低壓配電電纜巡檢用非接觸式電壓傳感器的仿真與實(shí)驗(yàn)分析*

林成鎮(zhèn), 鄭 昕

(1.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350116;2.福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350116)

0 引 言

隨著城市電網(wǎng)電纜化率的不斷提高,電纜故障已成為影響供電可靠性的重要因素,并呈上升趨勢(shì)[1-2]。電纜故障的原因主要是外力破壞、電力作用和人為原因等因素的影響,斷線故障威脅電網(wǎng)的正常運(yùn)行和人身、設(shè)備安全[3-4]。因此很有必要進(jìn)行電纜故障的預(yù)防和排查。傳統(tǒng)電纜巡檢方式所用的傳感器都需要與被測(cè)點(diǎn)直接接觸,由傳導(dǎo)電流完成測(cè)量,會(huì)在一定程度上破壞原來(lái)電路結(jié)構(gòu),并且給并網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)一定潛在安全風(fēng)險(xiǎn),這與現(xiàn)在提出的智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展不相適應(yīng)。另外,傳統(tǒng)的電纜錯(cuò)接檢測(cè)需要通過(guò)負(fù)荷開(kāi)關(guān)和增加負(fù)荷的方式來(lái)完成,而斷線檢查需要將電表直接與相線接觸才能完成,當(dāng)存在障礙物時(shí)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè),且對(duì)人身也有危害[5]。

非接觸式測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)量方法不同,根據(jù)帶電導(dǎo)體周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度值與帶電導(dǎo)體自身電壓成正比的關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體電壓的間接測(cè)量,檢測(cè)設(shè)備和被測(cè)導(dǎo)體之間不用保持電氣連接,具有絕緣難度低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍廣以及暫態(tài)響應(yīng)速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)[6]。近年來(lái),研究人員在非接觸式測(cè)量方面取得了很多成果,文獻(xiàn)[7-9]為解決靜電電壓的精確測(cè)量問(wèn)題,設(shè)計(jì)了非接觸靜電電位測(cè)量系統(tǒng)或測(cè)量?jī)x。文獻(xiàn)[10-12]針對(duì)高壓輸電系統(tǒng)架空電纜的電壓測(cè)量問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于電場(chǎng)耦合原理的非接觸式電壓傳感器。但目前的非接觸傳感器一般都應(yīng)用于高壓測(cè)量方面且均存在誤差問(wèn)題,該問(wèn)題目前尚未有很好的解決辦法。文獻(xiàn)[13-15]提出了應(yīng)用電壓電力線作為通信通道,并注入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)返回的結(jié)果判斷是否斷線。由此可見(jiàn),當(dāng)前對(duì)低壓電纜斷線檢測(cè)一般采用直接接入電纜,并對(duì)電纜進(jìn)行信號(hào)注入再進(jìn)行處理的方法,而該方法只能對(duì)線纜出現(xiàn)斷線時(shí)檢測(cè)出來(lái),并不能對(duì)電纜破損進(jìn)行預(yù)警以及沒(méi)有對(duì)電纜錯(cuò)接進(jìn)行檢測(cè)。

本文針對(duì)傳統(tǒng)電壓測(cè)量和電纜巡檢,提出了一種非接觸電纜巡檢測(cè)量電路。首先,通過(guò)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算軟件Ansoft Maxwell對(duì)不同結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電極進(jìn)行建模仿真并分析,選擇出合適的感應(yīng)電極模型并研究其影響因素;其次,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)感應(yīng)電極的穩(wěn)定性和線性度進(jìn)行實(shí)測(cè),驗(yàn)證了非接觸傳感器的可行性;最后,通過(guò)對(duì)待測(cè)電纜進(jìn)行分段多點(diǎn)波形的分析對(duì)比,從波形特征信息上對(duì)待測(cè)電纜進(jìn)行判斷,實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的快速定位,且大大降低目前非接觸測(cè)量的誤差影響。

1 感應(yīng)電極的結(jié)構(gòu)

