林成鎮(zhèn), 鄭 昕

(1.福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院, 福建 福州 350116;2.福建省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室, 福建 福州 350116)

0 引 言

隨著城市電網(wǎng)電纜化率的不斷提高,電纜故障已成為影響供電可靠性的重要因素,并呈上升趨勢[1-2]。電纜故障的原因主要是外力破壞、電力作用和人為原因等因素的影響,斷線故障威脅電網(wǎng)的正常運行和人身、設(shè)備安全[3-4]。因此很有必要進行電纜故障的預(yù)防和排查。傳統(tǒng)電纜巡檢方式所用的傳感器都需要與被測點直接接觸,由傳導(dǎo)電流完成測量,會在一定程度上破壞原來電路結(jié)構(gòu),并且給并網(wǎng)運行帶來一定潛在安全風(fēng)險,這與現(xiàn)在提出的智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展不相適應(yīng)。另外,傳統(tǒng)的電纜錯接檢測需要通過負荷開關(guān)和增加負荷的方式來完成,而斷線檢查需要將電表直接與相線接觸才能完成,當(dāng)存在障礙物時則無法實現(xiàn)檢測,且對人身也有危害[5]。

非接觸式測量與傳統(tǒng)測量方法不同,根據(jù)帶電導(dǎo)體周圍電場強度值與帶電導(dǎo)體自身電壓成正比的關(guān)系,可以實現(xiàn)對導(dǎo)體電壓的間接測量,檢測設(shè)備和被測導(dǎo)體之間不用保持電氣連接,具有絕緣難度低、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍廣以及暫態(tài)響應(yīng)速度快等一系列優(yōu)點[6]。近年來,研究人員在非接觸式測量方面取得了很多成果,文獻[7-9]為解決靜電電壓的精確測量問題,設(shè)計了非接觸靜電電位測量系統(tǒng)或測量儀。文獻[10-12]針對高壓輸電系統(tǒng)架空電纜的電壓測量問題,設(shè)計了基于電場耦合原理的非接觸式電壓傳感器。但目前的非接觸傳感器一般都應(yīng)用于高壓測量方面且均存在誤差問題,該問題目前尚未有很好的解決辦法。文獻[13-15]提出了應(yīng)用電壓電力線作為通信通道,并注入信號進行檢測,通過返回的結(jié)果判斷是否斷線。由此可見,當(dāng)前對低壓電纜斷線檢測一般采用直接接入電纜,并對電纜進行信號注入再進行處理的方法,而該方法只能對線纜出現(xiàn)斷線時檢測出來,并不能對電纜破損進行預(yù)警以及沒有對電纜錯接進行檢測。

本文針對傳統(tǒng)電壓測量和電纜巡檢,提出了一種非接觸電纜巡檢測量電路。首先,通過電磁場有限元計算軟件Ansoft Maxwell對不同結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電極進行建模仿真并分析,選擇出合適的感應(yīng)電極模型并研究其影響因素;其次,通過實驗對感應(yīng)電極的穩(wěn)定性和線性度進行實測,驗證了非接觸傳感器的可行性;最后,通過對待測電纜進行分段多點波形的分析對比,從波形特征信息上對待測電纜進行判斷,實現(xiàn)故障區(qū)段的快速定位,且大大降低目前非接觸測量的誤差影響。

1 感應(yīng)電極的結(jié)構(gòu)

非接觸式測量與傳統(tǒng)的測量方式不同,不需要與導(dǎo)體直接電氣連接,其原理是利用電容耦合效應(yīng)在物體表面進行電壓測量[16]。將設(shè)計的感應(yīng)電極放置于電場內(nèi),信號源與感應(yīng)電極形成耦合電容,耦合電容經(jīng)由測量系統(tǒng)與地形成一個分壓電路[17]。當(dāng)測量系統(tǒng)輸入阻抗很大時,耦合阻抗相比可不計,故可以實現(xiàn)對電壓的非接觸測量,再將感應(yīng)電極與后端信號處理電路配合,即可完成對低壓配電系統(tǒng)的非接觸測量。

為了保證得到的波形信息完好,因此對于感應(yīng)電極選擇尤為重要。為了確定感應(yīng)電極最佳形狀以及擺放位置對帶電線路電場的影響,通過參考已有的電場測量探頭模型[18-20],利用Ansoft Maxwell軟件建立了3種不同規(guī)格的感應(yīng)電極的模型。3種不同結(jié)構(gòu)感應(yīng)電極如圖1所示。

