牽引供電系統(tǒng)電纜及電纜頭在線監(jiān)測技術(shù)適用性分析

1 引言

21ic智能電網(wǎng)：近年來，隨著《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的調(diào)整實施，我國鐵路加快建設(shè)發(fā)展，以建設(shè)客運專線、區(qū)際大能力通道、西部開發(fā)性新線為重點，鐵路營業(yè)里程不斷增加，線路質(zhì)量和技術(shù)等級不斷提高，從而為人民出行、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防交通需要提供了可靠的支撐和保障。

當(dāng)前，在鐵路客運專線的牽引變電所設(shè)計中，高壓輸電電纜正在牽引供電系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。這類電纜分布在沿線牽引變電所所內(nèi)以及接觸網(wǎng)上網(wǎng)處，受加工工藝、施工質(zhì)量、運行工況以及運行環(huán)境的影響，牽引供電系統(tǒng)的27.5kV電纜及電纜接頭故障率較高。而輸電電纜的正常工作與否直接關(guān)系到鐵路客運專線的正常運營。

由于鐵路沿線電纜接頭眾多且分散，不易人工巡視，因此，在線監(jiān)測高壓輸電電纜及其接頭的工作溫度，可及時發(fā)現(xiàn)電纜過熱現(xiàn)象，避免由于高壓輸電電纜故障造成的鐵路運營事故，具有十分重要的意義。

電纜溫度在線監(jiān)測技術(shù)在我國已經(jīng)有了較為長期的發(fā)展，實現(xiàn)手段比較多，而且應(yīng)用也比較廣泛[1] [2]。但由于此類產(chǎn)品沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，針對不同的應(yīng)用環(huán)境尚沒有成熟、統(tǒng)一的解決方案。為了便于此項技術(shù)在我國鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用，本文對現(xiàn)有的各種電纜在線測溫技術(shù)進(jìn)行了介紹，并針對電氣化

鐵路實際情況，對各種技術(shù)的適用性進(jìn)行了比較。

2 現(xiàn)有電纜在線測溫技術(shù)原理及特點

目前，在實際工程應(yīng)用中，電纜在線測溫技術(shù)按原理不同主要有光纖光柵測溫、分布式光纖測溫、紅外測溫、無線測溫等4類產(chǎn)品。

2.1紅外測溫技術(shù)

一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的原理基礎(chǔ)。

紅外測溫技術(shù)屬于非接觸式測溫方式，不改變柜內(nèi)原有的接線及結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)在現(xiàn)場一般由紅外溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成。紅外溫度傳感器安裝在每個監(jiān)測對象附近，將溫度數(shù)據(jù)通過信號電纜傳入數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器一般安裝在開關(guān)柜柜門上，一般可以接入6只傳感器溫度信號。

下圖紅外測溫系統(tǒng)方案示意圖。

圖1：紅外測溫系統(tǒng)方案示意圖

2.2無線測溫技術(shù)

在工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為近年來的研究熱點之一，基于Bluetooth(IEEE802.15.1)、Wi-Fi(IEEE802.11)和ZigBee(IEEE802.15.4)等協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相繼問世[3]。其中ZigBee短程無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、低功耗等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

基于ZigBee的無線測溫技術(shù)即通過無線通訊方式將傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)向外傳遞。帶有ZigBee天線的溫度傳感模塊直接安裝在被測試設(shè)備上，與數(shù)據(jù)接收裝置之間沒有直接的電氣聯(lián)系，所以該技術(shù)也認(rèn)為是非接觸溫度測量技術(shù)的一種。它最大的優(yōu)點在于傳感器本體無須任何接線，并不受安裝場合的限制。

該系統(tǒng)主要由無線溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成。

無線溫度傳感器一般由控制器、無線通信模塊、溫度傳感器和電池組成，根據(jù)現(xiàn)場情況的不同，可通過粘結(jié)、尼龍扎帶等方式將測溫模塊固定在被測物體上。傳感器采用免申請的2.4G通信頻段，并由電池供電，一般可保證工作5年以上。下圖為無線測溫系統(tǒng)的原理圖。

圖2：無線測溫系統(tǒng)的原理圖

數(shù)據(jù)采集器可以接收、上傳、管理、轉(zhuǎn)換其所在范圍內(nèi)的溫度傳感器，并帶有液晶顯示溫度功能，可安裝在開關(guān)柜的柜門上。

下圖為無線測溫系統(tǒng)方案示意圖。

圖3：無線測溫系統(tǒng)方案示意圖

2.3光纖光柵測溫技術(shù)

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù), 它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。

光纖光柵測溫系統(tǒng)是一種準(zhǔn)分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)，光纖光柵測溫系統(tǒng)是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵來進(jìn)行測溫，光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量對布喇格光柵中心波長的調(diào)制來獲取信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器[4] [7]。

光纖光柵采用均勻周期的光纖布喇格光柵，這種光纖光柵的作用實質(zhì)上是在纖芯中形成一個窄帶反射鏡。當(dāng)寬帶光傳輸?shù)焦鈻盘帟r，光柵將有選擇地反射一窄帶光。所反射窄帶光的中心波長

(即布喇格波長)由光柵常數(shù)決定，光柵常數(shù)即光柵的條紋周期

和光柵的有效折射率

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