非接觸式測(cè)量與傳統(tǒng)的測(cè)量方式不同,不需要與導(dǎo)體直接電氣連接,其原理是利用電容耦合效應(yīng)在物體表面進(jìn)行電壓測(cè)量[16]。將設(shè)計(jì)的感應(yīng)電極放置于電場(chǎng)內(nèi),信號(hào)源與感應(yīng)電極形成耦合電容,耦合電容經(jīng)由測(cè)量系統(tǒng)與地形成一個(gè)分壓電路[17]。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)輸入阻抗很大時(shí),耦合阻抗相比可不計(jì),故可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的非接觸測(cè)量,再將感應(yīng)電極與后端信號(hào)處理電路配合,即可完成對(duì)低壓配電系統(tǒng)的非接觸測(cè)量。

為了保證得到的波形信息完好,因此對(duì)于感應(yīng)電極選擇尤為重要。為了確定感應(yīng)電極最佳形狀以及擺放位置對(duì)帶電線路電場(chǎng)的影響,通過(guò)參考已有的電場(chǎng)測(cè)量探頭模型[18-20],利用Ansoft Maxwell軟件建立了3種不同規(guī)格的感應(yīng)電極的模型。3種不同結(jié)構(gòu)感應(yīng)電極如圖1所示。

依次對(duì)圓形平板電極、方形平板電極、圓筒形電極進(jìn)行電場(chǎng)仿真[21]。結(jié)果表明,方形平板電極對(duì)放置位置有嚴(yán)格要求,不同感應(yīng)電極放置位置會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差變化;圓形平板電極對(duì)放置位置的要求降低許多;圓筒形平板電極對(duì)放置位置的要求最低,而且具有更為穩(wěn)定的耦合電容。因此本文選擇圓筒形電極作為感應(yīng)電極,對(duì)不同規(guī)格的圓筒形電極進(jìn)行建模和仿真,研究不同參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,從而選定最佳電極結(jié)構(gòu)。

2 不同參數(shù)的圓筒形電極仿真分析

為確定圓筒形電極測(cè)量的影響因素,建立封閉和有開(kāi)口的圓筒兩種仿真模型,在其外表面設(shè)置參考電位為0。圓筒形電極仿真模型如圖2所示。被測(cè)導(dǎo)線為銅導(dǎo)線,電壓為AC 220 V,導(dǎo)線外有絕緣層。

在其他參數(shù)相同情況下,分別改變圓筒形電極軸向的內(nèi)徑/外徑、長(zhǎng)度、材料和軸向切開(kāi)距離,對(duì)其進(jìn)行仿真分析。第一組5種仿真模型的外徑分別為12 mm、13 mm、14 mm、15 mm和16 mm,其他條件一致(內(nèi)徑為10 mm,長(zhǎng)度為50 mm,材料為銅,不開(kāi)口)。第二組改變內(nèi)徑,分別為10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm。第三組改變長(zhǎng)度,分別為50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm。第四組電極材料分別為銅、鋁、銀、鐵、鉻。最后一組改變圓筒形電極開(kāi)口距離,圓筒形電極1為不開(kāi)口,圓筒形電極2～圓筒形電極5為開(kāi)口,沿軸向一側(cè)間隙分別為5 mm、6 mm、7 mm和8 mm。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果

由表1可知,外徑、材料和開(kāi)口對(duì)測(cè)量誤差的影響很小,最大測(cè)量誤差都小于5%,符合工程應(yīng)用的允許誤差范圍。但是內(nèi)徑對(duì)測(cè)量誤差的影響很大,最大測(cè)量誤差為40.92%;長(zhǎng)度測(cè)量誤差更大,最大測(cè)量誤差為51.55%。因此,可以確定內(nèi)徑和長(zhǎng)度是影響感應(yīng)電壓的主要因素。

3 傳感器測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量,需要設(shè)計(jì)一個(gè)靈敏感應(yīng)電極。本文選用銅圓筒作為感應(yīng)電極,當(dāng)導(dǎo)線穿過(guò)銅管,電極與待測(cè)電纜分別作為電容的兩極,從而實(shí)現(xiàn)電容耦合。圓筒型感應(yīng)電極實(shí)物如圖3所示。

在確定完感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)后,由于感應(yīng)電極在實(shí)際中帶電導(dǎo)線表面測(cè)量到的電壓信號(hào)較為微弱,且容易有噪聲的干擾。因此還需要設(shè)計(jì)信號(hào)前置處理電路,為了使測(cè)量電路具有較高的靈敏度,設(shè)計(jì)的電路應(yīng)考慮信號(hào)放大、系統(tǒng)輸入阻抗提高和輸入電容減小等因素。感應(yīng)電極獲取微弱感應(yīng)信號(hào)送至信號(hào)處理電路,經(jīng)過(guò)自舉電路和電壓提升電路得到可供單片機(jī)采樣的電信號(hào)。信號(hào)處理電路如圖4所示。