依次對圓形平板電極、方形平板電極、圓筒形電極進行電場仿真[21]。結(jié)果表明,方形平板電極對放置位置有嚴格要求,不同感應(yīng)電極放置位置會導(dǎo)致測量誤差變化;圓形平板電極對放置位置的要求降低許多;圓筒形平板電極對放置位置的要求最低,而且具有更為穩(wěn)定的耦合電容。因此本文選擇圓筒形電極作為感應(yīng)電極,對不同規(guī)格的圓筒形電極進行建模和仿真,研究不同參數(shù)對測量結(jié)果的影響,從而選定最佳電極結(jié)構(gòu)。

2 不同參數(shù)的圓筒形電極仿真分析

為確定圓筒形電極測量的影響因素,建立封閉和有開口的圓筒兩種仿真模型,在其外表面設(shè)置參考電位為0。圓筒形電極仿真模型如圖2所示。被測導(dǎo)線為銅導(dǎo)線,電壓為AC 220 V,導(dǎo)線外有絕緣層。

在其他參數(shù)相同情況下,分別改變圓筒形電極軸向的內(nèi)徑/外徑、長度、材料和軸向切開距離,對其進行仿真分析。第一組5種仿真模型的外徑分別為12 mm、13 mm、14 mm、15 mm和16 mm,其他條件一致(內(nèi)徑為10 mm,長度為50 mm,材料為銅,不開口)。第二組改變內(nèi)徑,分別為10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm。第三組改變長度,分別為50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm。第四組電極材料分別為銅、鋁、銀、鐵、鉻。最后一組改變圓筒形電極開口距離,圓筒形電極1為不開口,圓筒形電極2～圓筒形電極5為開口,沿軸向一側(cè)間隙分別為5 mm、6 mm、7 mm和8 mm。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果

由表1可知,外徑、材料和開口對測量誤差的影響很小,最大測量誤差都小于5%,符合工程應(yīng)用的允許誤差范圍。但是內(nèi)徑對測量誤差的影響很大,最大測量誤差為40.92%;長度測量誤差更大,最大測量誤差為51.55%。因此,可以確定內(nèi)徑和長度是影響感應(yīng)電壓的主要因素。

3 傳感器測量電路的設(shè)計

為了實現(xiàn)非接觸式測量,需要設(shè)計一個靈敏感應(yīng)電極。本文選用銅圓筒作為感應(yīng)電極,當(dāng)導(dǎo)線穿過銅管,電極與待測電纜分別作為電容的兩極,從而實現(xiàn)電容耦合。圓筒型感應(yīng)電極實物如圖3所示。

在確定完感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)后,由于感應(yīng)電極在實際中帶電導(dǎo)線表面測量到的電壓信號較為微弱,且容易有噪聲的干擾。因此還需要設(shè)計信號前置處理電路,為了使測量電路具有較高的靈敏度,設(shè)計的電路應(yīng)考慮信號放大、系統(tǒng)輸入阻抗提高和輸入電容減小等因素。感應(yīng)電極獲取微弱感應(yīng)信號送至信號處理電路,經(jīng)過自舉電路和電壓提升電路得到可供單片機采樣的電信號。信號處理電路如圖4所示。

圖4中信號處理電路以INA117為核心。該運放具有超低輸入電容、極高輸入阻抗和低噪聲,滿足信號處理的要求。U1與R1、R2的自舉結(jié)構(gòu)通過正反饋的方式極大提高了電路的輸入阻抗[22]。前置電路的等效輸入阻抗為

(1)

由式(1)可見,應(yīng)用自舉結(jié)構(gòu)使得等效輸入阻抗大幅提高,為了減小運放的輸入電容,提高電路的輸入阻抗,從而減小信號的損耗,采用電容抵消技術(shù),利用C3和RW1構(gòu)成電容抵消結(jié)構(gòu),降低后的運放等效輸入電容為

Cin=C1-(μ-1)C3

(2)

式中:μ——可變電阻RW1的正反饋系數(shù)。

檢測的是線路電纜,環(huán)境中噪聲比較大,不僅有工頻信號,還包括了大量的中高頻暫態(tài)信號;為了濾除線路環(huán)境中的暫態(tài)信號,在信號輸出側(cè)加入二階巴特沃斯濾波電路,截止頻率設(shè)為200 Hz。為信號能滿足后續(xù)電壓采集的要求,在信號輸出前加上電壓抬升電路,使輸入的交流電壓提升;考慮后續(xù)用單片機采集,電壓信號最高幅值不超過3.3 V。信號濾波電路如圖5所示。

