配電網工程電纜長度測量儀的研制與應用

郭 剛,賈衛國,張社安,李 靜,張靜波

(國網河北省電力公司邯鄲供電分公司,河北 邯鄲 056035)

配電網工程電纜長度測量儀的研制與應用

郭 剛,賈衛國,張社安,李 靜,張靜波

(國網河北省電力公司邯鄲供電分公司,河北 邯鄲 056035)

針對配網工程中電纜敷設長度存在測量誤差的問題,基于阻抗測量法研制了一種電纜長度測量儀。介紹了測量儀的基本原理和整體結構,從恒流源、信號放大、信號濾波等方面分析了測量儀的關鍵技術,并結合工程實例,將儀器測量法與基于路徑長度測量的傳統測量方法進行了對比分析,結果表明該測量儀及提出的測量方法測量結果準確、誤差小。

配網工程;電力電纜;長度測量;測量儀;恒流源;差分放大電路

近年來,為提升配電線路聯絡率,滿足供電可靠性的要求,城區配網新建改造工程多采用10 k V電力電纜作為中低壓電力傳輸媒質[1-2]。電力電纜本身成本較高,加之使用量較大,使得電纜敷設量的準確計量成為配網工程項目管理部門進行資金和物資管控的要點。

事實上,電纜敷設屬于隱蔽工程,項目管理部門在對工程進行測量驗收過程中,通常采用路徑長度加適當余量的傳統測量方法對電纜長度進行測量。該方法存在明顯的測量誤差,難以滿足工程測量準確度和項目管理精益化的要求。因此,為實現10 k V電纜敷設長度的準確測量,以下基于阻抗測量法,開發了一種電纜長度測量儀器,并介紹了其在配網工程中的應用情況。

1 測量儀器介紹

本儀器所要解決的技術問題是對10 k V配網工程電力電纜敷設長度進行測量,滿足工程準確度的要求,并具備較強的抗電磁干擾能力以及結構簡單、造價低廉等性能。

1.1 基本原理

阻抗法測量原理是將待測電力電纜等效為阻值很小的純電阻,通過在該小電阻兩端施加數值已知的恒定電流源I,測量該電阻兩端的電壓值U。由測量所得電壓值U和恒流源的電流值I,利用歐姆定律便可求得該小電阻的電阻值R。進而,根據已知的電纜導體截面積S和電導率常數r,通過電阻計算公式,便可求出敷設電力電纜的長度L。

如圖1所示,儀器采用模塊化設計思想,包括直流電源模塊、恒流源模塊、信號放大模塊、濾波模塊、模數轉換模塊、顯示模塊、數據處理模塊、參數設置模塊等8個模塊。圖1中,實線表示電源聯接線,虛線表示信號聯接線。模塊功能如下:

a.直流電源模塊為其他各模塊提供電源;

b.恒流源模塊作為電流信號發生器,為待測電纜提供恒定的電流信號,并受MCU控制,根據參數設置模塊賦值的參數,提供數值大小不同的電流信號;

c.電流信號施加于待測電纜兩端,經I/V轉換得到電壓信號,再經放大、濾波、轉換得到數字信號給MCU處理;

d.MCU將得到的數字信號經中值濾波后,根據參數整定模塊提供的系數,換算為電力電纜長度值,并通過顯示模塊進行顯示,以便于讀取。

圖1 儀器整體結構方案

2 測量儀器關鍵技術分析

如前所述,儀器硬件采用模塊化設計思想,由阻抗法測量原理可知,硬件電路設計的難點在于恒流源的設計、信號放大模塊的設計和信號濾波模塊的設計等3個方面。

2.1 恒流源

由儀器原理可知,恒流源模塊提供的恒定電流I通過待測電纜后,轉換為待測電壓Ui,進而由兩者的比值確定電纜的電阻值R。因而,恒流源的穩定性和可調節性是實現儀器測量準確性和使用范圍的關鍵。在參考并綜合多種電子電路設計方案和電子元器件的性能后,本儀器采用的恒流源電路設計方案如圖2所示。

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圖2 恒流源電路設計方案

圖2 中,恒流源由線性穩壓芯片LM317和場效應管Q1、Q2及電阻電容元件構成。該恒流源電路受MCU芯片P3.2、P3.3控制,可分別輸出電流值為1 A和0.5 A的恒定電流。該電流施加于由Rx1、Rx2引入的電纜兩端,得到待測電壓值Ui。由于穩壓芯片LM317輸出電流具有極好的穩定性,且最大輸出值可達1.5 A,所以由其構成的恒流源模塊的穩定性較好。同時采用場效應管Q1、Q2可以方便地實現低電壓對大電流的控制,且能夠實現高測量精度和低功率損耗的雙重要求。

