基于电阻法的智能型电缆故障自动定位装置的研发.pdf

基于电阻法的智能型电缆故障自动定位装置的研发张煜,张寒,王晓东,刘俊,徐新雄,周太祥(国网上海市电力公司市南供电公司,上海 ;山东科汇电力自动化股份有限公司,山东 淄博 )摘要:目前电缆故障测距方法主要有行波法和电桥法.在上海及周边地区,由于地下水位高、常年雨水多,电缆故障多数为浸水性故障.对于浸水性电缆故障,行波法使用困难;而传统电桥法会出现因接地电阻不稳定导致的指针不稳、人工读数难、误差大等问题.为此,研发了基于电阻法的智能型电缆故障自动定位装置,采取计算机自动测量.对普通电缆故障,该装置具有准确性高的优势,可规避人工误差.电桥法只能用于电缆单相故障或两相故障,而该装置实现了电缆三相故障定位,当电缆屏蔽层连通时,仍可使用,将电桥法的高精度测距适用性扩大.关键词:故障测距;电阻法;自动定位中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t o f I n t e l l i g e n tA u t o m a t i cC a b l eF a u l tL o c a t i o nD e v i c eB a s e do nR e s i s t a n c eM e t h o dZ HAN GY u,Z HAN G H a n,WAN GX i a o d o n g,L I UJ u n,XUX i n x i o n g,Z HOUT a i x i a n g(S t a t eG r i dS h a n g h a iE l e c t r i cP o w e rC o m p a n yS h i n a nP o w e rS u p p l yC o m p a n y,S h a n g h a i ,C h i n a;S h a n d o n gK e h u iP o w e rA u t o m a t i o nC o,L t d,Z i b o ,C h i n a)A b s t r a c t:A t p r e s e n t,c a b l e f a u l t l o c a t i o nm a i n l y i n c l u d e s t r a v e l i n gw a v em e t h o da n db r i d g em e t h o d I nS h a n g h a i a n d s u r r o u n d i n ga r e a s,d u e t ot h eh i g hw a t e r l e v e la n dy e a r r o u n dr a i n f a l l,m o s to f t h ec a b l ef a u l t sa r es u b m e r g e df a u l t s F o rs u b m e r g e dc a b l e f a u l t s,t h e t r a v e l i n gw a v em e t h o d i sd i f f i c u l t t ou s e T h e t r a d i t i o n a l b r i d g em e t h o dm a ye n c o u n t e rp r o b l e m ss u c ha su n s t a b l ep o i n t e r,d i f f i c u l t y i nm a n u a l r e a d i n g,a n d l a r g ee r r o r c a u s e db yu n s t a b l eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e F o rt h i sp u r p o s e,a n i n t e l l i g e n t c a b l e f a u l t a u t o m a t i c l o c a t i n gd e v i c eb a s e do n t h e r e s i s t a n c em e t h o d i sd e v e l o p e d,w h i c ht a k e sa u t o m a t i cc o m p u t e rm e a s u r e m e n t s F o rc o mm o nc a b l ef a u l t s,t h ed e v i c eh a st h ea d v a n t a g eo fh i g ha c