配电网工程电缆长度测量仪的研制与应用

郭 刚,贾卫国,张社安,李 静,张静波

(国网河北省电力公司邯郸供电分公司,河北 邯郸 056035)

配电网工程电缆长度测量仪的研制与应用

郭 刚,贾卫国,张社安,李 静,张静波

(国网河北省电力公司邯郸供电分公司,河北 邯郸 056035)

针对配网工程中电缆敷设长度存在测量误差的问题,基于阻抗测量法研制了一种电缆长度测量仪。介绍了测量仪的基本原理和整体结构,从恒流源、信号放大、信号滤波等方面分析了测量仪的关键技术,并结合工程实例,将仪器测量法与基于路径长度测量的传统测量方法进行了对比分析,结果表明该测量仪及提出的测量方法测量结果准确、误差小。

配网工程;电力电缆;长度测量;测量仪;恒流源;差分放大电路

近年来,为提升配电线路联络率,满足供电可靠性的要求,城区配网新建改造工程多采用10 k V电力电缆作为中低压电力传输媒质[1-2]。电力电缆本身成本较高,加之使用量较大,使得电缆敷设量的准确计量成为配网工程项目管理部门进行资金和物资管控的要点。

事实上,电缆敷设属于隐蔽工程,项目管理部门在对工程进行测量验收过程中,通常采用路径长度加适当余量的传统测量方法对电缆长度进行测量。该方法存在明显的测量误差,难以满足工程测量准确度和项目管理精益化的要求。因此,为实现10 k V电缆敷设长度的准确测量,以下基于阻抗测量法,开发了一种电缆长度测量仪器,并介绍了其在配网工程中的应用情况。

1 测量仪器介绍

本仪器所要解决的技术问题是对10 k V配网工程电力电缆敷设长度进行测量,满足工程准确度的要求,并具备较强的抗电磁干扰能力以及结构简单、造价低廉等性能。

1.1 基本原理

阻抗法测量原理是将待测电力电缆等效为阻值很小的纯电阻,通过在该小电阻两端施加数值已知的恒定电流源I,测量该电阻两端的电压值U。由测量所得电压值U和恒流源的电流值I,利用欧姆定律便可求得该小电阻的电阻值R。进而,根据已知的电缆导体截面积S和电导率常数r,通过电阻计算公式,便可求出敷设电力电缆的长度L。

如图1所示,仪器采用模块化设计思想,包括直流电源模块、恒流源模块、信号放大模块、滤波模块、模数转换模块、显示模块、数据处理模块、参数设置模块等8个模块。图1中,实线表示电源联接线,虚线表示信号联接线。模块功能如下:

a.直流电源模块为其他各模块提供电源;

b.恒流源模块作为电流信号发生器,为待测电缆提供恒定的电流信号,并受MCU控制,根据参数设置模块赋值的参数,提供数值大小不同的电流信号;

c.电流信号施加于待测电缆两端,经I/V转换得到电压信号,再经放大、滤波、转换得到数字信号给MCU处理;

d.MCU将得到的数字信号经中值滤波后,根据参数整定模块提供的系数,换算为电力电缆长度值,并通过显示模块进行显示,以便于读取。

图1 仪器整体结构方案

2 测量仪器关键技术分析

如前所述,仪器硬件采用模块化设计思想,由阻抗法测量原理可知,硬件电路设计的难点在于恒流源的设计、信号放大模块的设计和信号滤波模块的设计等3个方面。

2.1 恒流源

由仪器原理可知,恒流源模块提供的恒定电流I通过待测电缆后,转换为待测电压Ui,进而由两者的比值确定电缆的电阻值R。因而,恒流源的稳定性和可调节性是实现仪器测量准确性和使用范围的关键。在参考并综合多种电子电路设计方案和电子元器件的性能后,本仪器采用的恒流源电路设计方案如图2所示。

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图2 恒流源电路设计方案

图2 中,恒流源由线性稳压芯片LM317和场效应管Q1、Q2及电阻电容元件构成。该恒流源电路受MCU芯片P3.2、P3.3控制,可分别输出电流值为1 A和0.5 A的恒定电流。该电流施加于由Rx1、Rx2引入的电缆两端,得到待测电压值Ui。由于稳压芯片LM317输出电流具有极好的稳定性,且最大输出值可达1.5 A,所以由其构成的恒流源模块的稳定性较好。同时采用场效应管Q1、Q2可以方便地实现低电压对大电流的控制,且能够实现高测量精度和低功率损耗的双重要求。

