浙江華云清潔能源有限公司 彭凱楊 劉道鴻 王泓學(xué)

國(guó)內(nèi)單位對(duì)接地箱電纜線路監(jiān)測(cè)相關(guān)研究主要側(cè)重于電纜環(huán)流，設(shè)備安全問題方面研究；內(nèi)置式電纜接頭測(cè)溫，在線短路故障監(jiān)測(cè)，故障點(diǎn)定位，局放在線監(jiān)測(cè)等低功耗多類型傳感器技術(shù)研究、高低壓隔離模塊集成式設(shè)計(jì)技術(shù)研究方面涉及較少。從近年來研究和應(yīng)用情況來看，智能接地箱監(jiān)測(cè)這塊仍然存在以下突出問題：隨著高電壓技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已較廣泛地應(yīng)用于各種電壓等級(jí)的高壓輸電線路中，但監(jiān)測(cè)設(shè)備及應(yīng)用方法比較雜亂、繁多，并且每個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備均獨(dú)立安裝運(yùn)行，對(duì)于電纜管理工作來說造成了較大不便。

1 設(shè)計(jì)思路和原則

1.1 設(shè)計(jì)思路

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)平穩(wěn)快速增長(zhǎng)，電力電纜在城市輸配電線路中的應(yīng)用得到了較大發(fā)展，而交聯(lián)聚乙烯絕緣（XLPE）電纜因?yàn)殇佋O(shè)勞動(dòng)難度低，不受高差限制，易于操作維護(hù)、運(yùn)行溫度高、絕緣性能優(yōu)良和清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為電力電纜發(fā)展和應(yīng)用的主要方向。截至2009年年底，國(guó)網(wǎng)公司系統(tǒng)66～500kV電纜線路已經(jīng)達(dá)到8600km。與XLPE電纜用量不斷增大的同時(shí)，由于施工安裝缺陷、產(chǎn)品質(zhì)量不良和運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，XLPE電纜線路在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)發(fā)生擊穿故障，導(dǎo)致停電事故的次數(shù)也大量增加，給城市輸配電線路的運(yùn)行穩(wěn)定性和供電可靠性帶來了極大的挑戰(zhàn)。

XLPE電纜常規(guī)預(yù)防性試驗(yàn)按計(jì)劃需定期對(duì)線路進(jìn)行停電試驗(yàn)，但現(xiàn)行試驗(yàn)項(xiàng)目不僅難以保證線路在試驗(yàn)以后不發(fā)生故障，此外，由于預(yù)防性測(cè)試，線路停電的次數(shù)增加，這不僅浪費(fèi)了設(shè)備在完好狀態(tài)下的測(cè)試資源，還可能給系統(tǒng)帶來新的隱患。為了克服上述電纜線路計(jì)劃?rùn)z修的不足，目前國(guó)內(nèi)外都在大力開展基于狀態(tài)檢測(cè)的電力電纜線路狀態(tài)檢修工作，即在運(yùn)行狀態(tài)下連續(xù)監(jiān)測(cè)或經(jīng)常檢測(cè)利用電纜線狀態(tài)參數(shù)，可以實(shí)時(shí)了解電纜線的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜線故障，并根據(jù)電纜線的工作狀態(tài)確定維護(hù)計(jì)劃。在運(yùn)行狀態(tài)下準(zhǔn)確及時(shí)掌握XLPE電纜線路的運(yùn)行狀態(tài)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和消除電纜線路中存在的缺陷和隱患，降低電纜線路故障率，是實(shí)施電纜線路狀態(tài)檢修和提高城市電網(wǎng)可靠性的重要課題。

1.2 設(shè)計(jì)原則

將高壓運(yùn)行部分和低壓運(yùn)行部分進(jìn)行了安全隔離。設(shè)備布局劃分成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)單元、低壓設(shè)備單元以及高壓設(shè)備單元等三個(gè)主工作區(qū)。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元中的每個(gè)功能模塊都單獨(dú)進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，去除接地回路現(xiàn)象、提高設(shè)備干擾度以及共模電壓抑制能力。利用高科技阻燃、高壓絕緣材料、電氣性能以及創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地提升了綜合接地箱高低壓隔離性能。提高了供電設(shè)備安全可靠性和安全性，便捷后期設(shè)備維護(hù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