c u r a c y,a n di tc a nc i r c u m v e n tm a n u a l e r r o r s T h eb r i d g em e t h o dc a no n l yb eu s e d f o r s i n g l e p h a s e f a u l t so r t w o p h a s e f a u l t s i nc a b l e s,w h i l et h i sd e v i c e r e a l i z e s t h r e e p h a s e f a u l t s i nc a b l e s W h e n t h e c a b l e s h i e l d i s c o n n e c t e d,t h ed e v i c ed e v e l o p e d i n t h i sp a p e r c a ns t i l l b eu s e d,e x t e n d i n gt h ea p p l i c a b i l i t yo f t h eb r i d g em e t h o df o rh i g h p r e c i s i o nd i s t a n c em e a s u r e m e n t K e yw o r d s:f a u l t l o c a t i o n;r e s i s t a n c em e t h o d;a u t o m a t i c l o c a t i o n收稿日期:引言随着电力行业的发展和电力电缆的广泛应用,上海作为全国最早使用电缆的城市,早期投运的电缆生命周期陆续到来,电缆故障发生的概率越来越高.由于上海地理位置,浸水性接头故障居多.传统的惠斯通平衡电桥在测试此类故障时,需将电桥平衡电流调至零位.由于浸水性接头故障电阻很不稳定和其他高压线路电磁场干扰等原因,现场测试时电桥平衡电流很难调至零位,而在形成电桥时,还需将完好相和故障相短路,此时形成的接触电阻及短路导线电阻对测试结果造成了较大误差.基于电阻法的智能型电缆故障自动定位装置采用集成带C AN总线的高压包,只需一次接线,即可实现自动测试,同时利用独有的无线数据传输方式解除了高压操作的安全隐患.装置的技术要求电缆故障测寻现场要求装置原理简单可靠,操作方便,有效解决其他电桥在测试此类故障过程中出现的接触电阻及短路导线电阻造成故障定位误差较大的问题.利用独有的无线数据传输方式解除了高压操作的安全隐患,同时增加了绝缘电阻测试功能,特别适合测试人员在现场的使用,有助于快速修复电缆故障.基于电阻法的智能型电缆故障自动定位装置(以下简称“装置”)包括高压输出单元、采集单元、主控板和放电装置.高压输出单元包括依次连接的交流输入和高压隔离 电 源,交 流 输 入 直 接 与 被 测 电 缆 连 接,输 出 k V直流高压,并由主控板控制输出给定电压值到高压隔离电源,高压隔离电源降压为交流V后输出至采集单元,采集单元实现线路的电压和电流测量,并输出测量结果到主控板,放电装置与采集单元连接,接电工技术电力设备 地进行放电.理论依据故障测距利用直流电阻法,其基本测量原理如图所示.图直流电阻法测距原理采用导线在电缆远端将故障电缆与其芯线连接在一起.采用直流电源E(负极性)在电缆护层与大地之间注入电流I,测得直流电压为U.从故障点开始,到电缆远端,再到电缆芯线测量端部分的电路无电流流过,处于等电位状态,电压U也就是故障电缆护层从电源端到故障点之间的 压 降,因 此 可 得 到 测 量 点 与 故 障 点 之 间 的 电阻为:RU/I假定电 缆 每 千 米 长 度 的 电 阻 值 为,求 出 故 障 距离为:LR/技术原理及装置实现 技术原理装置主要由高压输出单元、测量单元和操作单元组成,逻辑图如图所示.图电阻法电缆故障自动定位装置逻辑图高压包C AN总线通信、采集单元通信及显示功能均由A 主控板完成.该核心板基于T IC o r t e x A 高性能处理器设计,集成W i F i、B T 无线通信单元.板载路UA R T,路U S B H o s t 接口,路以太网接口,路C AN接口,路L C D接口和线电阻式触摸屏接口.高压输出单元输入为交流 V,输出为 k V直流高压,并由主控板控制输出到给定电压值.测量单元由高压隔离电源降压为交流V后输入,主要实现线路的电压和电流测量,并通过蓝牙通信传输到主控板.采集单元电源整个装置采用A C V系统,采集板所需直流源是通过隔离变压器后整流获得.通过隔离变压器,将采集板的高压与 控 制 系 统 的 低 压 隔 离 开,有 效 提 高 系 统 的 可靠性.