電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷帶電診斷裝置的研制

姚舜禹 ，李 銀 ，袁朝暉 ，權(quán)冰杰

（1. 國網(wǎng)河南鄭州供電公司，河南 鄭州 450000; 2. 武漢華威眾科電力有限公司，湖北 武漢 430000）

1 選題理由

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市建設(shè)需要將大量架空輸電線路入地，用電纜線路取代架空線路[1-2]。長距離電纜線路多采用交叉互聯(lián)接地方式，來控制金屬護(hù)層上的感應(yīng)電壓和接地回路的接地電流[3]。在高壓電纜運(yùn)維過程中，根據(jù)Q/GDW 11223—2014《高壓電纜狀態(tài)檢測技術(shù)規(guī)范》，可通過接地電流檢測有效檢出1個(gè)交叉互聯(lián)接地單元是否存在缺陷，但憑借現(xiàn)有技術(shù)手段，無法進(jìn)一步判斷出缺陷的原因和位置。

常見導(dǎo)致交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷的原因包含交叉互聯(lián)箱進(jìn)水、絕緣接頭“羊角”接反、交叉互聯(lián)箱內(nèi)保護(hù)器異常和電纜外護(hù)層破損等，會造成環(huán)流損耗增大，縮短絕緣的使用壽命，降低電纜的載流量，并有進(jìn)一步發(fā)展成為主絕緣故障的危險(xiǎn)，帶來負(fù)面社會影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，針對此類缺陷，當(dāng)前的處理流程至少須要停電10.5 h，這就導(dǎo)致停電線路負(fù)荷長時(shí)間轉(zhuǎn)移到其他線路，電網(wǎng)長時(shí)間承受高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行，降低了供電可靠性。而其中耗時(shí)最長的環(huán)節(jié)是缺陷診斷，至少耗時(shí)6 h，因此亟須縮短電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷診斷時(shí)間。當(dāng)前缺陷診斷主要是通過交叉互聯(lián)箱檢查、同軸接地電纜內(nèi)外芯導(dǎo)通試驗(yàn)、保護(hù)器試驗(yàn)和外護(hù)套試驗(yàn)，除了第一項(xiàng)以外，其他均屬加壓試驗(yàn)，無法帶電完成。而試驗(yàn)的準(zhǔn)備與配合工作非常耗時(shí)，無法進(jìn)行壓縮，因此研制電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷帶電診斷裝置勢在必行。

2 目標(biāo)設(shè)定

研制電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷帶電診斷裝置，在帶電狀態(tài)下通過裝置采集電流數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理判斷，輸出缺陷原因和位置，實(shí)現(xiàn)電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷單元診斷用時(shí)由原本的6 h降為1.5 h以內(nèi)。

3 提出并確定最佳方案

裝置總體方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，先手動在終端診斷軟件輸入電纜交叉互聯(lián)單元的臺賬信息，然后向主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)上傳指令，主機(jī)收到指令后向傳感器發(fā)出采集指令，傳感器采集電纜負(fù)荷電流和接地電流，將采集數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)，主機(jī)進(jìn)行初步處理后，傳輸至終端，利用診斷軟件進(jìn)行診斷并輸出結(jié)果。

通過功能分解，小組成員將裝置分為采集部分、主機(jī)部分和終端部分，其中采集部分包括傳感器和連接接頭，主機(jī)部分包含電源模塊、同步模塊、通信模塊、顯示屏和外殼；終端部分包括終端設(shè)備和編程語言，方案分解系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 方案分解系統(tǒng)圖

從成本、獲取難易程度、可操作性、使用壽命等多維度進(jìn)行分析、測試和對比，對各模塊一一進(jìn)行方案選擇，最終確定了最佳方案，系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 最佳方案系統(tǒng)圖

4 對策制定及實(shí)施

4.1 采集部分制作

首先選購合適的柔性羅氏傳感器。裝置主要針對110 kV和220 kV電纜線路進(jìn)行診斷，目前鄭州地區(qū)采用的110 kV和220 kV電纜最大外徑為152.7 mm，采用的交叉互聯(lián)銅排寬度不超過60 mm，考慮現(xiàn)場安裝方便，給出一定裕度，選用內(nèi)徑為170 mm的柔性羅氏傳感器作為負(fù)荷電流傳感器，內(nèi)徑為80 mm的柔性羅氏傳感器作為接地電流傳感器。鄭州地區(qū)電纜負(fù)荷電流一般不超過1 800 A，接地電流一般不超過400 A，給出一定裕度，結(jié)合市場上羅氏傳感器的規(guī)格，負(fù)荷電流傳感器選擇變比為2000 A/3.3 V，接地電流傳感器選擇變比為500 A/3.3 V。

然后選購合適的工業(yè)電纜航空插頭。根據(jù)傳感器信號傳輸線外徑選擇航空插頭尾端尺寸，同時(shí)為了防止雙通道傳感器與插座誤接，雙通道分別使用公底座、母底座區(qū)分不同的通道。

最后將傳感器和插頭焊接在一起，通過測試，傳感器與插頭焊接后與焊接前輸出信號變化率小于0.1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 主機(jī)部分制作

首先，選購WH-BLE102低功耗藍(lán)牙模塊、3.5英寸DMG48320液晶顯示屏和高性能AD7606-4同步采集芯片，并設(shè)計(jì)單片機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙定制STM32單片機(jī)。