基于3D建模與虛擬仿真技術(shù)的電纜監(jiān)測(cè)主機(jī)模塊化設(shè)計(jì)。基于3D建模技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)，電纜監(jiān)測(cè)主機(jī)集成式設(shè)計(jì)，將電纜溫度監(jiān)測(cè)、故障定位監(jiān)測(cè)、在線短路故障區(qū)間判斷系統(tǒng)等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置與設(shè)備電源布局、接地箱電纜強(qiáng)電工作區(qū)一一隔離開以及模塊化設(shè)計(jì)。

一是結(jié)構(gòu)更合理。智能接地箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有模塊化設(shè)計(jì)，布局更加合適和標(biāo)準(zhǔn)化，也使每個(gè)部分的功能更有價(jià)值，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；二是使用更安全。綜合智能內(nèi)部的每一部分都有屏蔽罩，電器部件沒有外露的，避免發(fā)生漏電危險(xiǎn)；三是維護(hù)更簡(jiǎn)單。綜合智能接地箱的每一部分都是一個(gè)模塊，機(jī)器出現(xiàn)問題，可以更快診斷出，只需更換相應(yīng)模塊即可，且操作簡(jiǎn)單，不用專業(yè)人員就可更換，省時(shí)省力。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)備裝置都是通過工作人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際的量取數(shù)據(jù)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)，量取會(huì)存在一定誤差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)跟實(shí)際會(huì)存在誤差，而且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量如果不仔細(xì)的話，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)遺忘等問題，有需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且測(cè)量過程會(huì)有安全隱患，因此急需研究出一種不費(fèi)時(shí)費(fèi)力又準(zhǔn)確的量取數(shù)據(jù)的辦法。而本項(xiàng)目通過搭建建模平臺(tái)，用三維建模軟件及電力分析仿真軟件進(jìn)行實(shí)景建模與仿真，實(shí)現(xiàn)安裝現(xiàn)場(chǎng)的可視化，利用數(shù)據(jù)分析軟件，自動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，為設(shè)計(jì)者提供更精確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3D建模是用CAM軟件設(shè)計(jì)模型，這些在一個(gè)空間里完成物體的造型，原理完全是點(diǎn)—線—面。兩點(diǎn)連成線，三條線封閉成面。通過對(duì)“面與面”的連接，會(huì)形成事物特征。3D建模技術(shù)用在對(duì)裝置的數(shù)據(jù)分析及裝置的模型設(shè)計(jì)上，讓生產(chǎn)者切身地感受裝置的真實(shí)感，生產(chǎn)出的樣品也更加切合實(shí)際。

破壞特性和極限承載力與不同載荷下單元結(jié)構(gòu)的結(jié)果有關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)形式特殊，材料載荷和性能復(fù)雜時(shí)，機(jī)械性能經(jīng)常通過模型試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量和確定，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和設(shè)備模型往往有限，因此模型試驗(yàn)的比例小，很難充分反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。通過仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以進(jìn)行不同尺度的試驗(yàn)，并易于修改參數(shù)。同時(shí)，有些器件結(jié)構(gòu)很難直接測(cè)試，計(jì)算機(jī)模擬可以更好地體現(xiàn)其優(yōu)越性。用傳統(tǒng)有限元方法分析結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部力線的形狀可以描述結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度結(jié)果，因此給出了直觀的印象。三維物體的每個(gè)點(diǎn)的力也可以通過建模和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲得。不同的各向同性表面可以根據(jù)顏色的深度用不同的顏色來表示，可以從任何角度來考慮設(shè)計(jì)。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)也可以利用交互性能實(shí)時(shí)修改各種數(shù)據(jù)，從而簡(jiǎn)化解決方案和結(jié)果的比較。因此，研究人員有了更直觀的思維和更可接受的概念。

接地環(huán)流監(jiān)測(cè)主機(jī)。接地周期監(jiān)控用于監(jiān)控護(hù)套接地周期，以反映電纜老化程度、核心負(fù)荷變化等。在正常工作時(shí)，當(dāng)高壓電纜接地周期值突然減小或?yàn)榱銜r(shí)，主機(jī)可快速有效判斷電纜異常情況。

