穿墻套管支撐板過溫研究及檢測裝置研制

國網(wǎng)江西省電力有限公司九江供電分公司 鄒光濤 周 皓 盧 敏 余 斐 黃 彪

天津大學(xué) 鄒宛銘 電子科技大學(xué) 張震霆

高壓穿墻套管廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，在導(dǎo)電部分穿過墻壁或其他接地物時起到絕緣和支撐作用，根據(jù)材質(zhì)可分為干式電容型穿墻套管和瓷絕緣穿墻套管。由于穿墻套管導(dǎo)體部分流過交變大電流，會在其金屬固定底板上產(chǎn)生渦流損耗造成局部過熱，當(dāng)溫度超過穿墻套管絕緣材料耐受極限時易造成擊穿，發(fā)生接地、短路等安全事故[1]。主變低壓側(cè)穿墻套管通過大電流時，因電磁感應(yīng)在金屬固定底板上產(chǎn)生渦流造成局部過熱，當(dāng)溫度超過穿墻套管絕緣材料耐受極限時易造成擊穿，發(fā)生接地、短路等安全事故。針對底板嚴(yán)重發(fā)熱問題常采取底板開槽補銅、金屬法蘭開槽、用低磁導(dǎo)率材料重新制作底板、安裝永磁體陣列等方式進行處理，但其處理效果無法在停電狀態(tài)下得到驗證。

為了抑制支撐底板內(nèi)的渦流損耗引起的過熱，常采取底板開槽補銅、金屬法蘭開槽、用低磁導(dǎo)率材料重新制作底板、安裝永磁體陣列等方式進行處理[2]。無論哪種處理方式，其實際效果均難以在停電狀態(tài)下得到驗證，因處理不到位需要重復(fù)停電進行優(yōu)化的情形時有發(fā)生，因此研究一種即時檢驗處理效果的方法十分必要。

1 理論及實踐依據(jù)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律交變電流通過導(dǎo)線時，會在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生交變的磁場，處于交變磁場中的介質(zhì)導(dǎo)體內(nèi)部將會出現(xiàn)渦旋電流，渦旋電場推動導(dǎo)體中的載流子運動產(chǎn)生渦旋電流焦耳熱效應(yīng)，使得介質(zhì)導(dǎo)體產(chǎn)生溫升。

1.1 穿墻套管結(jié)構(gòu)

穿墻套管主要由絕緣瓷件、安裝法蘭和導(dǎo)體三部分組成。其中，穿墻套管通過安裝法蘭固定在底板上，如圖1所示。

圖1 高壓穿墻套管剖視圖

導(dǎo)體在運行中流過負(fù)荷電流建立交變的磁場，進而在其周圍的金屬底板、金屬法蘭等部位造成渦流損耗引起的過溫。

1.2 理論依據(jù)

介質(zhì)導(dǎo)體處于交變磁場中，其磁感應(yīng)強度大小與介質(zhì)磁導(dǎo)率有關(guān)：B=μ×H=μ0×μr×H。式中μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為介質(zhì)相對磁導(dǎo)率，H為磁場強度。在鐵磁質(zhì)中，B與H的關(guān)系是非線性的磁滯回線，μr不是常量，與H有關(guān)，其數(shù)值遠(yuǎn)大于1。根據(jù)資料銅的相對磁導(dǎo)率μ=0.99990＜1.0；不銹鋼的相對磁導(dǎo)率1.0≤μ≤1.3；鐵的相對磁導(dǎo)率μ的取值范圍是200～400；硅鋼片的相對磁導(dǎo)率μ的取值范圍是7000～10000。

渦旋電流的大小與感應(yīng)電動勢有關(guān)，其中感應(yīng)電動勢的大小可由：e（t）=-n（dΦ）/（dt），或E=BLV來求得。其中B=Φ/（n×Ae）。此處n的取值為1。Φ是一個與介質(zhì)導(dǎo)體的磁導(dǎo)率有關(guān)的量。基于此，抑制穿墻套管底板過溫主要有幾種思路：切割斷鐵磁介質(zhì)，再用銅介質(zhì)補焊接，使得介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率μ變小，減小渦旋電流；直接用低磁導(dǎo)率材料重新制作底板；安裝適當(dāng)?shù)挠来朋w陣列直接抑制介質(zhì)導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度大小。

1.3 渦流損耗計算模型

磁性材料渦流損耗的計算，可采用Maxwell方程組來進行研究，考慮到導(dǎo)體長度遠(yuǎn)大于底板的厚度，簡化軸向影響，在柱坐標(biāo)下底板中的感應(yīng)渦流密度Je和單位體積底板內(nèi)的渦流損耗P可分別表述為[2]：、，式中：，μ為材料的磁導(dǎo)率，σ為材料的電導(dǎo)率?？梢姕u流損耗的大小與系數(shù)α和磁感應(yīng)強度B有關(guān)。

1.4 線圈感應(yīng)電流

穿墻套管支撐板內(nèi)部的渦旋電流無法直接測量，根據(jù)變壓器原理，可利用渦旋電流的感應(yīng)電流來間接測量穿墻套管支撐板內(nèi)部的渦旋電流大小，從而判斷穿墻套管支撐板在運行狀態(tài)下會否存在過溫運行的情況發(fā)生。

