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单回路电缆接地故障在线监测系统设计

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 118次

唐 洁1,2,黄海2

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南 长沙410014 

2衡阳市产商品质量监督检验所,湖南 衡阳421001)

摘要:环流法可以判断电缆是否发生多点接地故障,因为一旦电缆出现接地故障会造成环流较大的波动。本文设计了一种基于环流法的电缆接地故障在线监测系统。在硬件方面,我们使用电流传感器和单片机中的采集模块来完成对环流信号的采集和调理,然后通过RS485总线,将信号发送到以太网串行设备服务器网络系统中,然后连接到控制柜。控制柜的计算机可以在线读取护套环流值,对其进行监测。实际证明该在线监测系统的具有结构简单,实时性表现良好,可靠性高等优点。

关键词:环流法;接地故障;在线监测;金属护套

Design of single loop cable grounding fault on line monitoring system

Tang Jie1,2, Huang Hai2

(1.College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science& Technology Changsha 410114

2.Hengyang Products Quality Supervision Inspection and Institute 421001)

Abstract: Circulation method can be used to determine whether the cable is a multi point grounding fault, because once the cable grounding fault will cause large fluctuations in the circulation. In this paper, a method of on-line monitoring system for cable grounding fault based on the circulation method is designed. In the hardware layer, we use current sensor and MCU acquisition module to complete on the circulation signal acquisition and processing, and then the signal is sent to the Ethernet Serial Device Server network system through the RS485 bus, and is connected to the control cabinet. The computer of the control cabinet can read the circulation value of the sheath on line, and monitor the computer. It is proved that the on-line monitoring system has the advantages of simple structure, good real-time performance, high reliability and so on.

Key words: Circulation method; Earth fault; On line monitoring; Metal sheath

 


1.引言

相对于架空线而言,电缆具有安全可靠,经久耐用,占地面积小和隐蔽性强等优点。XLPE作为一种新型绝缘材料的电缆在众多电缆中具有很强的竞争力。数据表明,XLPE电缆故障通常出现在金属护套及其附件处,而电缆主绝缘上出现故障的概率相对较低。在实际运行当中,电缆金属护套的一端必须接地。然而金属护套外部的绝缘可能会在电缆敷设的过程中受到机械损伤或者化学物质的侵蚀。一旦出现接地故障,电缆金属护套、故障点和大地之间将会构成回路形成环流,环流增加到一定值时会对人生安全构成威胁,缩短电缆的运行寿命,降低电缆的载流量等危害。

为了实现电缆的实时监测和出现多点接地故障时的预警,本文基于环流法研制了XLPE电缆金属护套的在线监测系统。通过电缆金属护套中环流值的变化来判断电缆是否出现接地故障。

2.监测系统现场单元设计

2.1传感器

当高压电缆线芯通过交流电流时,在线芯周围会产生感应磁场,该感应磁场强度与通过电缆线芯的电流大小成正比。运行中的高压电力电缆由于涡流效应,会在其金属护套上感应出感应电压,感应电压的大小不仅与流过线芯的电流(或短路电流)以及电缆的长度和敷设方式有关,还与周围回路的排列方式、距离有关。当电缆出现接地故障时,就会在金属护套中出现环流,当线路较长时会出现很大的环流,研究表明当出现接地故障时,环流的最大值接近40A。综合考虑之后本系统采用的电流传感器参数如下:量程为0~50A,传感器的铁芯为超微晶合金铁芯,匝数为5000匝,精密度为0.1%,线性度为0.1%。电流传感器输出的电流会连接到一个采样电阻上,然后电流信号会被转换为一个为0~5V的电压信号。

2.2信号调理单元

2.2.1无源滤波器

金属护套上环流的频率为50Hz,由于传感器的采样电流容易受到高频和现场信号的干扰,所以设计一个滤波电路和隔离电路是必要的。环流信号通过采样电阻耦合成一个电压信号,然后通过低通滤波器将信号中的高频分量去除。无源低通滤波器具有工作比较稳定,成本低等优点并且可以对放大电路起到一定的保护作用。由于噪声会影响到放大器的运行性能,甚至有时会造放大器无法正常运行。所以本系统采用对称结构的无源滤波器以保证电路的平衡,并且有助于限制工模干扰信号。