內(nèi)置式電纜接頭測(cè)溫主機(jī)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜導(dǎo)體的工作溫度，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)器可以獲得電纜可用負(fù)載能力的信息，并幫助系統(tǒng)調(diào)節(jié)器做出更合理的決定，以解決未來的負(fù)載分配問題。為供電調(diào)節(jié)部提供電纜線路負(fù)荷的臨時(shí)調(diào)節(jié)，能夠更有效地利用現(xiàn)有電纜，提高工程投資的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少過負(fù)荷危險(xiǎn)，保障線路的安全可靠運(yùn)行；系統(tǒng)具備溫度、溫差超警戒線預(yù)設(shè)值時(shí)自動(dòng)發(fā)出視聽告警；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)告警數(shù)據(jù)經(jīng)隧道電纜綜合監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳到供電局監(jiān)控中心，在工作站客戶端軟件圖形界面中對(duì)電力電纜溫度、當(dāng)溫度差超過預(yù)定閾值時(shí)，將生成聲音和視覺報(bào)警信號(hào)，并通過短信（可配置）自動(dòng)通知值班維護(hù)人員；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有歷史記錄，能簡(jiǎn)單快速地檢索查詢。

電纜故障定位主機(jī)。故障監(jiān)測(cè)終端收到故障電流信號(hào)后，自動(dòng)計(jì)算故障點(diǎn)位置，并向監(jiān)測(cè)軟件報(bào)告，并顯示故障點(diǎn)的具體位置。其可以快速確定故障環(huán)路和故障點(diǎn)與端子之間的位置，減少了故障檢測(cè)時(shí)間，快速修復(fù)電纜故障，提高供電系統(tǒng)可靠性。

在線短路故障區(qū)間判斷系統(tǒng)。通過高壓電纜短路故障區(qū)間判斷及雙端定位技術(shù)的研究，包括在線狀態(tài)檢測(cè)、評(píng)估，電纜快速故障定位等，并將其深化，利用現(xiàn)代信息手段，收集并匯總電纜狀態(tài)檢測(cè)信息、缺陷信息、故障消除方法，可為電纜建立一套健康評(píng)估體系，集電纜狀態(tài)評(píng)價(jià)和故障查找于一體，同時(shí)具有良好的擴(kuò)展性，可追蹤電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障查找最新技術(shù)，并快速進(jìn)行集成。

基于SMC技術(shù)運(yùn)用高低壓隔離。基于綜合智能接地箱高低壓隔離理念，在各功能模塊分區(qū)隔離的基礎(chǔ)之上，還將設(shè)備外殼、安裝材料進(jìn)行了優(yōu)化。選用具有高低壓安全隔離SMC材料。SMC復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能，與金屬材料相比，SMC具有優(yōu)越的電氣性能，耐腐蝕性能、質(zhì)輕以及工程設(shè)計(jì)容易、靈活等特點(diǎn)。與增強(qiáng)熱塑性塑料相比，SMC的成型周期短，成型設(shè)備投資低，SMC制品不易變形，機(jī)械性能與熱變形溫度較高，耐化學(xué)藥品性優(yōu)，且價(jià)格較低。與一般熱塑性塑料相比，SMC的物理性能是后者不可比擬的。

SMC是片狀模塑料（sheet molding Compound），是一種干法制造不飽和聚酯玻璃鋼制品的模塑料。SMC模壓片材的組成：中間芯材是由經(jīng)樹脂糊充分浸漬的短切纖維（或氈）組成，上下兩面用薄膜覆蓋。樹脂糊里含有不飽和聚酯樹脂、引發(fā)劑、化學(xué)增稠劑、低收縮添加劑、填料、脫模劑、著色劑等各種組分。SMC具有良好的機(jī)械性能與簡(jiǎn)易加工性，使其成為眾所矚目的材料。SMC成型一般只需3～6min，具有節(jié)省人力與能源，便于大量生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。在與各種材料進(jìn)行對(duì)比中，SMC不僅優(yōu)于鋼鐵、鋁等傳統(tǒng)金屬材料，而且可與一般熱塑性塑料及其他增強(qiáng)材料一爭(zhēng)高低。

