浙江华云清洁能源有限公司 彭凯杨 刘道鸿 王泓学

国内单位对接地箱电缆线路监测相关研究主要侧重于电缆环流，设备安全问题方面研究；内置式电缆接头测温，在线短路故障监测，故障点定位，局放在线监测等低功耗多类型传感器技术研究、高低压隔离模块集成式设计技术研究方面涉及较少。从近年来研究和应用情况来看，智能接地箱监测这块仍然存在以下突出问题：随着高电压技术、现代电力电子技术、计算机技术、通信技术的发展，在线监测技术已较广泛地应用于各种电压等级的高压输电线路中，但监测设备及应用方法比较杂乱、繁多，并且每个监测设备均独立安装运行，对于电缆管理工作来说造成了较大不便。

1 设计思路和原则

1.1 设计思路

随着我国经济的持续平稳快速增长，电力电缆在城市输配电线路中的应用得到了较大发展，而交联聚乙烯绝缘（XLPE）电缆因为铺设劳动难度低，不受高差限制，易于操作维护、运行温度高、绝缘性能优良和清洁环保等优点，成为电力电缆发展和应用的主要方向。截至2009年年底，国网公司系统66～500kV电缆线路已经达到8600km。与XLPE电缆用量不断增大的同时，由于施工安装缺陷、产品质量不良和运行维护不当等原因，XLPE电缆线路在设计寿命内发生击穿故障，导致停电事故的次数也大量增加，给城市输配电线路的运行稳定性和供电可靠性带来了极大的挑战。

XLPE电缆常规预防性试验按计划需定期对线路进行停电试验，但现行试验项目不仅难以保证线路在试验以后不发生故障，此外，由于预防性测试，线路停电的次数增加，这不仅浪费了设备在完好状态下的测试资源，还可能给系统带来新的隐患。为了克服上述电缆线路计划检修的不足，目前国内外都在大力开展基于状态检测的电力电缆线路状态检修工作，即在运行状态下连续监测或经常检测利用电缆线状态参数，可以实时了解电缆线的工作状态，及时发现电缆线故障，并根据电缆线的工作状态确定维护计划。在运行状态下准确及时掌握XLPE电缆线路的运行状态，第一时间发现和消除电缆线路中存在的缺陷和隐患，降低电缆线路故障率，是实施电缆线路状态检修和提高城市电网可靠性的重要课题。

1.2 设计原则

将高压运行部分和低压运行部分进行了安全隔离。设备布局划分成监测数据单元、低压设备单元以及高压设备单元等三个主工作区。其中，数据监测单元中的每个功能模块都单独进行了分层设计，去除接地回路现象、提高设备干扰度以及共模电压抑制能力。利用高科技阻燃、高压绝缘材料、电气性能以及创新结构设计，有效地提升了综合接地箱高低压隔离性能。提高了供电设备安全可靠性和安全性，便捷后期设备维护。

2 关键技术

基于3D建模与虚拟仿真技术的电缆监测主机模块化设计。基于3D建模技术与虚拟仿真技术，电缆监测主机集成式设计，将电缆温度监测、故障定位监测、在线短路故障区间判断系统等数据监测装置与设备电源布局、接地箱电缆强电工作区一一隔离开以及模块化设计。

一是结构更合理。智能接地箱的内部结构具有模块化设计，布局更加合适和标准化，也使每个部分的功能更有价值，延长设备的使用寿命；二是使用更安全。综合智能内部的每一部分都有屏蔽罩，电器部件没有外露的，避免发生漏电危险；三是维护更简单。综合智能接地箱的每一部分都是一个模块，机器出现问题，可以更快诊断出，只需更换相应模块即可，且操作简单，不用专业人员就可更换，省时省力。