2.2 信号放大

信号放大电路的作用是将小信号Ui放大为输出信号Uo1,以便于转换和测量。如图3所示,由2个双运放MAX492构成三运放差分放大电路和反向比例放大电路,实现对采样信号Ui的差分放大。该电路的突出优点是能够抑制共模干扰信号,且可以实现较高的放大倍数[3]。

图3 放大电路设计方案

图3 中,取R3=R4,则放大倍数K1为:

2.3 信号滤波

滤波电路是将外界环境及各模块产生的电磁干扰叠加到输入信号当中的干扰信号进行滤除的电路。如图4所示,采用由双运放OPA2111构成四阶巴特沃斯滤波器,对工频及以上频率的干扰信号进行滤波,由Uo1得到直流输入信号Uo2。

图4 滤波电路设计方案

3 工程应用

3.1 配网工程概况

为满足用电需求,促进地区经济快速发展,需要对某区域配电网进行升级改造。如图5所示,从五仓站10 k V出线036间隔引出,向南敷设150 m至南环路,沿南环路向东敷设1 049 m至陵西大街,沿陵西大街向北敷设945 m至学院路,沿学院路向西敷设568 m至浴新大街,沿浴新大街向北敷设700 m至小区门口,电缆沿向西穿管敷设450 m后进入地下电缆桥架,敷设15 m后进入配电室012间隔。本工程电缆采用YJV22-8.7/15 k V-3× 400 mm2电缆双回敷设(进线电缆载流量不低于1 200 A,负荷预测为15 000 k VA)。全线路径长度为3 877 m,工程造价为658.468 4万元。

图5 电缆路径图

3.2 应用效果比较

3.2.1 传统测量方法

传统方法采用计算公式如下:

式中:n为敷设回路数,D为路径长度,α为顶管(拉管)敷设角度,Δd为余量。计算得电缆敷设长度L为8 852 m。

3.2.2 仪器测量方法

使用该仪器测量时,首先将电缆的一端三相短接,另一端的任意两相分别接本仪器恒流源模块的2个输出端口Rx1、Rx2。接线连接牢固后,按下电源开关,仪器上电;设定待检测电缆的相关参数和环境参数,而后按下启动按钮进行测量,1～3 s即得到待测电缆的长度值。采用上述方法进行了5次测量。测量结果比较见表1。

表1 测量结果比较

由表1可知,传统方法较装置所测电缆长度多出418 m,占比为4.96%。电缆敷设的定额单价为1 351.88元/100 m,多出的施工费为5 650.86元; YJV22-8.7/15 k V-3×400 mm2电缆单价为521 797.88元/km,多出的材料费为218 111.51元;合计多出费用为223 762.37元。分析产生计量误差的主要原因为电缆敷设长度较长,路径长度计算误差较大。

4 结束语

从10 k V配网工程电缆长度的测量实际出发,将电子技术、电气技术、信息技术相结合,提出并研制了一种造价低廉、实用性强的电缆长度测量仪。该仪器不仅可以有效提高电缆长度测量准确度,而且为降低工程项目成本、提高实物资产管理水平提供了一种工具和手段。某工程实际应用表明,该仪器在节约项目投资方面,效果显著。

[1] 郭 刚,郝春生,于 山,等.基于整数规划的电力电缆及通道巡检策略[J].河北电力技术,2016,35(3):5052.

[2] 郭 刚.计及电流波动性的三芯电缆相变控温方法及其性能分析[J].河北电力技术,2016,35(2):1821.

[3] 肖 乐,刘觉民,向 增,等.微机控制电化学系统中的微电流测量设计[J].电源技术,2014,38(2):327328.

本文责任编辑：杨秀敏

Development and Application of Cable Length Measuring Instrument for Power Distribution Grid Project

Guo Gang,Jia Weiguo,Zhang Shean,Li Jing,Zhang Jingbo
(Stat Grid Hebei Electric Power Corporation Handan Power Supply Branch,Handan 056035,China)

In order to solve the problem of measuring the laying length of cable for power distribution grid project,a cable length measuring instrument is developed based on the impedance measurement.The basic principle and the whole structure of the measuring instrument are introduced,and the key technologies are analyzed from the aspects of constant-current source,signal amplification and signal filtering.According to a project example,the traditional measurement based on the path length measurement is compared with the measurement by using the instrument.The results show that the developed instrument and the proposed method are accurate and the errors are small.

power distribution grid project;power cable;length measurement;measuring instrument;constant-current source; differential amplifier circuit

TM73

B

10019898(2017)02001903

20161012

郭 刚(1986-),男,工程师,主要从事配电网工程项目管理工作。