电缆交叉互联接地系统缺陷带电诊断装置的研制

姚舜禹 ，李 银 ，袁朝晖 ，权冰杰

（1. 国网河南郑州供电公司，河南 郑州 450000; 2. 武汉华威众科电力有限公司，湖北 武汉 430000）

1 选题理由

随着国民经济的高速发展，城市建设需要将大量架空输电线路入地，用电缆线路取代架空线路[1-2]。长距离电缆线路多采用交叉互联接地方式，来控制金属护层上的感应电压和接地回路的接地电流[3]。在高压电缆运维过程中，根据Q/GDW 11223—2014《高压电缆状态检测技术规范》，可通过接地电流检测有效检出1个交叉互联接地单元是否存在缺陷，但凭借现有技术手段，无法进一步判断出缺陷的原因和位置。

常见导致交叉互联接地系统缺陷的原因包含交叉互联箱进水、绝缘接头“羊角”接反、交叉互联箱内保护器异常和电缆外护层破损等，会造成环流损耗增大，缩短绝缘的使用寿命，降低电缆的载流量，并有进一步发展成为主绝缘故障的危险，带来负面社会影响和巨大的经济损失[4]。

根据统计，针对此类缺陷，当前的处理流程至少须要停电10.5 h，这就导致停电线路负荷长时间转移到其他线路，电网长时间承受高风险运行，降低了供电可靠性。而其中耗时最长的环节是缺陷诊断，至少耗时6 h，因此亟须缩短电缆交叉互联接地系统缺陷诊断时间。当前缺陷诊断主要是通过交叉互联箱检查、同轴接地电缆内外芯导通试验、保护器试验和外护套试验，除了第一项以外，其他均属加压试验，无法带电完成。而试验的准备与配合工作非常耗时，无法进行压缩，因此研制电缆交叉互联接地系统缺陷带电诊断装置势在必行。

2 目标设定

研制电缆交叉互联接地系统缺陷带电诊断装置，在带电状态下通过装置采集电流数据并进行处理判断，输出缺陷原因和位置，实现电缆交叉互联接地系统缺陷单元诊断用时由原本的6 h降为1.5 h以内。

3 提出并确定最佳方案

装置总体方案结构框图如图1所示，先手动在终端诊断软件输入电缆交叉互联单元的台账信息，然后向主机发出数据上传指令，主机收到指令后向传感器发出采集指令，传感器采集电缆负荷电流和接地电流，将采集数据传输至主机，主机进行初步处理后，传输至终端，利用诊断软件进行诊断并输出结果。

通过功能分解，小组成员将装置分为采集部分、主机部分和终端部分，其中采集部分包括传感器和连接接头，主机部分包含电源模块、同步模块、通信模块、显示屏和外壳；终端部分包括终端设备和编程语言，方案分解系统图如图2所示。

图2 方案分解系统图

从成本、获取难易程度、可操作性、使用寿命等多维度进行分析、测试和对比，对各模块一一进行方案选择，最终确定了最佳方案，系统图如图3所示。

图3 最佳方案系统图

4 对策制定及实施

4.1 采集部分制作

首先选购合适的柔性罗氏传感器。装置主要针对110 kV和220 kV电缆线路进行诊断，目前郑州地区采用的110 kV和220 kV电缆最大外径为152.7 mm，采用的交叉互联铜排宽度不超过60 mm，考虑现场安装方便，给出一定裕度，选用内径为170 mm的柔性罗氏传感器作为负荷电流传感器，内径为80 mm的柔性罗氏传感器作为接地电流传感器。郑州地区电缆负荷电流一般不超过1 800 A，接地电流一般不超过400 A，给出一定裕度，结合市场上罗氏传感器的规格，负荷电流传感器选择变比为2000 A/3.3 V，接地电流传感器选择变比为500 A/3.3 V。

然后选购合适的工业电缆航空插头。根据传感器信号传输线外径选择航空插头尾端尺寸，同时为了防止双通道传感器与插座误接，双通道分别使用公底座、母底座区分不同的通道。

最后将传感器和插头焊接在一起，通过测试，传感器与插头焊接后与焊接前输出信号变化率小于0.1%，满足设计要求。

4.2 主机部分制作

首先，选购WH-BLE102低功耗蓝牙模块、3.5英寸DMG48320液晶显示屏和高性能AD7606-4同步采集芯片，并设计单片机，根据设计图纸定制STM32单片机。