在传统的设计过程中，设备装置都是通过工作人员到现场进行实际的量取数据，再进行设计，量取会存在一定误差，导致设计跟实际会存在误差，而且现场测量如果不仔细的话，会导致数据遗忘等问题，有需要到现场进行测量，费时又费力，而且测量过程会有安全隐患，因此急需研究出一种不费时费力又准确的量取数据的办法。而本项目通过搭建建模平台，用三维建模软件及电力分析仿真软件进行实景建模与仿真，实现安装现场的可视化，利用数据分析软件，自动进行现场数据分析，为设计者提供更精确的设计数据。

3D建模是用CAM软件设计模型，这些在一个空间里完成物体的造型，原理完全是点—线—面。两点连成线，三条线封闭成面。通过对“面与面”的连接，会形成事物特征。3D建模技术用在对装置的数据分析及装置的模型设计上，让生产者切身地感受装置的真实感，生产出的样品也更加切合实际。

破坏特性和极限承载力与不同载荷下单元结构的结果有关。当结构形式特殊，材料载荷和性能复杂时，机械性能经常通过模型试验进行测量和确定，但现场试验和设备模型往往有限，因此模型试验的比例小，很难充分反映结构的实际情况。通过仿真和虚拟现实技术，可以进行不同尺度的试验，并易于修改参数。同时，有些器件结构很难直接测试，计算机模拟可以更好地体现其优越性。用传统有限元方法分析结构，由于内部力线的形状可以描述结构的强度结果，因此给出了直观的印象。三维物体的每个点的力也可以通过建模和虚拟现实技术获得。不同的各向同性表面可以根据颜色的深度用不同的颜色来表示，可以从任何角度来考虑设计。同时，虚拟现实也可以利用交互性能实时修改各种数据，从而简化解决方案和结果的比较。因此，研究人员有了更直观的思维和更可接受的概念。

接地环流监测主机。接地周期监控用于监控护套接地周期，以反映电缆老化程度、核心负荷变化等。在正常工作时，当高压电缆接地周期值突然减小或为零时，主机可快速有效判断电缆异常情况。

内置式电缆接头测温主机。通过实时监控电缆导体的工作温度，电力系统调节器可以获得电缆可用负载能力的信息，并帮助系统调节器做出更合理的决定，以解决未来的负载分配问题。为供电调节部提供电缆线路负荷的临时调节，能够更有效地利用现有电缆，提高工程投资的经济性，同时减少过负荷危险，保障线路的安全可靠运行；系统具备温度、温差超警戒线预设值时自动发出视听告警；系统监测告警数据经隧道电缆综合监控系统传输网络上传到供电局监控中心，在工作站客户端软件图形界面中对电力电缆温度、当温度差超过预定阈值时，将生成声音和视觉报警信号，并通过短信（可配置）自动通知值班维护人员；系统监测数据有历史记录，能简单快速地检索查询。

电缆故障定位主机。故障监测终端收到故障电流信号后，自动计算故障点位置，并向监测软件报告，并显示故障点的具体位置。其可以快速确定故障环路和故障点与端子之间的位置，减少了故障检测时间，快速修复电缆故障，提高供电系统可靠性。

在线短路故障区间判断系统。通过高压电缆短路故障区间判断及双端定位技术的研究，包括在线状态检测、评估，电缆快速故障定位等，并将其深化，利用现代信息手段，收集并汇总电缆状态检测信息、缺陷信息、故障消除方法，可为电缆建立一套健康评估体系，集电缆状态评价和故障查找于一体，同时具有良好的扩展性，可追踪电缆状态监测和故障查找最新技术，并快速进行集成。

基于SMC技术运用高低压隔离。基于综合智能接地箱高低压隔离理念，在各功能模块分区隔离的基础之上，还将设备外壳、安装材料进行了优化。选用具有高低压安全隔离SMC材料。SMC复合材料具有良好的机械性能，与金属材料相比，SMC具有优越的电气性能，耐腐蚀性能、质轻以及工程设计容易、灵活等特点。与增强热塑性塑料相比，SMC的成型周期短，成型设备投资低，SMC制品不易变形，机械性能与热变形温度较高，耐化学药品性优，且价格较低。与一般热塑性塑料相比，SMC的物理性能是后者不可比拟的。