采集单元电压测量内部开关切合电流注入回路时,电压测量的取样点没有变化,但电压测量极性发生反转,原设计A D是单极性设计,添加绝对值电路,解决了极性反转问题.该绝对值电路采用所有电阻都相等的绝对值电路(如图所示),当正极性信号时,UUi,V D 不导通,输出Uo(UiRR)Ui;当负极性信号时,V D 不导通,UUi(RR)R(RRR)R,各电阻相等,则U/Ui,UUi(/)Ui.图电压绝对值单元电路 高压下击穿放电问题装置升压过程中,如果故障点瞬间击穿,测量回路瞬间通过大电流,就容易出现取样电阻损坏、取样运放击穿的现象.前期只在前端增加放电管,由于其主要特点是放电电流大、反应速度较慢(最快为 s),因此依旧出现线路损坏现象.现考虑到反应速度过慢,在放电管旁边并接一路T V S管解决放电管的时延现象,并将钳位保护电路移至取样电阻附近,如图所示.图时延解决电路 电压测量幅值波动问题在测试过程中,测量电压、电流时,出现信号波动较电力设备电工技术 大的现象.通过对高压包输出电压分压取样测量后发现,高压输出信号纹波较大,影响测试结果.针对该问题,加大输出高频滤波器,抑制输出高频纹波.目前通过输出并联 F电容实现较好的测试效果.电压测量失调电压问题采用同相放大设计,具有输入阻抗高,对输入信号源影响很小的特点.针对设计处理的信号是V级的电压信号,运放考虑的原则是:输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压小,噪声小,共模抑制比大,输入阻抗大,漂移小等.在设计中,准备通过软件校正程序,对电压漂移进行校正,除了要输入失调电压调零,也要考虑漂移的问题.针对O P 与T L C 的 参 数 对 比(见 表),发 现T L C 更适合微信号的放大处理.表 O P 与T L C 的参数对比参数T L C C DO P 单位IBT y p M a x p AVI O/VO S直流失调电压T y p M a x VIO ST y p M a x p AVO S/TT y p M a x V/en H z n V/CMR d BT L C 芯片上的控制逻辑产生两个主要时钟周期:校零周期和放大周期.主放大器一直与电路的输入端和输出端相连,而校零放大器则在两个周期内分别对自己和主放大器校零.在校零周期内,开关A闭合,使校零放大器的两个输入端短路,通过自身的反馈,校零放大器的失调电压被减到最小.同时,外接记忆电容C X A中储存了这一失调电压,使校零放大器在放大周期内仍保持校零.高压通信协议高压包 和 控 制 板 之 间 的 通 信 采 用C AN总 线 通 信.C AN总线具有实时性强、抗电磁干扰能力强、成本低等优点,其采用双线串行通信方式,检错能力强,可在高噪声干扰环境中工作,是国际上应用最广泛的现场总线之一.C AN总线协议已成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线.Q t开发环境搭建Q t是一个跨平台的图形框架,在安装了桌面版本的Q tS D K的情况下,开发者可先在P C主机上进行Q t应用程序的开发调试,待应用程序基本成型后,再将其移植到目标板.Q t开发环境搭建流程为:修改L i n u x内核,修改液晶屏驱动及G P I O驱动;将触摸屏驱动移植到开发板;板子自带Q t 不支持蓝牙通信,为实现蓝牙通信功能,将Q t 移植到开发板;为实现调压旋钮功能,将q w t组件库添加到Q t c r e a t o r及开发板;为实现中文字体,添加开源字体库.采集板读数校准采用T L C 后,电压读数和电流读数仍存在一定的误差,为进一步减小误差,现添加采集板读数校准程序,程序界面如图所示.图采集板读数校准程序界面读数校准工作需使用直流源和万用表校准.该程序采用分段校准,如万用表读数为V时,点击界面中的V按钮,程序记录此时的采集板电压读数,直流源缓慢升压;万用表读数为 V时,点击界面中的 V按钮,程序记录此时的采集板电压读数.利用这两个点可求出两点间的直线方程,利用该方程在主程序中可实现读数的进一步校准.应用效果经现场实际测试,与传统高压电桥相比,基于电阻法的智能型电缆故障自动定位装置精度相同,但一次接线即可完成 多 次 测 试,单 次 故 障 测 试,可 节 约 测 试 时 间 m i n.同时,对于浸水性接头故障现场使用,无需人工读数,杜绝了人工误差问题,装置系统读数稳定,测试精度能满足现场故障测寻要求.参考文献Q/G DW 电力电缆及通道运维规程SG B 电力工程电缆设计标准S 赵洋,刘青,尚英强基于机器学习的电缆故障诊断知识库设计方法J自动化与仪器仪表,():徐远配网电缆故障测距研究J山东工业技术,():电工技术电力设备