隨著高速鐵路向中西部地區不斷發展，在山區和丘陵地段修建的高速鐵路越來越多。牽引供電系統供電線在穿越隧道時以及高鐵牽引變電所內，大量采用27.5kV電纜作為能量傳輸載體為機車供電。因此，電纜的可靠性影響著供電系統的安全運行。統計表明，由于制造、施工等環節不當，監測技術缺失等原因，造成我國電纜故障率約是發達國家的10倍。

國內業內針對電纜在線監測進行了一系列的研究，研究的方向主要集中在基于局放、絕緣電阻和溫度等非直接接觸式監測。研究表明，電纜接頭是電纜運行中最薄弱、最容易故障的環節，其絕緣材料、應力控制、壓接質量及密封散熱等工藝制造原因，加上缺少有效的檢測手段，造成了電纜的高故障率。

目前，有關電氣化鐵道電纜監測系統的研究鮮有報道。在實際的電氣化鐵路運行中，電纜發生故障前，均出現發熱現象，這會加速電纜的絕緣老化，甚至引起爆炸。

鑒于此，本文在總結現有電纜監測技術的基礎上，基于一體化和物聯網設計思想，提出一種鐵道27.5kV電纜接頭芯溫監測系統，并詳細闡述了系統方案。該方案擴展靈活，具有良好的互操作性，可有效預防并減少突發性的電纜事故，為電纜的安全可靠運行提供理論基礎和技術保障。

1 電纜故障檢測技術

目前，電纜檢測的手段主要有局放檢測、接觸電阻檢測和溫度檢測。其中，局放檢測方法包括脈沖電流法、射頻檢測法、紅外熱成像法、超聲波檢測法和特高頻檢測法，這些檢測方法存在現場安裝和需要供電、性價比不高等問題；而接觸電阻檢測方法存在施工安裝和準確性難保證等問題。因此，局放檢測和接觸電阻檢測無法在工程中大量推廣應用。現階段，電纜溫度檢測是目前有效預防并減少突發性的電纜事故最實用的檢測方法。

業界針對電纜接頭在線測溫問題，提出了多種解決方案，主要有如下幾種。

1）光纖測溫系統

光纖測溫由測溫光纖和光分析儀組成。沿電纜表面鋪設光纖，利用拉曼散射和光時域反射，拉曼散射技術實現溫度測量，光時域反射實現溫度定位，從而間接判斷電纜的溫度。

2）電纜溫度監測儀

采用溫度傳感器，通過測量接頭外部護層連接處的溫度，間接判斷內部線芯的溫度。

3）紅外測溫

用紅外效應測量溫度，測量接頭處的紅外輻射，從而計算出溫度。

上述3種測量方法，均為非接觸式測量接頭外部表面溫度，屬于間接測量方法，測量準確度不高，無法準確地反映電纜接頭內部的真實溫度。

2 系統方案

為提高電纜測溫的準確性，必須研究內置溫度傳感器方式的直接電纜芯溫監測技術，并且將感溫元件及相關的傳輸部件集成電纜接頭中，不影響電纜接頭的連接和電纜的電氣性能，下文探討一種接觸式測量電纜接頭真實溫度的技術方案。

2.1 方案特點

1）無線無源溫度傳感器直接測溫技術

本文采用電纜芯溫直接測量方法，將溫度傳感器直接接觸線芯感應電纜溫度。由于電氣化鐵道采用27.5kV高壓單芯電纜，為避免使用電纜為溫度傳感器供電和傳送信號，保證供電安全，本文采用無源傳感器進行溫度的檢測及傳輸。安裝于電纜外殼內側的收發天線產生高頻電磁信號，當電磁波到達溫度傳感器時，溫度傳感器對傳過來的電磁波來說是一個特殊的負載，產生后向調制效應。

該調制效應會導致電磁波產生頻率變化，外部的采集器能夠檢測到該頻率變化。內置傳感器由特殊材料制成，根據溫度變化可線性改變自身的物理特性，通過后向調制，線性地改變電磁波頻率。從而，通過頻率的變化，計算出相應的溫度數據。同時采用內置無線無源溫度傳感器與電纜接頭一體化設計，達到絕緣、密封、應力等可靠性最佳匹配，保證測溫性能、絕緣安全、壽命等性能。

