綜合智能接地箱關鍵技術及應用

浙江華云清潔能源有限公司 彭凱楊 劉道鴻 王泓學

國內單位對接地箱電纜線路監測相關研究主要側重于電纜環流，設備安全問題方面研究；內置式電纜接頭測溫，在線短路故障監測，故障點定位，局放在線監測等低功耗多類型傳感器技術研究、高低壓隔離模塊集成式設計技術研究方面涉及較少。從近年來研究和應用情況來看，智能接地箱監測這塊仍然存在以下突出問題：隨著高電壓技術、現代電力電子技術、計算機技術、通信技術的發展，在線監測技術已較廣泛地應用于各種電壓等級的高壓輸電線路中，但監測設備及應用方法比較雜亂、繁多，并且每個監測設備均獨立安裝運行，對于電纜管理工作來說造成了較大不便。

1 設計思路和原則

1.1 設計思路

隨著我國經濟的持續平穩快速增長，電力電纜在城市輸配電線路中的應用得到了較大發展，而交聯聚乙烯絕緣（XLPE）電纜因為鋪設勞動難度低，不受高差限制，易于操作維護、運行溫度高、絕緣性能優良和清潔環保等優點，成為電力電纜發展和應用的主要方向。截至2009年年底，國網公司系統66～500kV電纜線路已經達到8600km。與XLPE電纜用量不斷增大的同時，由于施工安裝缺陷、產品質量不良和運行維護不當等原因，XLPE電纜線路在設計壽命內發生擊穿故障，導致停電事故的次數也大量增加，給城市輸配電線路的運行穩定性和供電可靠性帶來了極大的挑戰。

XLPE電纜常規預防性試驗按計劃需定期對線路進行停電試驗，但現行試驗項目不僅難以保證線路在試驗以后不發生故障，此外，由于預防性測試，線路停電的次數增加，這不僅浪費了設備在完好狀態下的測試資源，還可能給系統帶來新的隱患。為了克服上述電纜線路計劃檢修的不足，目前國內外都在大力開展基于狀態檢測的電力電纜線路狀態檢修工作，即在運行狀態下連續監測或經常檢測利用電纜線狀態參數，可以實時了解電纜線的工作狀態，及時發現電纜線故障，并根據電纜線的工作狀態確定維護計劃。在運行狀態下準確及時掌握XLPE電纜線路的運行狀態，第一時間發現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，是實施電纜線路狀態檢修和提高城市電網可靠性的重要課題。

1.2 設計原則

將高壓運行部分和低壓運行部分進行了安全隔離。設備布局劃分成監測數據單元、低壓設備單元以及高壓設備單元等三個主工作區。其中，數據監測單元中的每個功能模塊都單獨進行了分層設計，去除接地回路現象、提高設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、電氣性能以及創新結構設計，有效地提升了綜合接地箱高低壓隔離性能。提高了供電設備安全可靠性和安全性，便捷后期設備維護。

2 關鍵技術

基于3D建模與虛擬仿真技術的電纜監測主機模塊化設計?；?D建模技術與虛擬仿真技術，電纜監測主機集成式設計，將電纜溫度監測、故障定位監測、在線短路故障區間判斷系統等數據監測裝置與設備電源布局、接地箱電纜強電工作區一一隔離開以及模塊化設計。

一是結構更合理。智能接地箱的內部結構具有模塊化設計，布局更加合適和標準化，也使每個部分的功能更有價值，延長設備的使用壽命；二是使用更安全。綜合智能內部的每一部分都有屏蔽罩，電器部件沒有外露的，避免發生漏電危險；三是維護更簡單。綜合智能接地箱的每一部分都是一個模塊，機器出現問題，可以更快診斷出，只需更換相應模塊即可，且操作簡單，不用專業人員就可更換，省時省力。

在傳統的設計過程中，設備裝置都是通過工作人員到現場進行實際的量取數據，再進行設計，量取會存在一定誤差，導致設計跟實際會存在誤差，而且現場測量如果不仔細的話，會導致數據遺忘等問題，有需要到現場進行測量，費時又費力，而且測量過程會有安全隱患，因此急需研究出一種不費時費力又準確的量取數據的辦法。而本項目通過搭建建模平臺，用三維建模軟件及電力分析仿真軟件進行實景建模與仿真，實現安裝現場的可視化，利用數據分析軟件，自動進行現場數據分析，為設計者提供更精確的設計數據。

3D建模是用CAM軟件設計模型，這些在一個空間里完成物體的造型，原理完全是點—線—面。兩點連成線，三條線封閉成面。通過對“面與面”的連接，會形成事物特征。3D建模技術用在對裝置的數據分析及裝置的模型設計上，讓生產者切身地感受裝置的真實感，生產出的樣品也更加切合實際。

破壞特性和極限承載力與不同載荷下單元結構的結果有關。當結構形式特殊，材料載荷和性能復雜時，機械性能經常通過模型試驗進行測量和確定，但現場試驗和設備模型往往有限，因此模型試驗的比例小，很難充分反映結構的實際情況。通過仿真和虛擬現實技術，可以進行不同尺度的試驗，并易于修改參數。同時，有些器件結構很難直接測試，計算機模擬可以更好地體現其優越性。用傳統有限元方法分析結構，由于內部力線的形狀可以描述結構的強度結果，因此給出了直觀的印象。三維物體的每個點的力也可以通過建模和虛擬現實技術獲得。不同的各向同性表面可以根據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計。同時，虛擬現實也可以利用交互性能實時修改各種數據，從而簡化解決方案和結果的比較。因此，研究人員有了更直觀的思維和更可接受的概念。

