摘要:电缆分支箱作为具有经济、可靠、维护方便的特点是城网电缆化改造的重要首选设备，其安全稳定地运行对供电可靠性起着至关重要的作用。电缆分支箱受到安装工艺不达标、绝缘性不达标等因素影响时常发生故障。然而电缆分支箱覆盖面广，也缺少相关的监控技术手段，导致运维人员无法及时高效解决故障及隐患。如何在故障、受灾等情况下，及时获取电缆分支箱的电气工况信息与定位故障点，对现场抢修工作进行远程指导，一直是配网管理中比较常见的安全生产难题。为应对电缆分支箱的监测要求，提出了一种微功率无线传输电缆分支箱综合监测装置的设计方案，设计方案包含了电缆分支箱综合监测装置样机的构架、传感装置、高穿透性数据通信终端、综合监测系统等多个模块。
关键词:配电网；电缆分支箱；微功率；综合监测；状态监测
1.概述
随着现代社会不断发展与进步，城市规划和建设越来越受到重视，10kV电力电缆线路在逐步替代城市中10kV架空配电线路。而电缆分支箱作为具有经济、可靠、维护方便的特点是城网电缆化改造的重要首选设备，其安全稳定地运行对供电可靠性起着至关重要的作用。目前被广泛使用的电缆分支箱主要可以分为欧式10kV电缆分支箱、美式电缆分支箱和带SF6开关的电缆分支箱。其特点各有不同，但都具备以下共同的特点体积小、结构合理，安装方便、坚固耐用、绝缘性好、密封性好等。
但在10kV电缆分支箱实际运用过程中，受到各种因素的影响10kv电缆分支箱往往不能够发挥其全部的优点，仍然容易造成大范围停电的事故，对配电网的发展及供电可靠性产生了巨大的负面影响。主要影响因素有以下几方面：
①10kV电缆分支箱安装工艺不达标。在实际安装过程中，安装人员没有严格执行相关电缆分支箱的安装过程，导致电缆接头与绝缘套管密封不良及因螺帽未拧紧加速了放电的现象时常发生；
②10kV电缆分支箱的绝缘性不达标。10kV 电缆分支箱的绝缘性能是电力电缆线路安全稳定运行的重要考核指标之一，决定了该线路的绝缘稳定性。设备绝缘性降低的大部分原因，发生在箱内T接头处。例如美式10kv电缆分支箱其具有单向门，母线套管采用硅胶绝缘，柜体小，组合多样，绝缘性和密封性良好的特点。但如果在安装时导致电缆T接头与轴接头的绝缘性不良，当箱体湿度高且内外温差大时，箱体璧上会发生冷凝现象，导致硅胶绝缘体在长期使用下会出现龟裂，从而大大降低了电缆分支箱的绝缘性。而欧式10kv电缆分支箱也存在着同样的问题，如果电缆T 接头附件和避雷器尺寸与分支箱绝缘套管尺寸不匹配，则容易形成电缆T 接头与套管密封不良，水分容易进入套管，导致套管及T 接头处形成对地放电，随着设备的运行且没有及时发现问题最后将会穿绝缘套管形成贯穿性放电通道。
③10kV电缆分支箱的运维管理难度大
电缆分支箱大多数分布在人员密集的城市中且范围广，目前大多数电缆分支箱运维任然过分依靠运维人员，运维效果往往难以够达到理想的规定要求。因此当发生停电时，无法迅速判断是否是电缆分支箱发生故障，且不能快速找到故障点。
2.电缆分支箱综合监测装置的整体设计需求
电缆分支箱综合监测装置是由传感装置、高穿透性数据通信终端和综合监测系统组成。其主要功能是收集电缆分支箱的工作电气状况，快速识别故障类型和定位，实现实时监测10kV电缆分分支箱的运行状态。电缆分支箱各项电气运行状况采集是综合监测装置最基础的功能之一。为了有效的为电缆分支箱综合监测装置提供基础服务，电缆分支箱综合监测装置具备下基本的功能：一方面能够在不同工况下，对所需的电气工况信息进行精确采集；另一方面要将这些数据快速安全的进行传输，确保综合监测系统能够准确体现这些数据并分析。
为了实现上述功能，综合考虑各种因素的影响，必须要满足以下基本的运行要求：
（1）针对不同工况下的电缆分支箱，传感装置的电流采样精度在10A～1000A时应达到±3%，温度采样精度应达到±1℃，对地电场高速录波为4kHz。
（2）针对综合监测装置在线取电的功能，不能因为供电不足这种小问题造成大影响，为了保证充分的可持续供电，必须配置相应的蓄电池。此外，为了快速准确的传输数据，利用微功率无线传输技术实现近距离实时传输。
（3）针对电缆分支箱的柜体坚固耐用的结构特点。通信终端应具备数据高穿透性，以确保传输数据的真实性。
在软件系统设计方面，主要由网络输入端和用户输出端组成。其中，网络输入端主要是通过高穿透性数据通信终端获取电缆分支箱的各项运行电气工况及故障电流信息和定位等数据；用户输出端主要是根据不同用户的需求而提供各种服务。用户的需求分析，综合监测系统主要作用是实时监测电缆分支箱的各项电气工况，当故障发生时快速识别短路、接地故障并定位故障点，实现快速运维。有效地提高电缆分支箱的故障隔离能力和使用寿命，能够最大限度的缩小了由于电路故障所引发的停电面积，加大配电用户的可靠用电性。因此综合监测装置用户主要分为运行人员、检修人员和管理人员，为满足数量庞大的用户及范围广泛的区域内电缆分支箱的实时监测，系统网络应该连接到企业自有的网络，速度要求不低于2Mbit/s。鉴于用户层面的广泛性，应当针对不同级别，不同性质的用户设置相应的访问权限，限制其只能访问其职权范围内的数据信息。