2）長距離總線傳輸技術

由于電纜接頭常常處于野外，采集器布置在電纜接頭附近，附近無供電電源，需要遠端供電。本文采用電信行業標準的HYAT通信電纜，在一條電纜中完成遠程供電和數據傳輸，可以掛接多個設備，功耗低，避免了在設備處另外設置電源所帶來的施工、安全等問題，節省了成本。

3）智能化、物聯網技術

隨著在線監測和信息技術的發展，電氣化鐵路對“智慧鐵路”的需求越來越迫切，加快了智能牽引變電站、萬物互聯互通理念的進程。本文基于智能變電站和物聯網相關技術，采用IEC 61850規約、云服務等實現各接口的標準化和信息的實時共享，加快了設備狀態檢修的效率；同時也便于系統的擴展及升級，對電氣化牽引供電的RAMS提供了數據支撐。

2.2 系統方案設計

系統方案充分考慮系統擴容及升級的能力，以適應業務發展和管理的需要?；谥腔坭F路的設計思想，下文基于IEC 61850有線通信及無線傳輸的物聯網技術詳細探討一體化電纜芯溫監測的技術方案。

1）基于IEC 61850有線通信方案

系統可分為3層，即數據采集層、數據收集層、數據評估層，系統架構圖如圖1所示。

（1）數據采集層

數據采集層由采集智能電子設備（intelligent electronic device, IED）、內置溫度傳感器、無線收發天線組成，如圖2所示。內置溫度傳感器采用無源傳感器，緊貼在電纜接頭導體上，將電纜溫度的非電量信號轉化為電量信息，通過無線的傳輸方式，將溫度信息傳送給無線天線。

無線收發天線安裝在絕緣層和屏蔽殼之間，產生高頻電磁信號傳送給溫度傳感器，溫度傳感器從電磁信號獲取能力，導致電磁波的頻率變化，無線天線將導致電磁波頻率變化的溫度信息再傳送給就地安裝在電纜接頭附近的采集IED進行溫度調制。

為了安裝方便、可靠，收發天線和電纜接頭銅殼一體化設計。在銅殼內部，專門做出相應的卡槽，安裝時對準該位置，天線就能緊密固定在銅殼相應位置，并且精確對正內置芯溫傳感器，確保無線信號收發可靠。銅殼上設計有專門出線孔，引出收發天線的電纜，以連接采集器。

圖1 系統架構圖

圖2 內置芯溫測量方案

采集器由總線接口電路、低功耗控制器、儲能電路、芯溫傳感器無線收發信號調制解調電路4部分組成，其結構框圖如圖3所示。

圖3 采集器結構框圖

其中總線接口設置有浪涌防護電路，保護內部設備不受浪涌高壓的損害。采集器總線接口電路完成從電纜傳來的調制信號中提取工作電源和數據的調制解調。芯溫傳感器無線收發信號調制解調電路，完成高頻電磁波的調制和解調，配合內置芯溫傳感器，獲取溫度信號。低功耗單片機完成溫度數據的計算處理。

（2）數據收集層

數據收集層由控制主IED組成。由于接頭沿電纜分布，有可能離牽引變電所很遠，同時，往往附近沒有低壓電源，如何給設備供電并傳輸數據成為問題。針對此問題，本方案中的控制主IED采用HT-LPLD（hyper transport low power low drive）總線技術，集成了直流48V隔離電源，如圖4所示。

控制主IED可接入6根供電和數據傳輸的總線，建議總線采用HYAT通信電纜，每條總線可掛接30個采集IED?？刂浦鱅ED控制總線信號的調制、傳輸和采集器的溫度數據信號收集，并通過IEC 61850-MMS規約向牽引變電所/AT所/分區所的數據監測服務器傳輸溫度信號。

