電纜交叉互聯接地系統缺陷帶電診斷裝置的研制

姚舜禹 ，李 銀 ，袁朝暉 ，權冰杰

（1. 國網河南鄭州供電公司，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

隨著國民經濟的高速發展，城市建設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接地方式，來控制金屬護層上的感應電壓和接地回路的接地電流[3]。在高壓電纜運維過程中，根據Q/GDW 11223—2014《高壓電纜狀態檢測技術規范》，可通過接地電流檢測有效檢出1個交叉互聯接地單元是否存在缺陷，但憑借現有技術手段，無法進一步判斷出缺陷的原因和位置。

常見導致交叉互聯接地系統缺陷的原因包含交叉互聯箱進水、絕緣接頭“羊角”接反、交叉互聯箱內保護器異常和電纜外護層破損等，會造成環流損耗增大，縮短絕緣的使用壽命，降低電纜的載流量，并有進一步發展成為主絕緣故障的危險，帶來負面社會影響和巨大的經濟損失[4]。

根據統計，針對此類缺陷，當前的處理流程至少須要停電10.5 h，這就導致停電線路負荷長時間轉移到其他線路，電網長時間承受高風險運行，降低了供電可靠性。而其中耗時最長的環節是缺陷診斷，至少耗時6 h，因此亟須縮短電纜交叉互聯接地系統缺陷診斷時間。當前缺陷診斷主要是通過交叉互聯箱檢查、同軸接地電纜內外芯導通試驗、保護器試驗和外護套試驗，除了第一項以外，其他均屬加壓試驗，無法帶電完成。而試驗的準備與配合工作非常耗時，無法進行壓縮，因此研制電纜交叉互聯接地系統缺陷帶電診斷裝置勢在必行。

2 目標設定

研制電纜交叉互聯接地系統缺陷帶電診斷裝置，在帶電狀態下通過裝置采集電流數據并進行處理判斷，輸出缺陷原因和位置，實現電纜交叉互聯接地系統缺陷單元診斷用時由原本的6 h降為1.5 h以內。

3 提出并確定最佳方案

裝置總體方案結構框圖如圖1所示，先手動在終端診斷軟件輸入電纜交叉互聯單元的臺賬信息，然后向主機發出數據上傳指令，主機收到指令后向傳感器發出采集指令，傳感器采集電纜負荷電流和接地電流，將采集數據傳輸至主機，主機進行初步處理后，傳輸至終端，利用診斷軟件進行診斷并輸出結果。

通過功能分解，小組成員將裝置分為采集部分、主機部分和終端部分，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備和編程語言，方案分解系統圖如圖2所示。

圖2 方案分解系統圖

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

圖3 最佳方案系統圖

4 對策制定及實施

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電纜線路進行診斷，目前鄭州地區采用的110 kV和220 kV電纜最大外徑為152.7 mm，采用的交叉互聯銅排寬度不超過60 mm，考慮現場安裝方便，給出一定裕度，選用內徑為170 mm的柔性羅氏傳感器作為負荷電流傳感器，內徑為80 mm的柔性羅氏傳感器作為接地電流傳感器。鄭州地區電纜負荷電流一般不超過1 800 A，接地電流一般不超過400 A，給出一定裕度，結合市場上羅氏傳感器的規格，負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電纜航空插頭。根據傳感器信號傳輸線外徑選擇航空插頭尾端尺寸，同時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%，滿足設計要求。

4.2 主機部分制作

首先，選購WH-BLE102低功耗藍牙模塊、3.5英寸DMG48320液晶顯示屏和高性能AD7606-4同步采集芯片，并設計單片機，根據設計圖紙定制STM32單片機。

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定情況下信號存在波動，為保證采集的穩定性，加裝了2412S-TDN30穩壓模塊。對主機內部各模塊進行組裝，然后按照圖4所示邏輯進行編程。

圖4 主機邏輯處理流程圖

最后選購合適的外殼，進行打孔加工，完成整個主機的組裝。

4.3 終端部分制作

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

（1） 線路臺賬信息管理功能，可創建線路，錄入線路交叉互聯的單元各個接頭的接地箱位置、接地方式和每段電纜結構參數、敷設參數等；

（2） 數據錄入功能，可通過藍牙與采集部分進行連接，接收采集數據并進行保存；

（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行分析比對，實時診斷交叉互聯段缺陷類型及缺陷位置；

（4） 可一鍵生成檢測報告；

（5） 可查看本地共享數據庫中各線路的歷史檢測數據；

（6） 數據交互功能，藍牙設置和連接，用戶權限等。

軟件設計框架如圖5所示。

圖5 軟件設計框架圖

缺陷診斷邏輯分為4步。

（1） 異常數據分析。根據目前已有的行業標準制定異常數據判定邏輯，判定是否存在異常或缺陷：

單相接地電流數值與50 A和100 A進行比較，判定是否存在異常或缺陷；

將單相接地電流數值與電纜負荷電流的比值與20%和50%進行比較，判定是否存在異常或缺陷。

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進行比較，判定是否存在異常或缺陷；

（2） 進行單點缺陷判斷，判斷是否存在保護器異常缺陷或者交叉互聯箱進水。對于交叉互聯箱，出線接地電流不應超過2 A，如果超過2 A，判定該交叉互聯箱中保護器異常或交叉互聯進水。

（3） 進行單段缺陷診斷。在第（1）步判斷存在異常或缺陷的基礎上，比較一段電纜首端和末端接地電流（折算到同一負荷電流下），如果差異超過30%，則判定該段電纜存在外護套破損缺陷。

（4） 交叉互聯段綜合缺陷判斷。在第（1）步判斷存在異常或缺陷的基礎上，利用算法模型計算46種常見缺陷情況下的接地環流值，與實測環流值進行比對，判斷缺陷原因和位置。

4.4 整體功能聯調測試

將2個傳感器與主機相連接，主機與平板電腦通過藍牙相連接。整個裝置組裝圖如圖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%，缺陷診斷結果與實際案例情況相符，藍牙傳輸測試在10 m以內信號傳輸正常，數據傳輸正確率為100%，滿足設計要求。

5 效果檢查

5.1 目標檢查

應用裝置對20條電纜線路（包含58個交叉互聯單元）進行了交叉互聯接地系統缺陷帶電診斷，經過統計，單元診斷用時最大值為0.95 h，低于目標值1.5 h，并且診斷結果準確，目標實現。

5.2 效益檢查

5.2.1 安全效益

電纜交叉互聯接地系統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接地系統缺陷的問題，避免缺陷因停電時間限制無法及時除缺的情況，保證了電纜線路的安全穩定運行。

5.2.2 社會效益

該裝置的應用縮短了停電時間，提高了線路供電可靠性，有效提升了公司的創新標桿形象，增加了社會滿意度。

5.2.3 管理效益

該裝置實現了交叉互聯接地系統缺陷的帶電診斷，代替了原本的停電診斷，提高了輸電電纜精益化運檢的程度。

5.2.4 經濟效益

實現了交叉互聯接地系統缺陷的帶電診斷后，省去了停電診斷的時間，大大縮短了停電時間，節約了大量人力和時間成本。確保除缺的及時性，防止電纜線路被迫帶缺陷運行帶來的損耗增加、載流量降低以及絕緣壽命的縮短，避免缺陷進一步發展成為主絕緣故障帶來的經濟損失。