摘要：在继电保护工作中，核对二次电缆的走向是保证工作安全进行的必不可少的步骤。传统的人工摸排法需要耗费大量的时间和人力，因此亟需更加高效的方法。本文首先根据施加信号方法的不同，提出了两种技术方案，即基于串接电流源的屏蔽线通流法和基于法拉第电磁感应定律的屏蔽线通流法。从安全性、经济性、便携性等四个方面进一步比较分析，最终选择基于法拉第电磁感应定律的屏蔽线通流法。随后对装置的硬件回路进行设计分析和装置搭建，将其分为四个主要模块，分别为稳压模块、逆变模块、调节模块和测量模块。最后将手持式二次电缆寻线仪在变电站中进行应用试验，经试验证明，其寻线成功率高、时间短、所需人员少，极大提高了二次电缆寻线工作效率，具有广阔的应用前景。
关键词：二次电缆；电磁感应；接地网；屏蔽线
0引言
变电站内的通讯、保护及自动化等二次设备大多是通过二次电缆实现相互间信号的传递。目前检修工作现场多采用查询电缆标牌的方式进行识别，以明确电缆两头所在的位置。
然而在一些运行时间较久的变电站中，电缆吊牌存在着排列紧密、老化掉落、字迹模糊等情况，在这种情况下，作业人员只能采用两种传统方法来确定电缆源头：基于电缆备用芯核对的备用芯寻线法；基于逐段摸排电缆走向的人工摸排寻线法。
人工摸排寻线法是在没有备用芯的情况下，采用人工拉拽等方法穿过整个电缆通道从源头逐步确定电缆走向。但是该法需要拆除封堵，打开电缆通道盖板，逐段摸排，过程繁琐、耗费时间长，且容易导致运行的电缆松动甚至脱出，从而发生人身及设备事故。备用芯寻线法在实际情况中，经常因现场电缆无备用芯而无法使用。
基于上述情况，本文提出了两种快速核对二次电缆走向的方法，并多维度进行分析比较，基于功能实现分模块设计硬件回路并完成装置搭建。最后将装置在变电站中进行应用试验，其寻线成功率高、时间短、所需人员少，提高了寻线工作效率。
1 寻线基本原理
通过对二次电缆寻线过程进行分析，二次电缆寻线仪需要起到能在电缆一端产生一个明确的“信号”，并在另一端快速可靠地接收核对此“信号”的作用。
因此可以通过设置一个信号源在二次电缆的一端施加一个信号，并在电缆的另一端接收核对次信号，根据施加信号和接收信号的比对，来得出是否为同一根电缆的结论，如图1所示。
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图1 装置概要
在二次电缆上可施加和接收的信号源是电气信号。根据所施加电气信号的方法的不同，可以分为基于串接电流源的屏蔽线通流、基于法拉第电磁感应定律的屏蔽线通流。
2 寻线方法分析比较
2.1 基于串接电流源的屏蔽线通流寻线法
其基本方法为：将保护屏A内二次电缆屏蔽层接地线拆除，用测试仪在屏蔽层接地线与接地铜排之间施加一定大小的电流，由于各屏之间接地铜排互相连通，在保护屏B中通过钳形表钳屏蔽层接地线的中电流的大小，只有在源头施加电流的屏蔽层接地线中会有和源头大小相同的电流，继而寻找对应的二次电缆。方案如图2所示。
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图2基于串接电流源的屏蔽线通流法示意图
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图3基于法拉第电磁感应定律的屏蔽线通流法示意图
该方法优点显著：方法简单，通过测试仪通流简单易行，且测量较为准确，工作人员需要只3人。
但是同时，该方法也存在如下缺点：1）需要将屏蔽层接地线从接地铜排中拆除，同时可能由于几根屏蔽层接地线由一个螺丝固定，拆除时会连带拆除几根固定在一起的屏蔽层接地线，导致其他二次电缆屏蔽层在短时间内未接地，对二次电缆的信号造成干扰；2）测试仪较为笨重，且需要交流电源供电，在户外场地时使用较为不便；3）当屏蔽层没有两端接地时，以及两侧接地铜排之间除了该电缆没有其他电缆相连且接地铜排不连通的情况下，无法通过这个方法快速寻找二次电缆。
表1方法对比分析
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2.2 基于法拉第电磁感应定律的屏蔽线通流寻线法