接地環流監測主機。接地周期監控用于監控護套接地周期，以反映電纜老化程度、核心負荷變化等。在正常工作時，當高壓電纜接地周期值突然減小或為零時，主機可快速有效判斷電纜異常情況。

內置式電纜接頭測溫主機。通過實時監控電纜導體的工作溫度，電力系統調節器可以獲得電纜可用負載能力的信息，并幫助系統調節器做出更合理的決定，以解決未來的負載分配問題。為供電調節部提供電纜線路負荷的臨時調節，能夠更有效地利用現有電纜，提高工程投資的經濟性，同時減少過負荷危險，保障線路的安全可靠運行；系統具備溫度、溫差超警戒線預設值時自動發出視聽告警；系統監測告警數據經隧道電纜綜合監控系統傳輸網絡上傳到供電局監控中心，在工作站客戶端軟件圖形界面中對電力電纜溫度、當溫度差超過預定閾值時，將生成聲音和視覺報警信號，并通過短信（可配置）自動通知值班維護人員；系統監測數據有歷史記錄，能簡單快速地檢索查詢。

電纜故障定位主機。故障監測終端收到故障電流信號后，自動計算故障點位置，并向監測軟件報告，并顯示故障點的具體位置。其可以快速確定故障環路和故障點與端子之間的位置，減少了故障檢測時間，快速修復電纜故障，提高供電系統可靠性。

在線短路故障區間判斷系統。通過高壓電纜短路故障區間判斷及雙端定位技術的研究，包括在線狀態檢測、評估，電纜快速故障定位等，并將其深化，利用現代信息手段，收集并匯總電纜狀態檢測信息、缺陷信息、故障消除方法，可為電纜建立一套健康評估體系，集電纜狀態評價和故障查找于一體，同時具有良好的擴展性，可追蹤電纜狀態監測和故障查找最新技術，并快速進行集成。

基于SMC技術運用高低壓隔離?；诰C合智能接地箱高低壓隔離理念，在各功能模塊分區隔離的基礎之上，還將設備外殼、安裝材料進行了優化。選用具有高低壓安全隔離SMC材料。SMC復合材料具有良好的機械性能，與金屬材料相比，SMC具有優越的電氣性能，耐腐蝕性能、質輕以及工程設計容易、靈活等特點。與增強熱塑性塑料相比，SMC的成型周期短，成型設備投資低，SMC制品不易變形，機械性能與熱變形溫度較高，耐化學藥品性優，且價格較低。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、引發劑、化學增稠劑、低收縮添加劑、填料、脫模劑、著色劑等各種組分。SMC具有良好的機械性能與簡易加工性，使其成為眾所矚目的材料。SMC成型一般只需3～6min，具有節省人力與能源，便于大量生產，提高產品質量等優點。在與各種材料進行對比中，SMC不僅優于鋼鐵、鋁等傳統金屬材料，而且可與一般熱塑性塑料及其他增強材料一爭高低。

基于電氣性能的高低壓隔離設計[1]。電纜環流、溫度、局放、故障定位和光纖振動防外破的測試是綜合智能接地箱應用不可或缺的一部分。由于應用所處的環境具有危險的電壓、瞬態信號、共模電壓和地電位波動，這會使測量系統受損并破壞測量的精度。為應對這類問題，專為綜合智能接地箱應用所設計的測量系統采用了高低壓電氣隔離技術。

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技術可以起到隔離信號的作用，通過優化器的單向傳輸特性，實現了信號的單向傳輸，充分實現了輸入輸出之間的電氣隔離，輸出信號對輸入沒有影響，干擾能力強，運行穩定；由于光耦是光電式的所以使用壽命長，擺脫了機械式觸點有吸合次數的缺陷。因此，在電氣信號轉換中可實現較好的信號隔離效果，在保證信號穩定的同時增加了設備電路的安全性、抗干擾性。

3 結論

基于SMC技術在接地箱設備及隔離模塊設計上應用改變了原接地箱設備外殼類制品以鋼材與鋁材為主局面，SMC材料的應用克服了設備鋼殼與鋁殼笨重，碰撞時易產生火花缺點。我國SMC材料在電力應用處于起步階段，設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、相對簡單、工程結構靈活等優點。其力學性能與某些金屬材料相當，利用復合材料性能可設計性通過調整配方使SMC復合材料具有防靜電、阻燃、熱穩定性好、強度高、耐腐蝕、使用壽命長、生產效率高等一系列優點，這些性能優點使得SMC復合材料適合在綜合智能接地箱上應用。

電氣性能的高低壓隔離設計，保護設備安全運行，綜合接地箱智能設備所產用的光電耦合元件，用來控制電路和輸電網絡或是其他高電壓電路隔離，并透過其來驅動功率半導體，使低壓電路可以和功率半導體的輸出隔離。同時，絕緣檢測裝置可以檢測接地電路的絕緣狀態。電路接地后，可迅速及時發出報警信號，提醒管理人員及時維護，避免裝置保護動作和斷電。

綜合接地箱及智能主機在設計中[2]，需要結合現場環境，電纜敷設安裝，結構形式特殊，荷載及材料特性復雜，用仿真與虛擬現實技術，測定綜合接地箱受力性能其智能主機兼容性測試，進行足尺寸的試驗，以便可以輕松更改設置。有些智能結構很難直接測試，計算機模擬可以更好地展示其優點。通過3D建模與虛擬仿真技術，綜合接地箱智能主機等產品性能設計，更好地提升設備的質量，及后期數據監測的實時性。

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低于所要防護的電纜，才有可能實現對電纜故障的診斷和監測。高低壓隔離是降低接地箱事故率，提高其運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。