4 非接觸式電壓傳感器的實驗分析

4.1 不同規(guī)格圓筒形電極的實驗對比分析

為驗證仿真的正確性,進行不同規(guī)格圓筒形電極的對比實驗。本文采用自耦調(diào)壓器提供測試電壓,實際的低壓配電電纜是阻感性負載,使用接觸器線圈作為負載構(gòu)成實驗線路,分別在空載和負載情況下對不同規(guī)格感應(yīng)電極進行對比實驗。電壓測量實驗原理圖如圖6所示。

自耦調(diào)壓器輸出保持220 V,空載下不同規(guī)格感應(yīng)電極測量結(jié)果如表2所示;負載下不同規(guī)格感應(yīng)電極測量結(jié)果如表3所示。表2和表3中某一規(guī)格下的圓筒1與上述對應(yīng)規(guī)格下仿真圖中的左邊圓筒的尺寸一致,某一規(guī)格下的圓筒2與上述對應(yīng)規(guī)格下仿真圖中的右邊圓筒的尺寸一致。

表2 空載下不同規(guī)格感應(yīng)電極測量結(jié)果

表3 負載下不同規(guī)格感應(yīng)電極測量結(jié)果

實驗的結(jié)果與仿真分析相符合。綜上所述,內(nèi)徑和長度的不同會導(dǎo)致圓筒形電極的感應(yīng)電場不同,其他如外徑、材料、開口對圓筒形電極的感應(yīng)電場影響較小。因此,在制作圓筒形電極時,將感應(yīng)電極設(shè)計成活動扣式結(jié)構(gòu),使得感應(yīng)電極便于安裝在低壓配電線路上。感應(yīng)電極的孔徑可以根據(jù)輸電線路的直徑量身定做,穩(wěn)定安裝,同時不會因感應(yīng)距離等因素影響測量結(jié)果。

4.2 線性度分析

為了驗證非接觸感應(yīng)電極的測量結(jié)果是否滿足一定線性關(guān)系,選用圖3的感應(yīng)電極進行實驗。將導(dǎo)線穿過感應(yīng)電極放置線頭處,調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出0～220 V不同電壓有效值。測量系統(tǒng)測得的空載和負載下電壓值散點圖如圖7所示。

由圖7可知,不論是空載還是負載,當(dāng)調(diào)壓器輸出電壓發(fā)生變化時,電極感應(yīng)電壓也隨之變化,且變化趨勢呈線性,后續(xù)對測量的修正補償較為容易。電壓偶爾會出現(xiàn)波動,其原因是試驗環(huán)境中其他電器設(shè)備的干擾,因此當(dāng)調(diào)壓器輸出電壓為0時,電極感應(yīng)電壓仍有一定數(shù)值。

4.3 長距離穩(wěn)定性分析

實際測量中電纜通常比較長,為了滿足檢測的需求,驗證長距離測量的穩(wěn)定性,在現(xiàn)有條件下選取長度為200 m的普通銅導(dǎo)線作為待測線路,電纜長距離傳輸?shù)碾妷航禐?/p>

R=ρL/S

(3)

式中:U降——電壓壓降;

I——線路的線電流;

cosφ——負荷功率因數(shù);

R、X——線路電阻和電抗;

ρ——導(dǎo)體電阻率;

L——導(dǎo)體長度;

S——導(dǎo)體截面積。

電壓降與電纜選擇、負荷大小等因素有關(guān)。采用低壓電纜(380/220 V)電抗以0.06×10-3Ω/m來估算。工程上電壓誤差允許在5%以內(nèi),在負載電流很小條件下,通過式(1)計算得出L=400 m,因此設(shè)計的200 m電纜長度電壓降誤差在5%以內(nèi),符合工程實際要求。用傳感裝置測量通電電纜的線頭和線尾側(cè)電壓波形,分別進行空載和負載情況下的兩組實驗。空載和負載下線纜兩端測量波形如圖8所示。

由圖8(a)可見,空載線頭電壓有效值為776.1 mV,空載線尾電壓有效值為773.0 mV,空載線頭和線尾電壓波形相同。圖8(b)中負載線頭和線尾電壓有效值分別為776.7 mV和761.4 mV,是因為負載情況下具有電流,而200 m通電電纜自身電阻相對負載電阻需要計及,因此會有一定電壓損耗,使得電纜線的線頭部分電壓會比線尾部分電壓稍大,由計算可知,電壓相差在5%以內(nèi),符合工程實際要求,滿足長距離輸送的穩(wěn)定性要求。

