5G通信工程电缆耐热外皮运行状态监测技术

马赛

（九江职业技术学院，江西 九江 332007）

0 引 言

通信技术的广泛应用推动了各行各业的快速发展，通信电缆作为通信的基础设施分布越来越广泛，组成也越来越复杂，在通信电缆的使用过程中，经常会因过载而引起电缆过热，导致电缆运行故障，甚至引发火灾。相关研究人员为了避免电缆过热故障而为通信电缆安装耐热外皮，常见的耐热外皮属于绝缘装置，虽然能有效地避免电缆接触热故障，但使用过程中容易出现老化的问题，导致电缆性能下降，进而引发某些严重的故障，因此需要及时监测电缆绝缘外皮的运行状况，保证通信工程安全。

随着通信技术的发展，5G 通信工程建设得越来越完善，有效地提升了基础通信速率，可以很好地满足用户高速率、低延时的需求。5G 通信工程电缆数量十分庞大，一旦某一条电缆出现过热故障很容易导致通信异常，造成严重的经济损失。传统的电缆耐热外皮运行状态监测只是通过简单的温度传感器来实现，数据传播处理速度较慢，且敏感性较低，经常无法识别微小的温度变化，对保证通信电缆安全十分不利，因此本文结合5G 通信工程电缆运行现状，设计了一种通信电缆耐热外皮运行状态监测技术。

1 5G 通信工程电缆耐热外皮运行状态监测技术设计

1.1 采集5G 通信工程电缆耐热外皮运行参数

通信电缆的耐热外皮运行参数与其运行状态监测有直接关系，因此在进行电缆耐热外皮运行监测前，首先需要采集通信工程电缆耐热外皮参数，当通信电缆内部有电流经过时，很容易出现功率损耗，这些功率损耗会以热能的形式反馈出来，因此需要先采集电缆耐热外皮的温度梯度参数，本文设计的技术首先根据电缆的几何参数计算电缆的轴向热，再结合电缆材料热损耗设计电缆耐热外皮运行参数的采集计算式。

其中，代表电缆耐热外皮运行参数，代表表皮电阻，代表内部电阻，代表损耗系数，代表耐热外皮温度，使用该采集计算式进行采集时可能会出现电缆载流量不稳定的问题，此时可以进一步计算标准电缆耐热外皮热损耗，以保证采集参数的准确性。

首先设定标准导体电阻数值，根据目前的导体电流选取合适的温度系数，此时计算的标准温度系数受实际损耗的影响存在一定的误差，为了避免此误差给实际参数采集造成影响，设计了损耗的计算式。

其中，代表对地电压，代表综合损耗，在计算出正确的损耗后可以使用有限元分析法构建电缆温度场，保证参数的有效性。

本文选取Maxwell 有限元软件完成参数采集分析，该软件能有效地识别流体数据和磁场数据，实现信息高效转化，因此本文将其与ANSYS 结合，进行参数选取和参数分析。使用ANSYSWorkbench15.0 搭建参数采集界面，结合参数的种类和数量设计参数选取流程，将5G 通信工程电缆划分为不同的网格结构。经过分析可知，稳态时的电缆温度变化较小，因此需要借助所搭建的采集分析框架来判断电缆的实际状态，从而从根本上保证采集数据的可靠性。为了增加数据的直观性，本文设计的技术使用IEC-60287 作为定义标准来完成参数监测，确保每一个参数都在标准的使用范围内。

1.2 构建通信工程电缆耐热外皮运行状态监测模型

根据选取的电缆耐热外皮运行参数实现状态监测模型的精细化设计，保证运行状态监测的敏感性。经过研究发现，5G通信电缆主要由几个不同的部分组成，内部会形成一个不稳定的温度场，该温度场受热辐射等多种综合作用影响，本文结合电缆耐热外皮状态影响因素设计了模型的假设条件。

第一个条件是保证电缆长度无限大，较远端可以用一维模型来代替；第二个条件，保证电缆组成材料的热稳定性，使其不随温度的改变而改变；第三个条件，假设电缆之间无隔离热阻，根据上述假设条件构建电缆耐热外皮运行状态监测模型，公式为：

其中，d代表电缆耐热外皮运行状态监测模型，代表电缆横截面积，d代表热流系数。为了保证该模型的监测效果，在使用之前需要检测热效应影响，将实际电缆运行温度划分为10 种不同的档次，进行综合检测，检测数值均为正数，分别为：0.125、0.136、0.145、0.112、0.112、0.169、0.164、0.137、0.178、0.204，这也证明了上述模型具有稳定性，可以有效地完成通信电缆外皮耐热监测。

在电缆耐热外皮受热时，其内部的热流变化始终遵循热力学定律，因此可以将单位时间内产生的热流总量与实际热流产生量进行比对，若单位时间内产生的热流总量较高，证明此时的耐热外皮存在性能下降问题，反之则证明耐热外皮状态良好。

电缆耐热外皮性能一般可以用常规的热流方程来表示，假设电缆处于初级绝缘层状态，此时可以分别计算释放热流和吸收热流总量，整合成标准表达式，结合傅立叶定律绘制电缆绝缘外皮受热图，如图1所示。

图1 电缆绝缘外皮受热图

由图1可知，电缆绝缘外皮受热呈中心性变化，因此在监测时需要结合稳态热流场的状态及时改变监测参数，避免出现监测误差。可以根据电缆耐热外皮的状态变化方程设计有效的电缆监测电路，该电路需要具有无介质损耗的绝缘点，保证热流传递到绝缘层的损耗最低，还可以将绝缘层划分为两个部分，以避免导热热阻对监测结果造成影响。

