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摘要：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常管理工作带来困难，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性能的中心频率为300MHz的数据采集卡、工作频率为500kHz～80MHz的高频宽带传感器、放大器对电缆的温度、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：电缆隧道；巡检机器人；运用
引言
电缆绝缘老化会导致局部放电，局部放电检测被认为是检测绝缘缺陷发展的最有效的手段。目前，隧道内电缆的局部放电检测工作主要由人工完成，采用人工形式进行隧道内电缆的局部放电检测，往往面临着诸多的局限性。例如隧道内空间较为狭窄、可能存在有害气体，特别是有疑似局部放电的接头，测量时一旦接头出现故障而爆炸，甚至会导致事故。
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，如图1所示。
图2 分布式光纤温度传感器的工作原理
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。
2、局放仪全程自动检测问题及其解决方法
机器人背负式局放仪需要在没有检测人员干预的情况下完成隧道内电缆局放检测工作，局放仪必须具备自动检测功能。具体包括:局放采集单元和测量软件数据传输通道的自动连接、数据自动录制、频率自动切换及对检测到信号进行智能局放判断等。
2.1、数据传输方式问题及解决方法
大部分局放仪通过USB接口进行数据传输，USB接口具有使用方便，连接灵活，独立供电等优点。但是对机器人来说，要连接USB数据线非常困难。因此USB数据传输方式不适用于机器人背负式局放仪的应用场景。
在进行结构设计的同时，将机器人背负式局放仪分为主机模块和前端采集模块2个部分，之间通过Wi-Fi网络通信，使得测量主机和局放前端采集箱之间具备了自动连接的能力。
安装局放仪之前，先手动将测量主机连接到局放采集箱的Wi-Fi。机器人进行自主巡检的时候，通过自主导航系统行走到局放检测点时测量主机会自动连接局放采集箱的Wi-Fi网络，局放检测随即正式开始。
2.2、数据自动录制问题及其解决方法
局放仪全程进行自动检测，有时也需要专业人员对采集到的数据进行详细分析。因此，需要将每个局放检测点的局放数据保存起来，等到机器人将整条隧道巡检完毕之后，专业人员通过局放测量软件对保存的局放数据进行分析，得出更加准确的结论。
具体做法如下:测量软件检测到采集单元上线之后，立即启动自动录像功能，并将实时的状态以及错误信息上报至机器人。上报状态是为了让机器人了解到它给局放采集箱供电是否成功，以及当前检测是否完成，以便在完成检测之后自动巡航到下一个检测点。上报错误信息是为了让用户第一时间了解到系统存在的问题，以便采取相应的补救措施。
正常状态主要包括系统启动正常，建立连接成功，采集单元上线和数据采集完成。错误状态主要包括传输单元未上线，采集单元未上线，未检测到同步信号，磁盘空间不足和未检测到移动硬盘。
2.3、智能局部放电自动判断问题及解决方法
为了真正实现“无人化”局部放电检测，要求局放仪具备一定的信号智能判断能力，对检测到的信号可以自行进行分析，给出有无检测到放电信号的结论，同时，对检测到的信号类型及检测结果可靠性做一个分级评估。
首先对之前检测到的大量局部放电相位谱图进行了“机器学习”，建立了“检测到的信号是否为背景噪声”的BP神经网络。网络生成之后，同样进行了大量的实测验证，准确率达到了96.7%。对于上述神经网络判断为非背景噪声的信号，基于检测到的相位谱图，经过17值自动设置及移相处理，提取相位相关性、放电重复率、极性及谱图轮廓等特征值，同样通过对大量实测信号的学习，完成检测信号的放电类型及可信度分级评估(可信度按照5级进行设定，等级越高，检测到放电信号的可行度越大)。
结束语
通过分析上述济南市某隧道巡检机器人电缆故障监测实验结果可知，分布式光纤温度传感器具有操作简单、精度高的优点，通过隧道电缆表面温度变化情况与实际不同电缆的载流量时的表面温度变化情况比对发现，利用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表面温度随时间的变化趋势，能够实现隧道电缆故障的实时监测和抢修工作，给建立起隧道电缆企业安全生产管理新渠道奠定了基础，对提供隧道电力供电质量具有重要意义。
参考文献：
[1] 姜涛,葛少伟,李德泉,牟泽刚,孟庆瑞.电缆隧道巡检机器人行走机构的仿真研究[J].自动化与仪器仪表,2018(12):68-71.
[2] 黄超艺,李天友.电网企业机器人研发应用现状与展望[J].电气应用,2018,37(23):21-28.
[3] 高亮.电力电缆隧道结构常见病害分类及防治[J].居业,2018(11):128+130.
[4] 刘作鹏,王君杰,吴琼,姜涛,王大雷,鞠振兴.电力电缆隧道自动巡检机器人设计[J].城市建设理论研究(电子版),2018(26):6.
[5] 刘国伟,宋屹峰,吕鹏,朱正国.面向超容电缆沟巡检的机器人的设计与分析[J].机械设计与制造,2018(S1):143-146
论文作者:陈超,魏亚军,王丽
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/8/28
标签：隧道论文; 电缆论文; 机器人论文; 济南市论文; 检测到论文; 信号论文; 局部论文; 《防护工程》2019年11期论文;