圖4 HT-LPLD總線示意圖

控制主IED集成了電源模塊和6路總線接口電路模塊、嵌入式處理器及相應的數據存儲器，其結構框圖如圖5所示。

電源模塊為處理器、存儲器、總線接口、以太網接口等提供電源。嵌入式處理器及相應數據存儲器用于完成溫度采集控制和數據信息處理。為保證電氣隔離，防止高電壓、浪涌造成損害，采用光纖通過IEC 61850接口與數據評估層進行數據交互。

（3）數據評估層

數據評估層由牽引所/分區所/AT所所內的數據監測服務器、通信裝置、供電段維護系統組成。完成所內及至接觸網所有電纜接頭的溫度信息匯總及評估，為運營檢修人員提供檢修依據。

圖5 控制主IED結構框圖

所內數據監測服務器集成了電纜溫度監測評估軟件，通過IEC 61850-MMS規約與控制主IED通信，獲取電纜接頭的實時溫度信息，并通過監測評估軟件評估電纜的實時狀態，在數據監測服務器上展示評估結果，同時評估信息可通過監測服務器與所內的綜合自動化系統通信，為值班員和檢測人員提供檢修指導依據。

運營檢修人員任務重，無法第一時間通過電腦了解到電纜實時狀態，從而錯過了檢修的最佳時期。隨著云服務技術的發展，本方案在所內數據監測服務器上安裝了云服務功能，可將電纜的實時狀態信息傳送至云端服務器，使檢測人員隨時隨地均可通過手持設備訪問云服務器獲得電纜的實時狀態信息。

2）基于無線傳輸的物聯網方案

隨著云服務、物聯網技術的發展，運營維護單位對電氣化鐵道牽引供電提出了更高的要求，下文根據上述方案，基于大數據分析和智慧鐵路的設計理念，詳細闡述無線傳輸的物聯網技術電纜接頭溫度監測系統，系統采用數據采集層、云數據層、站端層架構方式，架構如圖6所示。

（1）數據采集層

相比較上文基于IEC 61850有線傳輸方案，無線傳輸方案采集IED無法采用HT-LPLD總線供電。本方案中采集IED通過就地安裝在電纜外層的非閉合感應裝置供電，導體測溫傳感器與電纜導體線芯直接接觸，感知和傳輸電纜導體溫度的實時數據信號，原理與基于IEC 61850有線傳輸方案相同。與測溫傳感器配套使用的信號天線外置于電纜接頭絕緣主體外和銅膽內部，溫度信號通過無線傳輸至就地安裝的采集IED后，經過采集器處理后再將溫度信號通過移動基站傳輸至云端服務器。

（2）云數據層

云數據層通過云端服務器接收各采集IED發送的電纜接頭溫度，將溫度信息進行數據儲存，并將監測評估軟件通過Web應用服務器部署在云端。

圖6 基于無線傳輸的物聯網方案架構圖

（3）站端層

運營維護人員通過手持終端、供電段維護系統及所內數據監控服務器等終端設備通過瀏覽器/服務器（B/S）模式訪問云端進行電纜接頭溫度評估信息的查看。

本系統方案采用一體化設計思想，運用物聯網、智能變電站技術，充分考慮了系統擴容及升級的能力，以適應業務發展和管理的需要。同時，開發的數據接口便于數據的實時共享，用戶可根據設備運行收集的數據進行電纜狀態的大數據分析，以進一步完善電纜故障狀態診斷模型，提升電氣化鐵道智能運維水平。

3 結論

電纜接頭是電纜運行中最薄弱、最容易故障的環節，實際運行表明27.5kV電纜接頭正在成為影響電纜供電安全的主要因素。電纜接頭發生事故前，往往出現發熱，加速絕緣老化，最后造成接頭爆炸。因此對電纜接頭進行在線測溫是預防和減少電纜接頭故障的有效手段，是保證鐵路牽引供電系統安全運行的一項重要措施。

本文在總結目前電纜故障監測技術的基礎上，基于一體化和物聯網設計思想，提出了鐵道27.5kV電纜接頭芯溫監測系統，詳細闡述了系統方案，該方案擴展靈活，具有良好的互操作性，可有效預防并減少突發性的電纜事故，為電纜的安全可靠運行提供了理論基礎和技術保障。