基于電氣性能的高低壓隔離設(shè)計(jì)[1]。電纜環(huán)流、溫度、局放、故障定位和光纖振動(dòng)防外破的測(cè)試是綜合智能接地箱應(yīng)用不可或缺的一部分。由于應(yīng)用所處的環(huán)境具有危險(xiǎn)的電壓、瞬態(tài)信號(hào)、共模電壓和地電位波動(dòng)，這會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)受損并破壞測(cè)量的精度。為應(yīng)對(duì)這類問題，專為綜合智能接地箱應(yīng)用所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)采用了高低壓電氣隔離技術(shù)。

光電耦合器隔離是使用光電耦合器隔離，光電耦合器隔離電路兩部分之間的隔離，電路沒有直接電連接?；诠馔ㄐ诺母綦x技術(shù)可以起到隔離信號(hào)的作用，通過優(yōu)化器的單向傳輸特性，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的單向傳輸，充分實(shí)現(xiàn)了輸入輸出之間的電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入沒有影響，干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定；由于光耦是光電式的所以使用壽命長(zhǎng)，擺脫了機(jī)械式觸點(diǎn)有吸合次數(shù)的缺陷。因此，在電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換中可實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)隔離效果，在保證信號(hào)穩(wěn)定的同時(shí)增加了設(shè)備電路的安全性、抗干擾性。

3 結(jié)論

基于SMC技術(shù)在接地箱設(shè)備及隔離模塊設(shè)計(jì)上應(yīng)用改變了原接地箱設(shè)備外殼類制品以鋼材與鋁材為主局面，SMC材料的應(yīng)用克服了設(shè)備鋼殼與鋁殼笨重，碰撞時(shí)易產(chǎn)生火花缺點(diǎn)。我國(guó)SMC材料在電力應(yīng)用處于起步階段，設(shè)備殼體還是以金屬殼體為主。SMC材料具有耐腐蝕性高、重量輕、相對(duì)簡(jiǎn)單、工程結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點(diǎn)。其力學(xué)性能與某些金屬材料相當(dāng)，利用復(fù)合材料性能可設(shè)計(jì)性通過調(diào)整配方使SMC復(fù)合材料具有防靜電、阻燃、熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，這些性能優(yōu)點(diǎn)使得SMC復(fù)合材料適合在綜合智能接地箱上應(yīng)用。

電氣性能的高低壓隔離設(shè)計(jì)，保護(hù)設(shè)備安全運(yùn)行，綜合接地箱智能設(shè)備所產(chǎn)用的光電耦合元件，用來控制電路和輸電網(wǎng)絡(luò)或是其他高電壓電路隔離，并透過其來驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體，使低壓電路可以和功率半導(dǎo)體的輸出隔離。同時(shí)，絕緣檢測(cè)裝置可以檢測(cè)接地電路的絕緣狀態(tài)。電路接地后，可迅速及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒管理人員及時(shí)維護(hù)，避免裝置保護(hù)動(dòng)作和斷電。

綜合接地箱及智能主機(jī)在設(shè)計(jì)中[2]，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，電纜敷設(shè)安裝，結(jié)構(gòu)形式特殊，荷載及材料特性復(fù)雜，用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，測(cè)定綜合接地箱受力性能其智能主機(jī)兼容性測(cè)試，進(jìn)行足尺寸的試驗(yàn)，以便可以輕松更改設(shè)置。有些智能結(jié)構(gòu)很難直接測(cè)試，計(jì)算機(jī)模擬可以更好地展示其優(yōu)點(diǎn)。通過3D建模與虛擬仿真技術(shù)，綜合接地箱智能主機(jī)等產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)，更好地提升設(shè)備的質(zhì)量，及后期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。

在電纜通道引入綜合智能接地箱，首先要保證接地箱自身的故障率遠(yuǎn)低于所要防護(hù)的電纜，才有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜故障的診斷和監(jiān)測(cè)。高低壓隔離是降低接地箱事故率，提高其運(yùn)行可靠性的必要手段。采用SMC材料，模塊化整體注塑成型的方式能夠最大限度減少模塊拼裝帶來的裝配誤差，以及由于裝配造成的密封問題，是綜合智能接地箱的必然選擇。