然后，选购LP387098x3S整套封装的聚合软包锂电池，由于前置信号采集处理的变送器在电压不稳定情况下信号存在波动，为保证采集的稳定性，加装了2412S-TDN30稳压模块。对主机内部各模块进行组装，然后按照图4所示逻辑进行编程。

图4 主机逻辑处理流程图

最后选购合适的外壳，进行打孔加工，完成整个主机的组装。

4.3 终端部分制作

选购合适的平板电脑，然后进行电缆交叉互联接地系统缺陷带电诊断软件的编制。 软件包含以下6个功能模块，每个功能模块的功能说明如下：

（1） 线路台账信息管理功能，可创建线路，录入线路交叉互联的单元各个接头的接地箱位置、接地方式和每段电缆结构参数、敷设参数等；

（2） 数据录入功能，可通过蓝牙与采集部分进行连接，接收采集数据并进行保存；

（3） 缺陷分析功能，嵌入精确模型算法，快速对可能的缺陷类型进行分析比对，实时诊断交叉互联段缺陷类型及缺陷位置；

（4） 可一键生成检测报告；

（5） 可查看本地共享数据库中各线路的历史检测数据；

（6） 数据交互功能，蓝牙设置和连接，用户权限等。

软件设计框架如图5所示。

图5 软件设计框架图

缺陷诊断逻辑分为4步。

（1） 异常数据分析。根据目前已有的行业标准制定异常数据判定逻辑，判定是否存在异常或缺陷：

单相接地电流数值与50 A和100 A进行比较，判定是否存在异常或缺陷；

将单相接地电流数值与电缆负荷电流的比值与20%和50%进行比较，判定是否存在异常或缺陷。

将同一组接头的三相接地电流最大值、最小值的比值与3和5进行比较，判定是否存在异常或缺陷；

（2） 进行单点缺陷判断，判断是否存在保护器异常缺陷或者交叉互联箱进水。对于交叉互联箱，出线接地电流不应超过2 A，如果超过2 A，判定该交叉互联箱中保护器异常或交叉互联进水。

（3） 进行单段缺陷诊断。在第（1）步判断存在异常或缺陷的基础上，比较一段电缆首端和末端接地电流（折算到同一负荷电流下），如果差异超过30%，则判定该段电缆存在外护套破损缺陷。

（4） 交叉互联段综合缺陷判断。在第（1）步判断存在异常或缺陷的基础上，利用算法模型计算46种常见缺陷情况下的接地环流值，与实测环流值进行比对，判断缺陷原因和位置。

4.4 整体功能联调测试

将2个传感器与主机相连接，主机与平板电脑通过蓝牙相连接。整个装置组装图如图6所示。

图6 装置组装图

通过测试，装置电流采集误差小于1%，缺陷诊断结果与实际案例情况相符，蓝牙传输测试在10 m以内信号传输正常，数据传输正确率为100%，满足设计要求。

5 效果检查

5.1 目标检查

应用装置对20条电缆线路（包含58个交叉互联单元）进行了交叉互联接地系统缺陷带电诊断，经过统计，单元诊断用时最大值为0.95 h，低于目标值1.5 h，并且诊断结果准确，目标实现。

5.2 效益检查

5.2.1 安全效益

电缆交叉互联接地系统缺陷带电诊断装置研制成功后，解决了无法带电诊断电缆交叉互联接地系统缺陷的问题，避免缺陷因停电时间限制无法及时除缺的情况，保证了电缆线路的安全稳定运行。

5.2.2 社会效益

该装置的应用缩短了停电时间，提高了线路供电可靠性，有效提升了公司的创新标杆形象，增加了社会满意度。

5.2.3 管理效益

该装置实现了交叉互联接地系统缺陷的带电诊断，代替了原本的停电诊断，提高了输电电缆精益化运检的程度。

5.2.4 经济效益

实现了交叉互联接地系统缺陷的带电诊断后，省去了停电诊断的时间，大大缩短了停电时间，节约了大量人力和时间成本。确保除缺的及时性，防止电缆线路被迫带缺陷运行带来的损耗增加、载流量降低以及绝缘寿命的缩短，避免缺陷进一步发展成为主绝缘故障带来的经济损失。