然后，選購LP387098x3S整套封裝的聚合軟包鋰電池，由于前置信號采集處理的變送器在電壓不穩(wěn)定情況下信號存在波動，為保證采集的穩(wěn)定性，加裝了2412S-TDN30穩(wěn)壓模塊。對主機(jī)內(nèi)部各模塊進(jìn)行組裝，然后按照圖4所示邏輯進(jìn)行編程。

圖4 主機(jī)邏輯處理流程圖

最后選購合適的外殼，進(jìn)行打孔加工，完成整個(gè)主機(jī)的組裝。

4.3 終端部分制作

選購合適的平板電腦，然后進(jìn)行電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷帶電診斷軟件的編制。 軟件包含以下6個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊的功能說明如下：

（1） 線路臺賬信息管理功能，可創(chuàng)建線路，錄入線路交叉互聯(lián)的單元各個(gè)接頭的接地箱位置、接地方式和每段電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)、敷設(shè)參數(shù)等；

（2） 數(shù)據(jù)錄入功能，可通過藍(lán)牙與采集部分進(jìn)行連接，接收采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存；

（3） 缺陷分析功能，嵌入精確模型算法，快速對可能的缺陷類型進(jìn)行分析比對，實(shí)時(shí)診斷交叉互聯(lián)段缺陷類型及缺陷位置；

（4） 可一鍵生成檢測報(bào)告；

（5） 可查看本地共享數(shù)據(jù)庫中各線路的歷史檢測數(shù)據(jù)；

（6） 數(shù)據(jù)交互功能，藍(lán)牙設(shè)置和連接，用戶權(quán)限等。

軟件設(shè)計(jì)框架如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)框架圖

缺陷診斷邏輯分為4步。

（1） 異常數(shù)據(jù)分析。根據(jù)目前已有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定異常數(shù)據(jù)判定邏輯，判定是否存在異常或缺陷：

單相接地電流數(shù)值與50 A和100 A進(jìn)行比較，判定是否存在異常或缺陷；

將單相接地電流數(shù)值與電纜負(fù)荷電流的比值與20%和50%進(jìn)行比較，判定是否存在異?；蛉毕?。

將同一組接頭的三相接地電流最大值、最小值的比值與3和5進(jìn)行比較，判定是否存在異?；蛉毕?；

（2） 進(jìn)行單點(diǎn)缺陷判斷，判斷是否存在保護(hù)器異常缺陷或者交叉互聯(lián)箱進(jìn)水。對于交叉互聯(lián)箱，出線接地電流不應(yīng)超過2 A，如果超過2 A，判定該交叉互聯(lián)箱中保護(hù)器異?；蚪徊婊ヂ?lián)進(jìn)水。

（3） 進(jìn)行單段缺陷診斷。在第（1）步判斷存在異?；蛉毕莸幕A(chǔ)上，比較一段電纜首端和末端接地電流（折算到同一負(fù)荷電流下），如果差異超過30%，則判定該段電纜存在外護(hù)套破損缺陷。

（4） 交叉互聯(lián)段綜合缺陷判斷。在第（1）步判斷存在異?；蛉毕莸幕A(chǔ)上，利用算法模型計(jì)算46種常見缺陷情況下的接地環(huán)流值，與實(shí)測環(huán)流值進(jìn)行比對，判斷缺陷原因和位置。

4.4 整體功能聯(lián)調(diào)測試

將2個(gè)傳感器與主機(jī)相連接，主機(jī)與平板電腦通過藍(lán)牙相連接。整個(gè)裝置組裝圖如圖6所示。

圖6 裝置組裝圖

通過測試，裝置電流采集誤差小于1%，缺陷診斷結(jié)果與實(shí)際案例情況相符，藍(lán)牙傳輸測試在10 m以內(nèi)信號傳輸正常，數(shù)據(jù)傳輸正確率為100%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 效果檢查

5.1 目標(biāo)檢查

應(yīng)用裝置對20條電纜線路（包含58個(gè)交叉互聯(lián)單元）進(jìn)行了交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷帶電診斷，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，單元診斷用時(shí)最大值為0.95 h，低于目標(biāo)值1.5 h，并且診斷結(jié)果準(zhǔn)確，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

5.2 效益檢查

5.2.1 安全效益

電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷帶電診斷裝置研制成功后，解決了無法帶電診斷電纜交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷的問題，避免缺陷因停電時(shí)間限制無法及時(shí)除缺的情況，保證了電纜線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2.2 社會效益

該裝置的應(yīng)用縮短了停電時(shí)間，提高了線路供電可靠性，有效提升了公司的創(chuàng)新標(biāo)桿形象，增加了社會滿意度。

5.2.3 管理效益

該裝置實(shí)現(xiàn)了交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷的帶電診斷，代替了原本的停電診斷，提高了輸電電纜精益化運(yùn)檢的程度。

5.2.4 經(jīng)濟(jì)效益

實(shí)現(xiàn)了交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)缺陷的帶電診斷后，省去了停電診斷的時(shí)間，大大縮短了停電時(shí)間，節(jié)約了大量人力和時(shí)間成本。確保除缺的及時(shí)性，防止電纜線路被迫帶缺陷運(yùn)行帶來的損耗增加、載流量降低以及絕緣壽命的縮短，避免缺陷進(jìn)一步發(fā)展成為主絕緣故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。