圖4中信號(hào)處理電路以INA117為核心。該運(yùn)放具有超低輸入電容、極高輸入阻抗和低噪聲,滿足信號(hào)處理的要求。U1與R1、R2的自舉結(jié)構(gòu)通過(guò)正反饋的方式極大提高了電路的輸入阻抗[22]。前置電路的等效輸入阻抗為

(1)

由式(1)可見(jiàn),應(yīng)用自舉結(jié)構(gòu)使得等效輸入阻抗大幅提高,為了減小運(yùn)放的輸入電容,提高電路的輸入阻抗,從而減小信號(hào)的損耗,采用電容抵消技術(shù),利用C3和RW1構(gòu)成電容抵消結(jié)構(gòu),降低后的運(yùn)放等效輸入電容為

Cin=C1-(μ-1)C3

(2)

式中:μ——可變電阻RW1的正反饋系數(shù)。

檢測(cè)的是線路電纜,環(huán)境中噪聲比較大,不僅有工頻信號(hào),還包括了大量的中高頻暫態(tài)信號(hào);為了濾除線路環(huán)境中的暫態(tài)信號(hào),在信號(hào)輸出側(cè)加入二階巴特沃斯濾波電路,截止頻率設(shè)為200 Hz。為信號(hào)能滿足后續(xù)電壓采集的要求,在信號(hào)輸出前加上電壓抬升電路,使輸入的交流電壓提升;考慮后續(xù)用單片機(jī)采集,電壓信號(hào)最高幅值不超過(guò)3.3 V。信號(hào)濾波電路如圖5所示。

4 非接觸式電壓傳感器的實(shí)驗(yàn)分析

4.1 不同規(guī)格圓筒形電極的實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為驗(yàn)證仿真的正確性,進(jìn)行不同規(guī)格圓筒形電極的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。本文采用自耦調(diào)壓器提供測(cè)試電壓,實(shí)際的低壓配電電纜是阻感性負(fù)載,使用接觸器線圈作為負(fù)載構(gòu)成實(shí)驗(yàn)線路,分別在空載和負(fù)載情況下對(duì)不同規(guī)格感應(yīng)電極進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6所示。

自耦調(diào)壓器輸出保持220 V,空載下不同規(guī)格感應(yīng)電極測(cè)量結(jié)果如表2所示;負(fù)載下不同規(guī)格感應(yīng)電極測(cè)量結(jié)果如表3所示。表2和表3中某一規(guī)格下的圓筒1與上述對(duì)應(yīng)規(guī)格下仿真圖中的左邊圓筒的尺寸一致,某一規(guī)格下的圓筒2與上述對(duì)應(yīng)規(guī)格下仿真圖中的右邊圓筒的尺寸一致。

表2 空載下不同規(guī)格感應(yīng)電極測(cè)量結(jié)果

表3 負(fù)載下不同規(guī)格感應(yīng)電極測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與仿真分析相符合。綜上所述,內(nèi)徑和長(zhǎng)度的不同會(huì)導(dǎo)致圓筒形電極的感應(yīng)電場(chǎng)不同,其他如外徑、材料、開(kāi)口對(duì)圓筒形電極的感應(yīng)電場(chǎng)影響較小。因此,在制作圓筒形電極時(shí),將感應(yīng)電極設(shè)計(jì)成活動(dòng)扣式結(jié)構(gòu),使得感應(yīng)電極便于安裝在低壓配電線路上。感應(yīng)電極的孔徑可以根據(jù)輸電線路的直徑量身定做,穩(wěn)定安裝,同時(shí)不會(huì)因感應(yīng)距離等因素影響測(cè)量結(jié)果。

4.2 線性度分析

為了驗(yàn)證非接觸感應(yīng)電極的測(cè)量結(jié)果是否滿足一定線性關(guān)系,選用圖3的感應(yīng)電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將導(dǎo)線穿過(guò)感應(yīng)電極放置線頭處,調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出0～220 V不同電壓有效值。測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的空載和負(fù)載下電壓值散點(diǎn)圖如圖7所示。