2.2 信號放大

信號放大電路的作用是將小信號Ui放大為輸出信號Uo1,以便于轉換和測量。如圖3所示,由2個雙運放MAX492構成三運放差分放大電路和反向比例放大電路,實現對采樣信號Ui的差分放大。該電路的突出優點是能夠抑制共模干擾信號,且可以實現較高的放大倍數[3]。

圖3 放大電路設計方案

圖3 中,取R3=R4,則放大倍數K1為:

2.3 信號濾波

濾波電路是將外界環境及各模塊產生的電磁干擾疊加到輸入信號當中的干擾信號進行濾除的電路。如圖4所示,采用由雙運放OPA2111構成四階巴特沃斯濾波器,對工頻及以上頻率的干擾信號進行濾波,由Uo1得到直流輸入信號Uo2。

圖4 濾波電路設計方案

3 工程應用

3.1 配網工程概況

為滿足用電需求,促進地區經濟快速發展,需要對某區域配電網進行升級改造。如圖5所示,從五倉站10 k V出線036間隔引出,向南敷設150 m至南環路,沿南環路向東敷設1 049 m至陵西大街,沿陵西大街向北敷設945 m至學院路,沿學院路向西敷設568 m至浴新大街,沿浴新大街向北敷設700 m至小區門口,電纜沿向西穿管敷設450 m后進入地下電纜橋架,敷設15 m后進入配電室012間隔。本工程電纜采用YJV22-8.7/15 k V-3× 400 mm2電纜雙回敷設(進線電纜載流量不低于1 200 A,負荷預測為15 000 k VA)。全線路徑長度為3 877 m,工程造價為658.468 4萬元。

圖5 電纜路徑圖

3.2 應用效果比較

3.2.1 傳統測量方法

傳統方法采用計算公式如下:

式中:n為敷設回路數,D為路徑長度,α為頂管(拉管)敷設角度,Δd為余量。計算得電纜敷設長度L為8 852 m。

3.2.2 儀器測量方法

使用該儀器測量時,首先將電纜的一端三相短接,另一端的任意兩相分別接本儀器恒流源模塊的2個輸出端口Rx1、Rx2。接線連接牢固后,按下電源開關,儀器上電;設定待檢測電纜的相關參數和環境參數,而后按下啟動按鈕進行測量,1～3 s即得到待測電纜的長度值。采用上述方法進行了5次測量。測量結果比較見表1。

表1 測量結果比較

由表1可知,傳統方法較裝置所測電纜長度多出418 m,占比為4.96%。電纜敷設的定額單價為1 351.88元/100 m,多出的施工費為5 650.86元; YJV22-8.7/15 k V-3×400 mm2電纜單價為521 797.88元/km,多出的材料費為218 111.51元;合計多出費用為223 762.37元。分析產生計量誤差的主要原因為電纜敷設長度較長,路徑長度計算誤差較大。

4 結束語

從10 k V配網工程電纜長度的測量實際出發,將電子技術、電氣技術、信息技術相結合,提出并研制了一種造價低廉、實用性強的電纜長度測量儀。該儀器不僅可以有效提高電纜長度測量準確度,而且為降低工程項目成本、提高實物資產管理水平提供了一種工具和手段。某工程實際應用表明,該儀器在節約項目投資方面,效果顯著。

[1] 郭 剛,郝春生,于 山,等.基于整數規劃的電力電纜及通道巡檢策略[J].河北電力技術,2016,35(3):5052.

[2] 郭 剛.計及電流波動性的三芯電纜相變控溫方法及其性能分析[J].河北電力技術,2016,35(2):1821.

[3] 肖 樂,劉覺民,向 增,等.微機控制電化學系統中的微電流測量設計[J].電源技術,2014,38(2):327328.

本文責任編輯：楊秀敏

Development and Application of Cable Length Measuring Instrument for Power Distribution Grid Project

Guo Gang,Jia Weiguo,Zhang Shean,Li Jing,Zhang Jingbo
(Stat Grid Hebei Electric Power Corporation Handan Power Supply Branch,Handan 056035,China)

In order to solve the problem of measuring the laying length of cable for power distribution grid project,a cable length measuring instrument is developed based on the impedance measurement.The basic principle and the whole structure of the measuring instrument are introduced,and the key technologies are analyzed from the aspects of constant-current source,signal amplification and signal filtering.According to a project example,the traditional measurement based on the path length measurement is compared with the measurement by using the instrument.The results show that the developed instrument and the proposed method are accurate and the errors are small.

power distribution grid project;power cable;length measurement;measuring instrument;constant-current source; differential amplifier circuit

TM73

B

10019898(2017)02001903

20161012

郭 剛(1986-),男,工程師,主要從事配電網工程項目管理工作。