穿墻套管支撐板過溫研究及檢測裝置研制

國網江西省電力有限公司九江供電分公司 鄒光濤 周 皓 盧 敏 余 斐 黃 彪

天津大學 鄒宛銘 電子科技大學 張震霆

高壓穿墻套管廣泛應用于電力系統中，在導電部分穿過墻壁或其他接地物時起到絕緣和支撐作用，根據材質可分為干式電容型穿墻套管和瓷絕緣穿墻套管。由于穿墻套管導體部分流過交變大電流，會在其金屬固定底板上產生渦流損耗造成局部過熱，當溫度超過穿墻套管絕緣材料耐受極限時易造成擊穿，發生接地、短路等安全事故[1]。主變低壓側穿墻套管通過大電流時，因電磁感應在金屬固定底板上產生渦流造成局部過熱，當溫度超過穿墻套管絕緣材料耐受極限時易造成擊穿，發生接地、短路等安全事故。針對底板嚴重發熱問題常采取底板開槽補銅、金屬法蘭開槽、用低磁導率材料重新制作底板、安裝永磁體陣列等方式進行處理，但其處理效果無法在停電狀態下得到驗證。

為了抑制支撐底板內的渦流損耗引起的過熱，常采取底板開槽補銅、金屬法蘭開槽、用低磁導率材料重新制作底板、安裝永磁體陣列等方式進行處理[2]。無論哪種處理方式，其實際效果均難以在停電狀態下得到驗證，因處理不到位需要重復停電進行優化的情形時有發生，因此研究一種即時檢驗處理效果的方法十分必要。

1 理論及實踐依據

根據法拉第電磁感應定律交變電流通過導線時，會在導線周圍產生交變的磁場，處于交變磁場中的介質導體內部將會出現渦旋電流，渦旋電場推動導體中的載流子運動產生渦旋電流焦耳熱效應，使得介質導體產生溫升。

1.1 穿墻套管結構

穿墻套管主要由絕緣瓷件、安裝法蘭和導體三部分組成。其中，穿墻套管通過安裝法蘭固定在底板上，如圖1所示。

圖1 高壓穿墻套管剖視圖

導體在運行中流過負荷電流建立交變的磁場，進而在其周圍的金屬底板、金屬法蘭等部位造成渦流損耗引起的過溫。

1.2 理論依據

介質導體處于交變磁場中，其磁感應強度大小與介質磁導率有關：B=μ×H=μ0×μr×H。式中μ0為真空磁導率，μr為介質相對磁導率，H為磁場強度。在鐵磁質中，B與H的關系是非線性的磁滯回線，μr不是常量，與H有關，其數值遠大于1。根據資料銅的相對磁導率μ=0.99990＜1.0；不銹鋼的相對磁導率1.0≤μ≤1.3；鐵的相對磁導率μ的取值范圍是200～400；硅鋼片的相對磁導率μ的取值范圍是7000～10000。

渦旋電流的大小與感應電動勢有關，其中感應電動勢的大小可由：e（t）=-n（dΦ）/（dt），或E=BLV來求得。其中B=Φ/（n×Ae）。此處n的取值為1。Φ是一個與介質導體的磁導率有關的量。基于此，抑制穿墻套管底板過溫主要有幾種思路：切割斷鐵磁介質，再用銅介質補焊接，使得介質的相對磁導率μ變小，減小渦旋電流；直接用低磁導率材料重新制作底板；安裝適當的永磁體陣列直接抑制介質導體內磁感應強度大小。

1.3 渦流損耗計算模型

磁性材料渦流損耗的計算，可采用Maxwell方程組來進行研究，考慮到導體長度遠大于底板的厚度，簡化軸向影響，在柱坐標下底板中的感應渦流密度Je和單位體積底板內的渦流損耗P可分別表述為[2]：、，式中：，μ為材料的磁導率，σ為材料的電導率。可見渦流損耗的大小與系數α和磁感應強度B有關。

1.4 線圈感應電流

穿墻套管支撐板內部的渦旋電流無法直接測量，根據變壓器原理，可利用渦旋電流的感應電流來間接測量穿墻套管支撐板內部的渦旋電流大小，從而判斷穿墻套管支撐板在運行狀態下會否存在過溫運行的情況發生。

在底板相間的閉環通道上設置線圈如圖2所示，由于電磁感應，在套管導體通流時產生的交變磁場在閉合線圈中將激發感應電動勢ε進而出現感應電流I：、I=U/R，其中：n為線圈匝數，磁通量Φ=BS（B是磁感應強度，S是正對磁場的面積），R是線圈電阻。由此可以通過線圈感應電流的大小，對底板過熱情況進行預判。

