济南市隧道巡检机器人电缆故障监测方法分析

科技通报

Vol．35No．4Apr．2019

BULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGY

济南市隧道巡检机器人电缆故障监测方法分析

姜

摘

涛，葛少伟，李德泉，牟泽刚，孟庆瑞

（国网济南供电公司，山东济南250000）

要：针对当前监测方法无法直观地反映出隧道电缆表面温度随时间的变化情况，给隧道电缆的运行维护与日

提出一种基于分布式光学温度传感器的电缆故障监测方法。以济南市为例，详细设计隧道常管理工作带来困难，

巡检机器人控制系统的控制单元、各功能单元、电源电路与驱动程序，完善系统的整体控制框架；其中，隧道巡检机器人电缆故障监测装置的光路设计部分采用拉曼分布式光纤温度传感器作为基本结构，同时选择具有较强抗干扰工作频率为500kHz～80MHz的高频宽带传感器、放大器对电缆的温性能的中心频率为300MHz的数据采集卡、

度、电缆外部绝缘破坏程度、应力应变以及局部放电进行监测。实验结果表明，所提方法非常适用于济南市隧道电缆故障的监测与抢修，能够准确的反映出隧道电缆表面温度随时间的变化情况，对提高隧道电力系统供电质量具有重要意义。

关键词：济南市；隧道；巡检机器人；故障；监测中图分类号：TM247

文献标识码：A

文章编号：1001－7119（2019）04－0069－05

DOI：10.13774/j．cnki．kjtb．2019.04.012

AnalysisofMonitoringMethodsforCableFaultsofTunnelInspectionRobotsinJinanCity

JiangTao，GeShaowei，LiDequan，MuZegang，MengQingrui（StateGridJinanPowerCompany，Ji’nan250000，China）

Abstract：Inviewofthecurrentmonitoringmethodscannotdirectlyreflectthechangesinthetemperatureofthetunnelcablesurfacewithtime，itbringsdifficultiestotheoperationandmaintenanceofthetunnelcableandthedailymanagement，andproposesacablefaultmonitoringmethodbasedonthedistributedopticaltemperaturesensor．TakingJi＇nanasanexample，thecontrolunit，functionunit，powercircuitanddriverofthecontrolsystemofthetunnelinspectionrobotaredesignedindetail，andtheoverallcontrolframeofthesystemisperfected．Atthesametime，adataacquisitioncardwithacentralfrequencyof300MHzwithstronganti-interferenceperformance，ahighfrequencybroadbandsensorwithafrequencyof500kHz～80Mhz，thetemperatureofthecable，thedamagedegreeofthecableexternalinsulation，thestressstrainandthepartialdischargearemonitored．TheexperimentalresultsshowthattheproposedmethodisverysuitableforthemonitoringandrepairofthecablefaultinJi＇nantunnel．Itcanaccuratelyreflectthechangeofthetemperatureofthetunnelcablesurfacewithtime，andisofgreatsignificancetoimprovethepowersupplyqualityofthetunnelpowersystem．Keywords：Jinancity；tunnel；inspectionrobot；malfunction；monitor

收稿日期：2018－05－18

作者简介：姜涛（1982－），男，山东济南人，本科，高级技师，主要研究领域为电力系统、电力电缆。

70科技通报第35卷

网络信息技术与人工智能技术的发展有效的推

动了机器人技术的进步。在各类机器人中，工业机器人应用时间较早，

其发展也较为完善，在汽车零件装配与制造等行业得到了广泛应用［1］

。

由于大部分电缆需要铺设于电缆沟中，电缆沟

内空间较为狭窄，

当遇上夏季高温，气体环境较为恶劣，

工作人员在进行隧道电缆故障检测时需要携带有毒气体测定仪、

红外测温仪、照明设备以及图像采集设备等多种工具，

维修人员在进行电缆抢修时费时费力，

且由于高温等危险因素无法第一时间处理，不仅会造成不可估量的经济损失，还可能引起巨大

的社会影响。针对上述问题，目前主要的方法有直流叠加法和直流分量法两种

［2］

，这两种方法的提出

和投入使用对由于隧道电缆过热引起的火灾等紧急突发状况具有较好的预警能力，

在一定时期为济南市隧道电力系统供电安全提供了有力保障，

但这两种方法受电磁干扰等影响严重，

无法较好地反映出隧道电缆表面温度随时间的变化趋势，

在大规模隧道电缆故障监测工作中有局限性。因此，

提出一种基于分布式光学温度传感器的电缆故障监测方法，

取得了良好的结果。

1济南市隧道巡检机器人电缆故障监测方法研究

1.1济南市隧道巡检机器人控制系统设计

控制系统设计的优劣直接影响济南市隧道巡检机器人是否能顺利完成电缆故障监测任务。在济南市隧道巡检机器人功能设计中提出了巡检机器人实现电缆故障监测所要实现的功能。针对这些功能，详细设计了济南市隧道巡检机器人控制系统的控制

