高压电缆在线智能管控系统的改进及优化_史芳磊.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|221网络与信息安全高压电缆在线智能管控系统的改进及优化史芳磊宜兴市宜能实业有限公司，江苏宜兴，214200摘要：针对历年来高压电缆接地系统中接地环流、感应电压出现异常无法及时有效监测及接地线、同轴电缆出现非法盗割、外力破坏从而引发护层绝缘薄弱处击穿燃烧引发事故扩大化的问题，本文根据目前电力通信在线监测系统各不同厂家的相关产品的功能结构和特点，就信号监控管理单元、信号传输单元、CT供电单元、电缆本体监测单元、电源管理单元、远程监控软件系统单元的技术提出改进优化方案，并探讨了智能管控系统在状态在线监测领域的应用。关键词：在线监测；智能管控；改进优化中图分类号:TN919.5文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.051 0引言随着电网结构的优化及社会环境的逐步发展，高电压等级电缆在城市输配电系统中应用越来越广泛。但根据统计，高电压等级电缆运行中出现故障，有相当大的原因为接地环流升高、感应电压出现异常，而在日常巡视中无法比较直观地发现，以及接地线、回流线或交叉互同轴电缆等金属接地线发生盗割或外力破坏后，造成电缆护层两端接地悬浮，则将引发电缆护层薄弱处击穿1。根据以上情况，市场上应运而生了诸多在线管控监测产品，但根据使用效果反馈，信息监控不全、误差较大或出现误报警等情况时有发生。为适应形势需要，优化改进目前的高压电缆智能管控报警系统，及时发现电缆运行事故隐患，对提高电力系统及电缆运行管理水平具有非常重要的应用价值。1系统目标要求及主要指标1.1目标当110kV及以上电缆出现接地环流升高、感应电压出现异常等情况或终端杆塔、电缆井、沟内的电缆屏蔽层接地线、同轴电缆被盗时能及时感应并自动报警，报警信息齐全，便于消缺管理。1.2要求系统安全可靠、不影响电缆的正常运行，检测报警可靠性高，并且装置本身具备一定的防盗、防破坏功能；运行经济，维护量小，维护成本低2。2系统基本原理和结构功能2.1系统基本原理该系统为实现研制目标和要求，基本原理为：通过实时监测电力电缆接地环流、感应电压、局部放电、接头线芯温度等参数，将电信号输入与电缆接地线完全捆绑式敷设的信号线（作为断线传感线），电缆运行正常时，该回路信号不发送信号，电缆一旦出现环流升高、接地线断线等情况后，传感线采集的信号发生变化，信号监控处理模块进行分析定位，分析信息通过光纤传输、无线点对点传输、GSM短信传输等多种对应模块发送到监测分析软件，发出报警信号并直观反映出断线电缆线路名称和位置（见图1）。作者简介：史芳磊，男，汉族，江苏宜兴，本科，工程师，研究方向：电力通信运维及施工。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术222|图 1系统原理图2.2系统结构功能系统由“捆绑式辅助信号线信号输入法”采集模块、太阳能取电模块、CT感应取电模块、电源管理模块、信号CPU监控管理模块、信号GSM传输模块、远程监控软件系统模块组成。2.2.1“捆绑式辅助信号线信号输入法”采集模块功能原理功能：通过该模块，可实时采集电缆正常运行及各类故障信号。方案原理：该系统的关键点之一是通断信号采集的方案确定。该回路由辅助信号线、信号输入输出接口和光电耦合器电路组成，在需要监控的每相电缆本体及接地线上随线敷设捆绑一根辅助信号线，注入的信号通过信号线、输入输出接口、CPU监测管理单元构成回路，由CPU监测管理单元监测信号线的通断状态，并通过保护电路实现电气隔离。当出现感应电压波动或接地电缆被剪断，信号线同时被剪断，通断信号发生变化，CPU监测管理单元发送报警命令给GSM通信模块。优点：该方法不受被监测线缆的类型、电压等级、线缆长度等因素的限制，通用性强，可靠性强，经济方便。2.2.2CT感应取电模块功能：通过该模块，为系统装置提供24V稳定供电电源，解决野外、沟管等无稳定供电电源的问题。