5 線路實測分析

電纜排查檢測實測圖如圖9所示。在低壓配電網(wǎng)線路中,在需要線路節(jié)點上安裝設(shè)計的傳感裝置。若線路發(fā)生故障,通過波形顯示的不同,判斷出故障類型,可以極大方便維護人員進行故障定位與檢修[23]。實測時采用市電降壓供電,今后實際應(yīng)用中將考慮采用超級電容或感應(yīng)取能的方案,將另行開展研究。

5.1 線路破損檢測實驗

電纜正常運行是保證國民正常生活的基本保證,電纜在實際運行中因為動物啃咬、老化、長期高負荷運行等原因出現(xiàn)斷損,如若不及時發(fā)現(xiàn)可能會產(chǎn)生更加嚴重的后果[24]。因此,進行電纜破損檢測,將傳感裝置放置于待測電纜的不同位置處,對待測電纜進行測量,測量線路正常運行與人工模擬破損時不同位置處的波形,并進行分析對比。負載下線纜正常和破損兩端測量波形如圖10所示。人工模擬破損是將正常電纜在中間位置處將電纜割裂,形成破損點。

由圖10(a)可知,電纜正常接負載運行時,電纜兩端的測量電壓有效值分別為776.7 mV和761.4 mV,相差在5%以內(nèi)。當(dāng)電纜發(fā)生破損時,破損點電阻值會變大,從而導(dǎo)線上線損會增加,在破損點后面電纜電壓值會降低比正常通電時多。因此,電纜兩端電壓值偏差會明顯增大。圖10(b)中,由實測可知,位于破損線纜兩端傳感器電路所采集到的電壓有效值分別為774.1 mV和723.3 mV,電壓差異遠大于5%,從電壓波形幅值可以推斷,通電電纜狀態(tài)異常。因此,可根據(jù)電壓波形推斷電纜破損位置的大致區(qū)間,可以縮短工作人員排查的范圍,保證比較快速恢復(fù)供電。

5.2 線路錯接檢測實驗

在實際線路中,電纜可能因為施工人員失誤導(dǎo)致三相四線電路出現(xiàn)相間錯接,將導(dǎo)致電力部門對錯接線路線損計算的誤差,因此有必要對剛鋪設(shè)線路進行錯接檢測實驗。如果接線是正確的,測量到線頭、線尾波形信息應(yīng)該是基本一致的。在待測三相電纜中取A相作為檢測相,將一個傳感裝置放置在A相電壓進線端,即為線頭部分。由于要進行錯接檢測,故采用人工模擬方式將另一個傳感裝置放在B相電壓出線端,為線尾部分,將其模擬為電路錯接狀態(tài)。電纜錯接檢測波形如圖11所示。

由圖11(a)可知,當(dāng)線路接線正常時,傳感裝置測量到的波形幅值和相位基本相同。圖11(b)中,傳感裝置測量到的波形幅值基本相同,但是相位相差約120°,可以判斷出此時電纜處于錯接狀態(tài),即原本應(yīng)接A相的線路接成B相,應(yīng)及時提醒施工人員進行更換。因此在實際線路施工中,當(dāng)線路為非地埋時,考慮線路長度以及壓降損耗的修正,在合適距離處安裝本裝置。對于地埋式線路,在進行鋪設(shè)時可在每個電纜接頭處安裝本裝置,對于已安裝完成的線路,選擇將感應(yīng)電極放置在電纜溝中方便安裝的電纜接頭上。當(dāng)施工人員完成三相四線電路施工后,可采用本裝置對電路進行錯接檢測,起到預(yù)防、糾錯的功能。

6 結(jié) 語

針對低壓配電電纜巡檢設(shè)計了一種基于波形分析的非接觸電壓測量電纜巡檢方法,通過Ansoft Maxwell建模分析最終確定圓筒形為感應(yīng)電極的最佳結(jié)構(gòu),完成圓筒形電極在空載和負載下線性度、長距離測量穩(wěn)定性的實驗。進行電纜實際運行中的破損以及錯接實測,實驗表明該非接觸測量裝置能有效、快速實現(xiàn)故障區(qū)段的定位以及錯接檢測,在電力電纜的巡檢和探損方面具有良好的應(yīng)用前景。

在實際應(yīng)用中,準確度一直是非接觸測量的技術(shù)瓶頸所在,由本文實測結(jié)果可以看出不同電纜對測量結(jié)果也有一定影響,因此通過一致性分析,采用相同結(jié)構(gòu)傳感裝置進行多點同時測量比較的方法來解決準確度問題也是本文后續(xù)要開展的研究。