2.2.2有源滤波器

实验表明在隔离之后电压信号中含有较少的噪声,所以在隔离电路前面需要设置一个低频截止频率的有源滤波电路,然后再进行采样。本文采用AP OP200滤波器,该滤波器的电路图和器件参数如图1所示。

1.有源滤波器电路图

2.3隔离电路

隔离放大器的作用可以用来防止共模噪声渗透到测量系统中,隔离电路前后的电流源必须严格分开,以保证测量电路具有真正的电气隔离。

2.4信号采集

信号采样是通过集成在AT89C55单片机中的10A/D转换器进行操作的。AT89C55型单片机中转换器的转换范围为0~5V,完全满足本测量系统的要求。

2.5.单片机控制单元

在监测系统中控制模块电路主要是确保外部继电器的精确控制和安全性,并且实现显示、预警和中断响应等功能。为了保证系统在简单、稳定和可扩展条件下满足各种控制要求,本文选择英特尔公司的AT89C55ST公司的PSD813F1构成最小的嵌入式系统,其中,PSD813F1是一个可编程的外围设备支持8位单片机。控制单元的结构如图2所示。

2.控制单元结构

2.6.实时时钟电路设计

监测系统需要对事故和时间进行记录,所以必须设计一个时钟电路。本系统选用的是DS12887高性能实时时钟芯片。该芯片有一条并行总线连接到单片机中,该时钟电路有三个中断源可以对信号进行测试和屏蔽,并且该系统还具有一个124字节的内存可以对一些参数进行存储。图3DS12887芯片的硬件接口示意图。


3.DS12887芯片的硬件接口示意图

3.数据通讯单元

系统的软件设计可以分为下位机设计和上位机设计,他们之间的通讯通过RS485总线和工业以太网进行。单片机以其体积小,价格低和良好的抗干扰性等优点广泛运用在现代控制系统中对现场进行控制和数据进行采集。但是其也存在以下缺陷,例如它的数据存储能力和数据处理能力较弱,必须将采集到的数据通过串口发送到PC端,然后通过PC端对数据进行处理。串口控制元件MScomme运行流程如图4所示。

4.串口控制元件MScomme运行流程

单片机控制单元会把采集到的数据转换为统一的固定格式然后传输到PC机上,串口控制单元的部分通讯程序如下所示:

MSComm1.Settings = "9600,n,8,1
MSComm1.PortOpen = True
cmdopencom. Enabled = False
… …
… …
MSComm1.Output = "#01A" & Chr(13)
V = MSComm1.Input
I1 = Format(20 * Val(Mid(V, 10, 6)), "0.000")
Label1.Caption = I1
I2 = Format(20 * Val(Mid(V, 24, 6)), "0.000")
Label2.Caption = I2
I3 = Format(20 * Val(Mid(V, 38, 6)), "0.000")
Label3.Caption = I3
… …
… …

4.监测系统结构

本监测系统主要是在每相电缆接地线处分别装设一个电流传感器对电缆金属护套中的环流进行采集。通常情况下现场采集单元是远离主控室的,而RS485CAN总线和工业以太网这三种总线程序可以把现场单元和主控单元连接至一个网络当中,只需要在PC机上装设相应的总线适配器即可。

工业以太网在技术上不仅可以和商业以太网兼容,而且可以满足工业现场对产品强度和材料的要求。工业以太网已逐渐成为远程监测系统中一种新的重要通讯方式。基于工业以太网的传输单元与上位机通讯通过使用高级别的互联网协议,然后通过网络发送监测数据到上位机,同时接受从上位机发来的数据。通过这种形式就可以实现PC机端对现场采集单元进行远程控制。本监测系统的结构如图5所示。

5.在线检测系统结构图

5.结论

在完成系统的硬件设计之后,利用实验室中的电缆对此系统的有效性进行了实验验证。首先在电缆某处人为设计一个接地故障,然后对电缆施加高压进行试验。实验结果表明该监测系统能够较好的实时监测电缆金属护套上环流的变化,实现电缆接地故障预警等功能。

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作者简介:唐洁(1989-),女,硕士研究生,研究方向为电线电缆检验检测技术等。

 


 

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