电动型10kV电力电缆头安全监测

结合电动型10kv电力电缆的具体运行情况，并监测电缆外护套温度、电缆接地线电流、电缆护层感应电压和主绝缘介质损耗正切值。衡量电力电缆是否正常运行的一个非电气量标志是温度，相关阈值整定随温度的变化而变化。缆工程规范中规定在电压不超过50v/的情况下，铁路三芯电缆金属护层一般由三种不平衡电流构成[4]，即牵引地回流、充放电时的电容电流和电缆主绝缘的泄露电流。牵引地回流随牵引负荷周期性和波动性变化，电容电流在电缆接地线电流监测时可以忽略，因此电缆主绝缘的泄露电流为接地线中的电流。如图1所示为等效电路及向量关系图，其中联电路的功率因素角为，为介质损耗角为的余角。

根据上图可以得出，介质损耗角正切值的计算公式为：

公式（3）采用离散傅里叶变换，为介质损耗正切值的理论计算公式，运用Fourier decomposition对电缆主绝缘两侧的电压和流经电缆接地线的电流进行分解，如公式（4）、（5）为其表达式。

由公式（4）、（5）得出介损角的测量值为：

3.1监测装置软件设计

将基尔5作为软件开发装置的核心控制平台，4G通信模块将在系统上电后，与后台服务器相连接，之后对处理器的相关寄存器进行配置。电缆头运行状态被判断函数判定后，将打包传输电缆头状态信息和电缆头状态判定结果到严惩服务器[5]。电动型10kV电力电缆头的实现主要靠主程序的运行，电缆头安全监测量的数据采集与显示将在程序初始化完成后开始，通过键盘输入对监测阈值进行接收方电话更改和整定更改，在判定完电缆头安全信息后，电缆头安全监测的状态信息与位置信息将通过4G模块传递出，当运行异常时，将会立即发送执行命令。

3.2监测装置硬件设计

电动型10kV电力电缆头安全监测装置的硬件结构如图2所示。

选用32位的高性能臂皮质-M3内核的控制芯片，负责数据处理与数据通信的处理器选用低功耗STM32F103ZET6型，其扩展存储容量为521K闪光灯和64x随机存储器，能够存储大容量数据和程序，可以运行大代码。

选采用测量精度高和性能稳定的PT100 platinum thermistor作为电缆外护套温度的温感元件，通过温度变送与测温点接触紧密的电缆外护套，在将数据传至STM32 single chip microcomputer的模数转换器引脚[6]。湿度采集模块采用AM2001，采用高性能的交流电压变送器来感应电缆护层，直流电压输出将从0-1000伏的电压转化成0-5伏。

4结论

通过分析电动型10kV电力电缆头温度场仿真情况，得出了相应的发热规律和数学关系。因为温度影响电动型10kV电力电缆的运行，为了给电力电缆头提供监测的依据，对对理想情况下和考虑牵引地回流的电缆发热进行了数学分析，得出温度监测阈值整定公式。为及时处理异常状况和实现“状态检修”提供决策依据。

参考文献：

[1] 霍东亮.铁路电力电缆贯通线故障的应用研究探析[J].南方农机，2019，50（23）：109.

[2] 刘家军，杜智亮，李娟绒，段玮.铁路10kV电力电缆头发热分析与安全监测[J].电力系统保护与控制，2019，47（24）：131-138.

[3] 梁伟.电力电缆爆炸原因分析及解决方法研究[J].江西电力，2017，41（02）：45-48.

[4] 姚文吉，杨帮华，何金海，谢彬，陈海鹏.110kV电力电缆交叉互联缺陷引起电缆头烧毁分析[J].电工文摘，2017（04）：74-76.

[5] 于峰，尹丹，姚江华，刘晶.并联单芯中压电力电缆相间短路故障案例解析[J].建筑电气，2019，38（08）：111-115.

[6] 高振华.基于Zigbee的电缆头温度检测系统的开发[J].科技创新与应用，2016（13）：74.