圖2 原理示意圖

2 技術方案

檢測裝置采用大電流輸出，模擬穿墻套管底板的實際運行情況，并通過線圈感應得到的電流對過溫情況進行評估。所研制的設備由大電流發生器、大電流調節控制系統、一次電流監測取樣系統、二次電流監測系統、數據采集及控制集成分析系統、數據顯示系統、測試及分析判定軟件組成，設備框架如圖3所示。

圖3 設備框架圖

為實現上述目的，該檢測裝置具有如下特點：輸出交流電流可調，0～600A，默認輸出600A，輸出穩定度大于1%，分辨率1A。感應信號測量范圍0.1mV至20.0V，精度0.5%，分辨率0.1mV；設備操作界面簡單友好，全中文顯示，7寸彩屏，背光顯示強，感應信號抗干擾能力強，數據穩定可靠，一次可同時測試支撐板的兩個焊縫間隔，電流輸出線大于10m，方便現場操作；設備輕便，易于搬運；測試速度快，一次幾分鐘內就可測試完一塊支撐板。

3 系統構成及效果檢查

穿墻套管過溫檢測裝置基于STM32F407構架，由一次大電流發生器、大電流調節控制系統、一次電流監測取樣系統、渦流監測系統、數據采集及控制集成分析系統、數據顯示系統、測試及分析軟件等組成。系統啟動后，根據指令啟動一次大電流發生器，根據監測電路采樣值，通過調節控制電路調節一次大電流的大小至設定值，并檢測此設定一次大電流下二次渦流的大小，進而判斷試品是否合格，其流程圖如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖

圖6 渦流檢測傳感器原理圖

圖7 鐵板實測（AB間開槽后補銅焊，BC間無開槽）

圖8 不銹鋼板實測

交流大電流發生器。大電流回路負載為一條10m長截面積200mm2的銅導線，其電阻值R=10mohm，對其施加低電壓時，可產生很大電流。負載兩端連接調壓器，采用閉環控制回路控制可以獲得穩定的電流。

渦流檢測傳感器。渦流檢測傳感器設計源于電磁感應原理，感應電動勢為E=n×ΔΦ/Δt。為了增加信號（E）的有效性，線圈采用非屏蔽電纜線多匝繞制（n=150）；取樣電阻采用大阻值（10Ω）、大功率（10W）、高精度（0.1%）電阻。殼體采用非磁屏蔽材料鋁合金材料制作，減少了有效信號的損失。

信號處理電路。其設計采用多路模擬選擇開關，可靈活調節放大倍數，得到合適的有效信號，調節放大倍數的電阻采用高精度（0.02%），有效保證采樣信號的準確度；模數轉換電路。采用AD7606芯片，該集成電路具有采樣精度高（16bit），轉換速度快，最高可達200kbp。6路模擬量輸入可同時采樣，16bit的并行接口輸出，方便與高性能處理器對接。大大提高了處理效率。

核心處理單元。采用高性能32位ARM核心處理器（STM32F407），該處理器支持浮點運算，主頻速度最高可達168Mhz，兼容16bit，8bit寬度外部并行接口。自帶2MB字節Flash，192K內部RAM；顯示輸出單元和鍵盤輸入單元。其設計采用RA8875芯片，該芯片支持800x480分辨率的彩色液晶屏（LCD），4×4鍵盤掃描陣列。

效果檢查：在同一通流條件下，對整塊未開鑿的鐵板、開鑿后補銅焊的鐵板和不銹鋼鐵板的感應電流進行實際測量檢驗裝置的有效性，測試數據見表1。

表1 線圈感應信號測試數據

測試結果表明，通過感應電流測試能有效反映穿墻套管底板過溫缺陷的治理效果。

穿墻套管底板的過溫情況，同實際運行時的電流密切相關，以往只能通過紅外熱像儀觀測到過溫后再申請停電檢修。通過穿墻套管底板過溫檢測裝置的研制，可在底板安裝前檢測，對其運行中可能的過溫情況進行研判，指導治理工作的開展，可以從源頭杜絕穿墻套管支撐板過溫情況的發生。樣機的研制和實際測試結果表明，通過感應電流測試能夠對渦流損耗引起的底板過熱情況及治理效果進行評估，能夠有效指導檢修工作的開展。