在底板相間的閉環(huán)通道上設(shè)置線圈如圖2所示，由于電磁感應(yīng)，在套管導(dǎo)體通流時產(chǎn)生的交變磁場在閉合線圈中將激發(fā)感應(yīng)電動勢ε進而出現(xiàn)感應(yīng)電流I：、I=U/R，其中：n為線圈匝數(shù)，磁通量Φ=BS（B是磁感應(yīng)強度，S是正對磁場的面積），R是線圈電阻。由此可以通過線圈感應(yīng)電流的大小，對底板過熱情況進行預(yù)判。

圖2 原理示意圖

2 技術(shù)方案

檢測裝置采用大電流輸出，模擬穿墻套管底板的實際運行情況，并通過線圈感應(yīng)得到的電流對過溫情況進行評估。所研制的設(shè)備由大電流發(fā)生器、大電流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、一次電流監(jiān)測取樣系統(tǒng)、二次電流監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制集成分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、測試及分析判定軟件組成，設(shè)備框架如圖3所示。

圖3 設(shè)備框架圖

為實現(xiàn)上述目的，該檢測裝置具有如下特點：輸出交流電流可調(diào)，0～600A，默認(rèn)輸出600A，輸出穩(wěn)定度大于1%，分辨率1A。感應(yīng)信號測量范圍0.1mV至20.0V，精度0.5%，分辨率0.1mV；設(shè)備操作界面簡單友好，全中文顯示，7寸彩屏，背光顯示強，感應(yīng)信號抗干擾能力強，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，一次可同時測試支撐板的兩個焊縫間隔，電流輸出線大于10m，方便現(xiàn)場操作；設(shè)備輕便，易于搬運；測試速度快，一次幾分鐘內(nèi)就可測試完一塊支撐板。

3 系統(tǒng)構(gòu)成及效果檢查

穿墻套管過溫檢測裝置基于STM32F407構(gòu)架，由一次大電流發(fā)生器、大電流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、一次電流監(jiān)測取樣系統(tǒng)、渦流監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制集成分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、測試及分析軟件等組成。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)指令啟動一次大電流發(fā)生器，根據(jù)監(jiān)測電路采樣值，通過調(diào)節(jié)控制電路調(diào)節(jié)一次大電流的大小至設(shè)定值，并檢測此設(shè)定一次大電流下二次渦流的大小，進而判斷試品是否合格，其流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

圖6 渦流檢測傳感器原理圖

圖7 鐵板實測（AB間開槽后補銅焊，BC間無開槽）

圖8 不銹鋼板實測

交流大電流發(fā)生器。大電流回路負(fù)載為一條10m長截面積200mm2的銅導(dǎo)線，其電阻值R=10mohm，對其施加低電壓時，可產(chǎn)生很大電流。負(fù)載兩端連接調(diào)壓器，采用閉環(huán)控制回路控制可以獲得穩(wěn)定的電流。

渦流檢測傳感器。渦流檢測傳感器設(shè)計源于電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)電動勢為E=n×ΔΦ/Δt。為了增加信號（E）的有效性，線圈采用非屏蔽電纜線多匝繞制（n=150）；取樣電阻采用大阻值（10Ω）、大功率（10W）、高精度（0.1%）電阻。殼體采用非磁屏蔽材料鋁合金材料制作，減少了有效信號的損失。

信號處理電路。其設(shè)計采用多路模擬選擇開關(guān)，可靈活調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，得到合適的有效信號，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的電阻采用高精度（0.02%），有效保證采樣信號的準(zhǔn)確度；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。采用AD7606芯片，該集成電路具有采樣精度高（16bit），轉(zhuǎn)換速度快，最高可達200kbp。6路模擬量輸入可同時采樣，16bit的并行接口輸出，方便與高性能處理器對接。大大提高了處理效率。

核心處理單元。采用高性能32位ARM核心處理器（STM32F407），該處理器支持浮點運算，主頻速度最高可達168Mhz，兼容16bit，8bit寬度外部并行接口。自帶2MB字節(jié)Flash，192K內(nèi)部RAM；顯示輸出單元和鍵盤輸入單元。其設(shè)計采用RA8875芯片，該芯片支持800x480分辨率的彩色液晶屏（LCD），4×4鍵盤掃描陣列。

效果檢查：在同一通流條件下，對整塊未開鑿的鐵板、開鑿后補銅焊的鐵板和不銹鋼鐵板的感應(yīng)電流進行實際測量檢驗裝置的有效性，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 線圈感應(yīng)信號測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，通過感應(yīng)電流測試能有效反映穿墻套管底板過溫缺陷的治理效果。

穿墻套管底板的過溫情況，同實際運行時的電流密切相關(guān)，以往只能通過紅外熱像儀觀測到過溫后再申請停電檢修。通過穿墻套管底板過溫檢測裝置的研制，可在底板安裝前檢測，對其運行中可能的過溫情況進行研判，指導(dǎo)治理工作的開展，可以從源頭杜絕穿墻套管支撐板過溫情況的發(fā)生。樣機的研制和實際測試結(jié)果表明，通過感應(yīng)電流測試能夠?qū)u流損耗引起的底板過熱情況及治理效果進行評估，能夠有效指導(dǎo)檢修工作的開展。