单元、

各功能单元、电源电路与驱动程序，完成了整个控制系统框架设计

［3］

，如图1所示。

图1

济南市隧道巡检机器人控制系统框架Fig．1

Frameworkoftheinspectionrobot

controlsystemfortunnelsinJinanCity

从图1中可以看出济南市隧道巡检机器人控制系统主要包括隧道巡检机器人手持终端系统和本体

系统两大部分。隧道巡检机器人本体系统是整个控制系统的核心，

设计时采用STM32F103芯片，通过对济电源、

WIFI单元、图像采集单元以及运动控制单元的控制南市隧道巡检机器人行走和电缆故障监测［4］

。1.2

济南市隧道巡检机器人电缆故障监测方法（1）电缆的应力应变和温度监测

分布式光纤温度传感器是一种测距范围能够达

到几千米甚至是几十千米，

测量精度能够达到米的传感器，

它同时能够实现不间断自动测量，特别适合用于电缆故障监测。此传感器具有较强的抗电磁干扰性能，

耐腐蚀性、体积轻小、可弯曲，是一种电绝缘体，

可以通过安置在上述设计的隧道巡检机器人控制系统中对电缆温度、应力应变场分布进行实时测量［5］

。分布式光纤温度传感器的工作原理如图2所示。

图2分布式光纤温度传感器的工作原理

Fig．2

Principleofdistributedopticalfibertemperaturesensor

从图2中可以看出，激光脉冲入射到传感光纤中，

在光传播过程中与光纤分子发生相互作用产生了拉曼散射光、

布里渊散射光和瑞利散射光3种散射光。利用计算机和软件对这3种散射光分析即可实现电缆应力应变和温度的高精度实时监测

［6］

。

（2）电缆外部绝缘破坏以及局部放电监测目前济南市隧道巡检机器人在电缆外部绝缘以

及局部放电长距离监测方面成功的案例较少，tanδ监测方法是现有的相对比较成熟的技术，但是该方法只能预测隧道电缆外部绝缘的整体损毁和整体受

潮大体情况，对于局部绝缘体损毁以及局部放电监测的灵敏度并不高

［7］

；在电缆温度监测方面通常采

用负荷预测和局部电缆过热故障预测的方式，

如果发生故障的电缆正处于运行状态，

会出现局部放电现象，

若电缆长期处于局部放电则会引发电缆过早老化，

甚至会导致电缆外部绝缘体发生大面积损毁，当电缆外部绝缘体内部发生局部放电现象时，局部激光脉冲由于电缆导体线芯会与电缆接地线上产生

第4期姜涛等．济南市隧道巡检机器人电缆故障监测方法分析71

的脉冲极性相反从局部放电点同时向两个方向传

播，

传播示意图如图3（a）所示。从图3（a）中可以看出，

到达测量端的第一个激光脉冲信号是直接传播到该端的，

称为直达脉冲，用于电缆局部放电源定位的激光脉冲是沿反方向传播并在远程控制端反射

的激光脉冲信号，

称为反射脉冲。如图3（b）所示，给出了济南市隧道巡检机器人控制系统手持终端中

装置的距离探测传感器1m的局部放电脉冲信号频谱波形，

由此可以看出，设计的隧道巡检机器人局部放电监测传感器需要具有较宽的工作频率带宽、较高的稳定性、

线性度、瞬态响应以及较小的失真等特点。除此之外，

随着电缆中局部放电点数目的增多，局部放电脉冲信号受电磁干扰和光衰减严重，选择

具有较强抗干扰性能的中心频率为300MHz的数据采集卡以及工作频率为500kHz～80MHz的高频

宽带传感器、放大器进行电缆外部绝缘破坏以及局部放电监测。

图3

电缆绝缘内局部放电脉冲信号及其频谱Fig．3

Partialdischargepulsesignalanditsfrequencyspectrumincableinsulation

（3）隧道巡检机器人电缆故障监测装置设计隧道巡检机器人电缆故障监测装置的光路设计采用上述拉曼分布式光纤温度传感器作为基本结

构。该装置在整个电缆故障监测过程中承担电缆导体线芯温度实时测量的任务，

以及电缆导体线性温度与负荷模拟计算的判断依据。

通过利用光时域反射技术实现对隧道电缆导体

线芯温度异常点的空间定位，

当高功率激光脉冲在光纤中传输时，

光纤时域里入射光由于散射作用会有一部分返回光纤入射器，

返回耗时设为t，里程设为2L，入射光在光纤中的传播速度设为V，则可得：

2L=V·t（1）V=c/n

（2）

式中，

c表示入射光在真空环境下的传播速度；n表示入射光的折射率。

其中，光路单元模块是整个隧道巡检机器人电

缆故障监测装置的核心，

由半导体激光器、分光元件、

激光探测器等构成。其工作原理是：半导体激光器发出高功率激光脉冲信号景观分光元件后进入光

纤传感器，

在光传输过程中由于散射作用和电磁干扰以及衰减等因素影响产生3种散射光，

光纤探测器接收到3种散射光后经过工作频率为500kHz～80MHz的高频宽带传感器、放大器后，由中心频率为300MHz的数据采集卡进行数据采集，

交由电缆温度监测服务器，经过分析和计算后决定是否发出警报。

2济南市隧道巡检机器人电缆故障监

测试验分析

2.1

电缆故障监测试验基本情况

