电动型10kV电力电缆头发热分析与安全监测.docx

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电动型10kV电力电缆头发热分析与安全监测

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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Fourierdecomposition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