SMC是片状模塑料（sheet molding Compound），是一种干法制造不饱和聚酯玻璃钢制品的模塑料。SMC模压片材的组成：中间芯材是由经树脂糊充分浸渍的短切纤维（或毡）组成，上下两面用薄膜覆盖。树脂糊里含有不饱和聚酯树脂、引发剂、化学增稠剂、低收缩添加剂、填料、脱模剂、着色剂等各种组分。SMC具有良好的机械性能与简易加工性，使其成为众所瞩目的材料。SMC成型一般只需3～6min，具有节省人力与能源，便于大量生产，提高产品质量等优点。在与各种材料进行对比中，SMC不仅优于钢铁、铝等传统金属材料，而且可与一般热塑性塑料及其他增强材料一争高低。

基于电气性能的高低压隔离设计[1]。电缆环流、温度、局放、故障定位和光纤振动防外破的测试是综合智能接地箱应用不可或缺的一部分。由于应用所处的环境具有危险的电压、瞬态信号、共模电压和地电位波动，这会使测量系统受损并破坏测量的精度。为应对这类问题，专为综合智能接地箱应用所设计的测量系统采用了高低压电气隔离技术。

光电耦合器隔离是使用光电耦合器隔离，光电耦合器隔离电路两部分之间的隔离，电路没有直接电连接。基于光通信的隔离技术可以起到隔离信号的作用，通过优化器的单向传输特性，实现了信号的单向传输，充分实现了输入输出之间的电气隔离，输出信号对输入没有影响，干扰能力强，运行稳定；由于光耦是光电式的所以使用寿命长，摆脱了机械式触点有吸合次数的缺陷。因此，在电气信号转换中可实现较好的信号隔离效果，在保证信号稳定的同时增加了设备电路的安全性、抗干扰性。

3 结论

基于SMC技术在接地箱设备及隔离模块设计上应用改变了原接地箱设备外壳类制品以钢材与铝材为主局面，SMC材料的应用克服了设备钢壳与铝壳笨重，碰撞时易产生火花缺点。我国SMC材料在电力应用处于起步阶段，设备壳体还是以金属壳体为主。SMC材料具有耐腐蚀性高、重量轻、相对简单、工程结构灵活等优点。其力学性能与某些金属材料相当，利用复合材料性能可设计性通过调整配方使SMC复合材料具有防静电、阻燃、热稳定性好、强度高、耐腐蚀、使用寿命长、生产效率高等一系列优点，这些性能优点使得SMC复合材料适合在综合智能接地箱上应用。

电气性能的高低压隔离设计，保护设备安全运行，综合接地箱智能设备所产用的光电耦合元件，用来控制电路和输电网络或是其他高电压电路隔离，并透过其来驱动功率半导体，使低压电路可以和功率半导体的输出隔离。同时，绝缘检测装置可以检测接地电路的绝缘状态。电路接地后，可迅速及时发出报警信号，提醒管理人员及时维护，避免装置保护动作和断电。

综合接地箱及智能主机在设计中[2]，需要结合现场环境，电缆敷设安装，结构形式特殊，荷载及材料特性复杂，用仿真与虚拟现实技术，测定综合接地箱受力性能其智能主机兼容性测试，进行足尺寸的试验，以便可以轻松更改设置。有些智能结构很难直接测试，计算机模拟可以更好地展示其优点。通过3D建模与虚拟仿真技术，综合接地箱智能主机等产品性能设计，更好地提升设备的质量，及后期数据监测的实时性。

在电缆通道引入综合智能接地箱，首先要保证接地箱自身的故障率远低于所要防护的电缆，才有可能实现对电缆故障的诊断和监测。高低压隔离是降低接地箱事故率，提高其运行可靠性的必要手段。采用SMC材料，模块化整体注塑成型的方式能够最大限度减少模块拼装带来的装配误差，以及由于装配造成的密封问题，是综合智能接地箱的必然选择。