由圖7可知,不論是空載還是負(fù)載,當(dāng)調(diào)壓器輸出電壓發(fā)生變化時(shí),電極感應(yīng)電壓也隨之變化,且變化趨勢(shì)呈線性,后續(xù)對(duì)測(cè)量的修正補(bǔ)償較為容易。電壓偶爾會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),其原因是試驗(yàn)環(huán)境中其他電器設(shè)備的干擾,因此當(dāng)調(diào)壓器輸出電壓為0時(shí),電極感應(yīng)電壓仍有一定數(shù)值。

4.3 長(zhǎng)距離穩(wěn)定性分析

實(shí)際測(cè)量中電纜通常比較長(zhǎng),為了滿足檢測(cè)的需求,驗(yàn)證長(zhǎng)距離測(cè)量的穩(wěn)定性,在現(xiàn)有條件下選取長(zhǎng)度為200 m的普通銅導(dǎo)線作為待測(cè)線路,電纜長(zhǎng)距離傳輸?shù)碾妷航禐?/p>

R=ρL/S

(3)

式中:U降——電壓壓降;

I——線路的線電流;

cosφ——負(fù)荷功率因數(shù);

R、X——線路電阻和電抗;

ρ——導(dǎo)體電阻率;

L——導(dǎo)體長(zhǎng)度;

S——導(dǎo)體截面積。

電壓降與電纜選擇、負(fù)荷大小等因素有關(guān)。采用低壓電纜(380/220 V)電抗以0.06×10-3Ω/m來(lái)估算。工程上電壓誤差允許在5%以內(nèi),在負(fù)載電流很小條件下,通過(guò)式(1)計(jì)算得出L=400 m,因此設(shè)計(jì)的200 m電纜長(zhǎng)度電壓降誤差在5%以內(nèi),符合工程實(shí)際要求。用傳感裝置測(cè)量通電電纜的線頭和線尾側(cè)電壓波形,分別進(jìn)行空載和負(fù)載情況下的兩組實(shí)驗(yàn)。空載和負(fù)載下線纜兩端測(cè)量波形如圖8所示。

由圖8(a)可見(jiàn),空載線頭電壓有效值為776.1 mV,空載線尾電壓有效值為773.0 mV,空載線頭和線尾電壓波形相同。圖8(b)中負(fù)載線頭和線尾電壓有效值分別為776.7 mV和761.4 mV,是因?yàn)樨?fù)載情況下具有電流,而200 m通電電纜自身電阻相對(duì)負(fù)載電阻需要計(jì)及,因此會(huì)有一定電壓損耗,使得電纜線的線頭部分電壓會(huì)比線尾部分電壓稍大,由計(jì)算可知,電壓相差在5%以內(nèi),符合工程實(shí)際要求,滿足長(zhǎng)距離輸送的穩(wěn)定性要求。

5 線路實(shí)測(cè)分析

電纜排查檢測(cè)實(shí)測(cè)圖如圖9所示。在低壓配電網(wǎng)線路中,在需要線路節(jié)點(diǎn)上安裝設(shè)計(jì)的傳感裝置。若線路發(fā)生故障,通過(guò)波形顯示的不同,判斷出故障類(lèi)型,可以極大方便維護(hù)人員進(jìn)行故障定位與檢修[23]。實(shí)測(cè)時(shí)采用市電降壓供電,今后實(shí)際應(yīng)用中將考慮采用超級(jí)電容或感應(yīng)取能的方案,將另行開(kāi)展研究。

5.1 線路破損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

電纜正常運(yùn)行是保證國(guó)民正常生活的基本保證,電纜在實(shí)際運(yùn)行中因?yàn)閯?dòng)物啃咬、老化、長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行等原因出現(xiàn)斷損,如若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果[24]。因此,進(jìn)行電纜破損檢測(cè),將傳感裝置放置于待測(cè)電纜的不同位置處,對(duì)待測(cè)電纜進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量線路正常運(yùn)行與人工模擬破損時(shí)不同位置處的波形,并進(jìn)行分析對(duì)比。負(fù)載下線纜正常和破損兩端測(cè)量波形如圖10所示。人工模擬破損是將正常電纜在中間位置處將電纜割裂,形成破損點(diǎn)。