方案原理：CT感应取电装置通过电磁感应方式从高压电缆上通过高压一次回路的电流穿过闭合的导磁体，并用线圈在导磁体上缠绕获取交变的电源，再经过滤波整流、控制保护DC-DC开关电源恒压电路及输出滤波及保护电路处理，得到低压稳定可靠的直流电源。优点：电磁感应法可进行就地取电，在电气上和高压一次回路完全隔离，通过保护设计，使得野外电源获取安全、简便、经济。2.2.3太阳能取电模块功能：通过该模块，为CT取电模块提供后备能源供应。方案原理：太阳能板将光能转换为微电能，经控制器存储在蓄电池中，蓄电池选用体积小、能量密度高、寿命长的三元锂电池，控制器实现欠压、过压、欠载、过载、过放、短路、反接、过温等保护功能，并实现整个装置电源逻辑控制。优点：电源获取环保、安全、简便、经济。2.2.4电缆本体监测模块功能：通过该模块，对电缆金属护层极回流线的接地环流、感应电压进行监测以判断电缆运行状况。方案原理：通过捆绑式辅助信号线、环流采集装置等，实时监测高压电缆的每相金属护层的接地电流参数，可实现对接地环流的精确测量及自动定时巡检测量。优点：取代传统的人工方式定期巡检，大大减轻了现场巡检人员的劳动强度，并能够快速发现故障异常。2.2.5电缆局放、测温监测模块功能：通过该模块，可实时监控电缆接头内线芯运行温度及接头内部局部放电情况，对电缆的安全运行进行全天候在线实时监控。方案原理：通过内置电感式传感器对接头内部的局部放电情况、线芯温度进行监测，内置式传感器采用罗氏线圈原理实时感应1100MHz频带的局部放电信号及电缆线芯运行温度，由无线（4G、GPRS）或有线（光纤）等多种通信手段将数据上传至监控平台，实现在线监测。优点：施工方便，不增加额外的接头隐患。2.2.6信号GSM传输模块功能：GSM通信模块将微处理器发出的报警信号编码，以短消息形式通过公共移动网发送到 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|223网络与信息安全后台服务器上。方案原理：通信模块采用西门子的TC35I通信模块，系统通过标准的AT系列指令和通信模块进行交互。采用GSM方式传送报警数据，信息报送时间一般小于2min，信息报文包含唯一的信息编码，可以区分信息的先后次序，避免误报。优点：用GSM通信方式进行数据传输网络数据传输速率高、网络稳定性强，不易受干扰，且具有唯一的信息编码，适应电缆线路处于野外等点多面广难以进行有线信息传输的地方。2.2.7远程监控软件系统模块功能：通过该模块，可查询电缆实时状态，及时获取电缆线芯温度、局放数据、接地线失窃报警等信息并获取其具体位置，便于及时消缺处理。方案原理：远程监测软件采用C+Builder开发，后台数据库可以采用MicrosoftAccess或MicrosoftSQLServer，软件通过ADO方式访问数据库。监测软件通过串口和外部GSM通信模块与现场监测装置交换数据。远程监测软件系统的主界面显示了电缆线路综合信息（见图2），当发生报警时，系统主界面弹出报警页面并发出声音报警信号且自动发送报警短信。图 2电缆智能管理系统主界面 优点：通过该监控系统，实现了电缆运行实时监控，且监测数据可通过表格、曲线等多种方式呈现，支持纵向、横向对比分析。3电缆智能管理系统优化方案3.1CT取电稳压电源模块优化电缆线路点多面广，主要在野外作业，电缆一次回路电流大范围波动，系统电源是关键技术之一3。经过设计优化和试验反复验证，确定了CT取电模块设计。3.1.1CT一二次电流铁芯饱和试验通过CT一二次电流试验测试，为确保启动电流50A时稳压电路工作正常，电路选用滤波、全波整流桥电路，当电流超过80A时，CT铁芯逐渐进入非线性饱和区域，电流继续加大实际输出电压无显著上升，可见在饱和区电压较为稳定，在线性区电压还存在较大的变化范围。3.1.2CT取电模块设计3.1.2.1高效率CT电磁设备选型（1）改进铁芯结构。根据安培环路定律lH dlI=?