3.电缆分支箱综合监测装置设计
3.1电缆分支箱综合监测装置的传感装置设计
传感装置主要安装在电缆分支箱内，主要包括自感应取电线圈、电池充放电管理模块、数据分析处理模块、微功率无线通信模块、采集模块、电池和保护电路模块六个部分。电池和保护电路模块、电池充放电管理模块、自感应取电线圈构成了传感装置的电源电路。当电缆分支箱内电缆电流大于传感装置的启动电流时，自感应取电线圈能够给传感装置提供电源，同时可通过充电管理模块给电池充电；当电缆分支箱内电缆电流小于传感装置的启动电流时，电池通过放电管理模块给传感装置提供电源。采集模块能够对电缆分支箱进行4K以上高速录波，获取准确的温度（相对）值、电流值等数据传输给数据分析处理模块。数据分析处理模块控制采集模块采集电缆分支箱的运行电气工况，并读取各项数据，通过对数据转换、压缩处理和通过微功率无线通信模块将数据传输给高穿透性数据通信终端。
图1. 传感装置内部组件图
3.2 电缆分支箱综合监测装置的高穿透性数据通信终端设计
高穿透性数据通信终端主要是通过微功率无线传输获得传感装置采集的电缆分支箱的各项运行电气工况等数据，然后实现数据的转发和本地存储。高穿透性数据通信终端内主要包括充放电管理模块、微型PT电源模块、自感应取电线圈、微功率无线通信模块、4G通信模块、控制CPU模块、本地储存模块等部分。高穿透性数据通信终端通过微功率无线传输模块接收传感装置的高穿透性数据，并将获得的数据通过4G通信模块传送给综合监测系统，同时也可将获得的数据储存在本地，形成记录方便服务器随时调用。高穿透性数据通信终端能够接收综合监测系统的召测命令，快速下达采集数据的命令并上传。高穿透性数据通信终端与系统通信规约为101、104规约。高穿透性数据通信终端采用模块化以及低功耗的设计，支持CT自取电供电或PT供电可选。
图2.高穿透性数据通信终端内部组件图
3.3 配电网架空线路图像监测装置的综合监测系统设计
综合监测系统主要包括数据接入模块、数据管理与处理模块、数据状态显示模块、数据库等几部分。数据接入模块主要为通信终端与综合监测系统之间建立通讯传输管理和101、104规约解析和封装工作。其中通讯传输管理部分主要是针对设备上线，掉线，超时，正常通信等情况进行处理，101、104规约解析与封装主要是接收设备的101、104报文，解析，获取数据，并将数据传送给数据管理与处理模块。当数据管理与处理模块有需求需要实时监测采集数据时，连接传输部分对数据按照101、104规约要求封装并发送,。数据管理与处理模块主要是协调数据状态显示模块与通讯终端对数据库的读写操作，实现实时数据储存、读取、更新等功能。用户可根据数据状态显示模块可以查看10kV电缆分支箱实时电气工况。
图3.综合监测系统内部组件图
3.4微功率无线传输设计
系统中核心的技术是采集电气工况信息及微功率无线传输数据，由于采集数据的精确传输属于整个设备的核心，微功率无线传输方案的好坏对监测效果起着决定性作用。由于采集数据量相当大，设备要具备对数据进行压缩的微功率无线传输，该方案能够降低信号传输的成本，从而保障电缆分支箱采集信息传输正常，确保能够实时监测电缆分支箱的运行状况。
4. 结论及应用效果
本文分析了电缆分支箱的研究背景和研究状态，介绍了其重要性及其导致故障发生的主要原因。以及现有运维手段仍然主要依靠人工，缺乏一种对其远程全面的在线监测手段。为此，本文建立了一套电缆分支箱综合监测装置，可实现电缆分支箱运行状态的在线监测，提前识别故障隐患。最终可有效地提高电缆分支箱的故障隔离能力、有效缩小了由于电路故障所引发的停电面积，并能够加大配电用户的可靠用电性。
1）系统解决了安装在箱内设备的供电问题。通过自感应取电线圈的应用，实现了不受环境因素的影响能够24小时不间断提供电源的目标，无须外部接入电源。
2）解决了通信传输通道问题。通过采用微功率无线传输技术，大大降低设备功耗的同时确保数据高穿透性，保证数据的准确性和输信息的安全性。
3)解决了过度依赖人工的电缆分支箱运维难题。基于电缆分支箱综合监测装置可以在实现远程实时监测电缆分支箱的运行工况，大大降低人员巡检难度。
4）解决了对危险事故的预警问题。传统的配电网监测方法难以实现设备危险警示。基于电缆分支箱综合监测装置通过实时监测功能，可以快速、准确响应，防范于未然。
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论文作者:潘炳红
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
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