为了验证提出一种基于分布式光学温度传感器

的电缆故障监测方法的实际应用性能，

对2017年济南市新开发并投入使用的某条隧道电缆进行了故障

监测试验。试验中为了尽可能实现隧道巡检机器人对每项电缆接头进行故障监测的目的，

采用跨越布置的方式，

如图4所示，给出了分布式光纤温度传感器在隧道电缆上的安装图。

图4分布式光纤温度传感器在隧道

电缆上的安装图

Fig．4

Installationofadistributedfiberoptictemperaturesensoronatunnelcable

2.2电缆故障监测结果分析

通常情况下隧道电缆发热主要来自以下两个方

面。一方面是隧道电缆本身运行过程中的正常发

热；另一方面是电缆交叉互联箱进水后造成电缆内

72科技通报第35卷

热量积聚无法及时散出，导致隧道电缆局部温度持

续升高，

从而导致局部放电情况的发生。将分布式温度传感器装置测量得到的电缆线路温度进行初步分析，

绘制成如图5所示的电缆线路温度变化曲线图。图中，

横坐标表示电缆距离，单位是米；纵坐标表示电缆温度，

单位是摄氏度。电缆温度测量当日室外气温为2℃～6℃，

小雨。图5隧道电缆回路1全程温度变化曲线Fig．5

Fulltemperaturevariationcurveof

tunnelcableloop1

（1）隧道电缆回路1全程温度监测结果分析

将图5反映出的隧道电缆回路1全程温度变化情况与实际上隧道中不同电缆载流量时的温度变化

情况进行了比对，

比对结果显示，基于分布式光学温度传感器的电缆故障监测方法能够较好地反映出隧

道电缆温度随时间的变化情况，

在试验测量过程中，在该隧道电缆铺设距离为100～600m段温度曲线中发现了四个温度低点，

如图6所示。经现场勘测发现，

这四个温度低点的形成原因是电缆互联箱进水导致的。

图6隧道电缆监测过程中的四个低温位置点Fig．6

Fourcryogeniclocationsinthetunnelcablemonitoringprocess

（2）隧道电缆回路2全程温度监测结果分析

根据图7绘制的隧道电缆回路2全程温度变化曲线可以看出，

在该段电缆铺设的3400～3500m处发现了一处低温位置点，

经过现场勘测发现，该位置处的电缆属井盖被打开，

电缆完全暴露在空气中呈现悬空状态，

此时分布式光纤温度传感器装置采集到的温度数据为环境温度；在隧道电缆将近3000m

图7隧道电缆回路2全程温度变化曲线Fig．7

Wholetemperaturechangecurveof

tunnelcableloop2

的位置处出现一个小尖峰，虽然测量得到该位置点

的电缆绝对温度并不很高，但可以初步判定为隐患故障点，

应该加以重点监测。图8隧道巡检机器人电缆温度变化曲线Fig．8

Temperaturevariationcurveofrobotcableintunnelinspection

图8绘制了济南市某隧道一次电缆故障抢修过

程中的短期温度变化曲线，

监测时间为2017年3月4日10点到2017年3月5日10点。为了方便分

析，将整个电缆温度变化时程曲线划分为以下几个区段：

①区段1：2017年3月4日10点～12点，由于

对电缆互联箱进行了抽水处理，

电缆温度从报警时的55℃降低到35℃。

②区段2：2017年3月4日12点～13点，电缆温度从35℃降至29℃；

③区段3：2017年3月4日13点～14点，电缆温度从29℃回升至32℃；

④区段4：2017年3月4日14点～18点，由于

对电缆互联箱进行了抽水处理以及间断行通风，电缆温度在31℃左右小幅度波动；

⑤区段5：2017年3月4日18点～3月5日2点，电缆接头井夜间关闭，电缆温度持续上升，至3月5日2点电缆温度稳定在46℃；

⑥区段6：2017年3月5日2点～8点，由于对接头井进行了强制持续通风降温处理，使得电缆温度从夜间的46℃高温降至28℃的正常值；

第4期姜涛等．济南市隧道巡检机器人电缆故障监测方法分析73

⑦区段7：2017年3月5日8点之后，济南市该

此时即可隧道电缆表面温度基本稳定在28℃左右，接收电缆故障抢修工作。

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3结论

通过分析上述济南市某隧道巡检机器人电缆故

分布式光纤温度传感器具有障监测实验结果可知，

精度高的优点，通过隧道电缆表面温度变操作简单、

化情况与实际不同电缆的载流量时的表面温度变化

利用基于分布式光学温度传感器的情况比对发现，

电缆故障监测方法能够较好地反映出隧道电缆表面

能够实现隧道电缆故障的温度随时间的变化趋势，

给建立起隧道电缆企业安全实时监测和抢修工作，

对提供隧道电力供电生产管理新渠道奠定了基础，质量具有重要意义。参考文献：

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