由圖10(a)可知,電纜正常接負(fù)載運(yùn)行時(shí),電纜兩端的測(cè)量電壓有效值分別為776.7 mV和761.4 mV,相差在5%以內(nèi)。當(dāng)電纜發(fā)生破損時(shí),破損點(diǎn)電阻值會(huì)變大,從而導(dǎo)線上線損會(huì)增加,在破損點(diǎn)后面電纜電壓值會(huì)降低比正常通電時(shí)多。因此,電纜兩端電壓值偏差會(huì)明顯增大。圖10(b)中,由實(shí)測(cè)可知,位于破損線纜兩端傳感器電路所采集到的電壓有效值分別為774.1 mV和723.3 mV,電壓差異遠(yuǎn)大于5%,從電壓波形幅值可以推斷,通電電纜狀態(tài)異常。因此,可根據(jù)電壓波形推斷電纜破損位置的大致區(qū)間,可以縮短工作人員排查的范圍,保證比較快速恢復(fù)供電。

5.2 線路錯(cuò)接檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際線路中,電纜可能因?yàn)槭┕と藛T失誤導(dǎo)致三相四線電路出現(xiàn)相間錯(cuò)接,將導(dǎo)致電力部門(mén)對(duì)錯(cuò)接線路線損計(jì)算的誤差,因此有必要對(duì)剛鋪設(shè)線路進(jìn)行錯(cuò)接檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。如果接線是正確的,測(cè)量到線頭、線尾波形信息應(yīng)該是基本一致的。在待測(cè)三相電纜中取A相作為檢測(cè)相,將一個(gè)傳感裝置放置在A相電壓進(jìn)線端,即為線頭部分。由于要進(jìn)行錯(cuò)接檢測(cè),故采用人工模擬方式將另一個(gè)傳感裝置放在B相電壓出線端,為線尾部分,將其模擬為電路錯(cuò)接狀態(tài)。電纜錯(cuò)接檢測(cè)波形如圖11所示。

由圖11(a)可知,當(dāng)線路接線正常時(shí),傳感裝置測(cè)量到的波形幅值和相位基本相同。圖11(b)中,傳感裝置測(cè)量到的波形幅值基本相同,但是相位相差約120°,可以判斷出此時(shí)電纜處于錯(cuò)接狀態(tài),即原本應(yīng)接A相的線路接成B相,應(yīng)及時(shí)提醒施工人員進(jìn)行更換。因此在實(shí)際線路施工中,當(dāng)線路為非地埋時(shí),考慮線路長(zhǎng)度以及壓降損耗的修正,在合適距離處安裝本裝置。對(duì)于地埋式線路,在進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)可在每個(gè)電纜接頭處安裝本裝置,對(duì)于已安裝完成的線路,選擇將感應(yīng)電極放置在電纜溝中方便安裝的電纜接頭上。當(dāng)施工人員完成三相四線電路施工后,可采用本裝置對(duì)電路進(jìn)行錯(cuò)接檢測(cè),起到預(yù)防、糾錯(cuò)的功能。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)低壓配電電纜巡檢設(shè)計(jì)了一種基于波形分析的非接觸電壓測(cè)量電纜巡檢方法,通過(guò)Ansoft Maxwell建模分析最終確定圓筒形為感應(yīng)電極的最佳結(jié)構(gòu),完成圓筒形電極在空載和負(fù)載下線性度、長(zhǎng)距離測(cè)量穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行電纜實(shí)際運(yùn)行中的破損以及錯(cuò)接實(shí)測(cè),實(shí)驗(yàn)表明該非接觸測(cè)量裝置能有效、快速實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的定位以及錯(cuò)接檢測(cè),在電力電纜的巡檢和探損方面具有良好的應(yīng)用前景。

在實(shí)際應(yīng)用中,準(zhǔn)確度一直是非接觸測(cè)量的技術(shù)瓶頸所在,由本文實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出不同電纜對(duì)測(cè)量結(jié)果也有一定影響,因此通過(guò)一致性分析,采用相同結(jié)構(gòu)傳感裝置進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量比較的方法來(lái)解決準(zhǔn)確度問(wèn)題也是本文后續(xù)要開(kāi)展的研究。