1.3 设计电缆耐热外皮运行状态监测算法

实现5G 通信工程电缆耐热外皮运行状态监测的最后一步是设计电缆耐热外皮运行状态监测算法，该算法也是整个监测的核心所在，影响实际监测敏感度。电缆耐热外皮温度与其参数特征信息有很大的关联性，在实际通信电缆工作过程中，存在环境复杂、介质特性不一的问题，因此为了降低环境信息对状态监测的影响，本文设计了电缆耐热外皮运行状态监测粒子群算法，公式为：

其中，代表电缆耐热外皮粒子初始状态系数，代表综合监测数值，代表外界温度，代表外皮温度损耗，代表状态监测时间，代表温度流体运动参数，该算法不但能计算恒定影响因素对电缆耐热外皮的影响，而且还能计算非恒定因素对电缆耐热外皮的影响，且该算法在计算时可以忽略电缆散热误差，从而降低状态监测的难度。

面对不稳定的通信电流，需要借助暂态电流的作用来判断稳态电流的实际大小，经过计算可知，电缆耐热外皮的负荷电流一直在不断地变化，因此可以绘制负荷电流变化曲线，判断此时存在的离散参数，保证电流幅值的稳定。假设在状态监测过程中通信工程电缆耐热外皮处于稳定状态，可以根据电缆稳态原则计算媒质热阻的具体数值，判断电缆耐热外皮的具体温度，如果在监测过程中出现了外皮温升现象，需要根据电流的实际变化计算阶跃热流，再结合叠加定理计算外皮温度的具体增加数值。本文设计的技术为了尽量提高5G通信工程电缆耐热外皮的监测有效性，使用了热特性稳态电路，该电路可以排除电缆内部材料和媒质参数对监测结果造成的影响，保证实际电容不变，最大限度地提高监测准确性。

2 实验

为了检验本文设计的5G 通信工程电缆耐热外皮运行状态监测技术的监测效果，将其与传统的电缆耐热外皮运行状态监测技术进行对比。

2.1 实验准备

本实验选取型号为YJV22-8.7/15-3×240 的通信电缆作为实验电缆，将其划分成10 个不同段进行监测，并设置了通信电缆段编号，监测其耐热外皮的运行状态。为了保证实验的精确度，本文使用热媒介特性验算法计算不同编号电缆的热阻参数和热容系数，相关参数如表1所示。

由表1可知，不同段电缆的参数存在基础性差异，证明划分的电缆符合实验要求。将上述电缆与某导体相连，设计一个闭合的测试回路。为了保证测温的准确性，在实验区域设置了敏感度较高的热电偶，保证每两个测温点之间的距离大于0.5 m，此时可以不断记录电缆外皮的温度，判断温度差值区间，绘制时间温度曲线，如图2所示。

表1 电缆参数

图2 时间温度曲线

由图2可知，随着时间的增加，热电偶监测的温度逐渐到达峰值，之后又逐渐下降，符合实验稳定性要求，可以进行后续的通信电缆耐热外皮运行状态监测实验。

为了提高监测精准度，本文选取了MATLAB 平台，设计了测试优化程序，首先选取测试范围，将标准的电缆外皮温度数值及临界数值输入到程序中，此时可以得到稳定状态下的电缆温度场参数，保证电缆内部热阻不变，结合电缆的运行状态设计媒质热阻的计算式。

其中，代表电缆耐热外皮温度，代表外界环境温度，代表基础稳态温度，逐个计算上述电缆的媒质热阻，构建通信电缆运行状态监测模型，确保其他运行参数稳定。

通信工程电缆在使用过程中存在一定的电流变化，可能会产生变化的温度场，为了避免该温度场对后续实验造成影响，本文使用了IEC 准则，在COMSOL Multiphysics 检测中心估算各个工程电缆的基础电容，再使用有限元分析法分析电缆的热性参数，确保测试电缆周围负荷与实际电缆运行负荷一致。在一定周期内可能会出现影响环境温度的基础电流，这些基础电流会从电缆外皮传输至电缆内部，严重降低电缆运行的安全性。为了降低实验风险，本文在测试之前计算了初始电缆外皮基础电流量，在实验过程中，始终利用敷设回路监测具体的基础电流数值，一旦该数值出现明显的变化则需立即终止实验，避免因电流对电缆内部的冲击而诱发实验安全性问题。

2.2 实验结果与讨论

在上述实验准备的基础上进行后续的通信工程电缆耐热外皮运行状态监测，已知电缆外皮温度高于55 度为告警状态，此时分别使用本文设计的通信工程电缆耐热外皮运行状态监测技术和传统的电缆耐热外皮运行状态监测技术进行监测，记录不同段电缆敏感温度变化下两者的告警结果，如表2所示。

表2 实验结果

由表2可知，本文设计的5G 通信工程电缆耐热外皮运行状态监测技术能够准确识别温度变化，及时发出告警，而传统的电缆耐热外皮运行状态监测技术仅能在温度差值较高时发出告警。

3 结 论

综上所述，随着通信技术的发展，我国通信领域铺设的通信电缆的种类和数量都在不断增加，分布也越来越复杂，在使用过程中很容易产生过热效应，导致运行异常，甚至带来运行安全风险，因此急需进行运行状态监测。传统电缆耐热外皮运行状态监测技术的敏感性较低，无法实现有效的监测，因此本文设计一种通信工程电缆耐热外皮运行状态监测技术，实验结果表明，本文设计的电缆耐热外皮运行状态监测技术的监测敏感性较高，监测效果较好，有一定的应用价值，可以作为后续5G 通信工程电缆故障监测的参考。