，当选取环路路径长度越小，电流一定情况下磁场强度越高，有利于提高输出功率，为此，选择铁芯内径与使用电缆一次电流的载流线外径尺寸一致。（2）增加铁芯截面积。根据磁路欧姆定律mNINIFBSH SSllRS=，可见在磁动势一定的条件下，增加铁芯截面积可增加穿过线圈的总磁通量，从而提高输出电压。（3）改进铁芯材料。通过选择组合磁性材料，铁芯内层采用超微晶铁芯材料，外层采用0.2mm退火硅钢，线圈匝数由拟应用电磁回路一次电流与期望输出电压电流综合确定，原则上期望输出电流越大，线圈直径越大，内阻越小。3.1.2.2取电整体模块设计通过电磁回路感应，通过保护电路、整流滤波及DC-DC恒压电路、输出滤波保护电路，从而获得稳定24V电源。3.1.2.3CT取电装置保护电路设计对于CT部分，励磁回路未饱和时，CT二次侧线圈阻抗较小，此时线圈中电流较小，发热小；当励磁回路饱和时，CT二次侧线圈阻抗增大，线圈中感应电流增大，电路此时会发热，如果温度过高，CT会烫坏嵌套内部的电缆外绝缘皮，造成电缆损坏。本设计功率保护电路通过温dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术224|度开关实时监测电流互感器工作时的温度，当温度超过70摄氏度时，通过继电器k2动作将电流互感器内二次侧线圈短路，线圈电路感应电流降为零，从而起到功率过大保护作用。对CT后电路部分，电路中电流达到一个阈值，继电器K4动作，开启功率耗散电路，将部分功率通过大功率电阻R7A和R7B损耗，避免功率过大损坏电路元件。在电源盒内装有温度开关，监测电源盒内部温度，当温度过高时，驱动k2，将CT短路。3.2异常情况下的系统保护电路优化3.2.1电源管理模块保护设计电源管理模块的供电模块由后备电池和直流电源接口两部分组成。外部电源接到直流电源接口，为加强过压能力保护，在接入DC-DC模块前增加压敏电阻。压敏电阻具有良好的耐冲击作用，可以很好地抑制电源不稳定对电路造成的冲击。3.2.2电源监测模块电路设计由于高压电缆电流大小随用电量变化，有很大的波动，导致BRC-701电路中电压波动范围也很大。同时电缆中存在浪涌等脉冲大电流，会对电路造成冲击4。因此，为了保障电路正常运行和对用电设备的保护，通过监测芯片MC3425，对二次电路进行欠压、过压监测，发现异常，驱动继电器K1进行欠压保护，驱动继电器K2进行过压保护。通过该电压保护回路，可确保CT二次线路电压正常，防止烧损电缆线路5。4使用效果2019年至2022年，该系统在宜兴供电公司的25条110kV电缆系统内进行了试运行，共计监测到故障反馈5条，故障反馈统计情况见表1，根据抢修现场对电缆附件的解剖与分析，智能管控系统的报警数据与现场情况完全一致。智能管控系统工作可靠，维护简单，性能稳定，完善了对高压电缆的监管能力，有效地防止了由电缆相关故障引起的电缆重大运行事故，有显著的经济和社会效益。表 1使用效果统计表电缆智能管控系统使用效果统计表（20192022）地点报警情况备注110kV 山藤线 03#中间头2019 年 6 月，局放数据异常报警电缆中间头故障，报警信息正确110kV 典杨线 2#中间头2019 年 11 月，温度数据异常报警电缆中间头故障，报警信息正确110kV 渎福线 01#塔2020 年 10 月，温度数据异常报警电缆中间头故障，报警信息正确110kV 荆文线 13#塔2021 年 12 月，失电报警该电缆回流线失窃，报警信息正确110kV 渎滨线 3#塔终端头2022 年 3 月，局放数据异常报警电缆终端头故障，报警信息正确5结语本文所述高压电缆智能管控系统有效地实现了高压电缆在线运行的连续监测，该装置属于输电电缆状态量在线监控的范畴，解决了对电力电缆进行远程分布式监测中电能获取、远程通信、安全防护、故障定位等共性问题，后台监测系统可预留其他种类的监测终端的数据接口，能够实现如电气量、非电气量、开关量等信号的接入，进而实现高压电缆系统的在线监测，具有实际的推广价值和应用前景。参考文献1 刘冬兰,张昊,王睿,等.面向能源互联网的智慧物联