通过一个交变信号发生源，在本侧（保护屏A）电缆屏蔽层接地线处施加一定大小的电流源，由于地网互相联通，在对侧（保护屏B）电缆屏蔽层接地线处可以通过钳形电流表等工具测得通过的电流，通过比较两侧电流的大小可以得出是否为所寻电缆的结论，方案如图3所示。
该方法的优点为：寻线快速准确；设备简单，易于制作；人员只需2人；安全可靠，不会对运行设备产生干扰。
同时该方法也存在如下缺点：当屏蔽层没有两端接地时，或者两侧接地铜排除了该电缆没有其他电缆相连并且接地铜排不连通的情况下，无法通过这个方法快速寻找二次电缆。
2.3 方法对比分析
对上述两个方法在安全性、经济性、便携性、工作人数四个方面进一步进行对比分析以进行方案优选和确定。如表1所示。
从表1可以发现，基于法拉第电磁感应定律的屏蔽线通流寻线法安全可靠、制作费用低、便于携带操作，同时快速可靠、人员需求少，因此选择该方法。
3 装置设计及搭建
由于需要在屏蔽线中施加信号源，为了防止运行电缆在屏蔽线上产生工频背景噪声，同时若采用低频通信小信号，容易被背景遮盖，需要用昂贵的调制解调设备来提取信号；而采用中高频信号，会受分布参数影响，信号衰减较快。因此，选用120Hz作为本装置的输出信号频率。本装置总体结构分为稳压模块、逆变模块、调节模块和测量模块。
3.1 稳压模块
稳压模块要保证逆变模块的供电，起到将电压稳定、减小纹波的作用，使电压不会随着电源的波动而波动。一般采用阻容降压稳压法和LM2596芯片稳压法。上述两种方法的对比分析如表2所示。
表2 稳压模块方法对比分析
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可见，阻容降压的方法虽然效率较高，但是芯片能耗相对于负载只占一小部分，反倒是对电压质量有更高要求，需要保持恒定，所以选择采用LM2596芯片稳压法。
3.2 逆变模块
逆变模块的作用是将直流电转换成可以通过互感器感应的直流电。在大多数电力电子驱动电路中，都使用以两对MOS管构成的H桥来带载。在驱动MOS管的前级信号的选择上，选择了以下两种方式：单片机SPWM+MOS管H桥；NE555PWM+MOS管H桥。两种方式的对比分析如表3所示。
表3 逆变模块方式对比分析
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采用单片机SPWM堆叠虽然可以获得纯净的正弦波形，但是成本较高，调试困难；采用NE555价格低廉，调试简单，输出的高频正负方波虽然不是纯净正弦波，奇次谐波分量只占其中一小部分，基本不影响测量，所以采用NE555输出的PWM方波更加适合本模块。
3.3 调节模块
带载时，如若电缆长度过短，屏蔽层与大地构成的回路电阻过小，可能导致逆变模块过载，烧坏电路。因此需要设计调节模块，限制输出电流的大小。主要有以下三种方案：限流电阻、可调电阻、限流电阻+可调电阻。三种方案的对比分析如表4所示。
表4 调节模块方案对比分析
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由表4可知，只用限流电阻虽然能保证电路安全，但是其参数固定，无法调节合适的电流输出。可调电阻可以根据现场屏蔽层长度调节合适的屏蔽层电流，但是存在一定的安全风险。第三种方案采用两者结合的方式，可以做到安全性与调节功能兼顾。基于上述原因，调节模块采用限流电阻+可调电阻的方案。
3.4 测量模块
测量对端电流，不仅需要测量120Hz信号分量，还需要将工频的背景噪声分离，有两种技术方案：普通钳形表+工频陷波器；自制钳形表+FFT提取频率，如图4所示。两种技术方案的对比分析如表5所示。
表5测量模块技术方案对比分析
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图4自制钳形表+FFT提取额频率
综合表5所得，选择自制钳形表+FFT变换的方案。
3.5 装置搭建
通过进行多种技术方法的对比分析后，根据选定的设计方案，进行装置搭建，成果如图5所示。
4 现场应用试验
本装置研制完成后，分别在10个变电站进行了现场应用试验。
试验结果表明，采用本装置进行电缆巡线，单根电缆巡线完成平均时间仅为15分钟，相较传统的人工摸排寻线法缩短了105分钟，且巡线正确率达到100%，采用本装置仅需要2人即可完成有关工作，大大提高了工作人员的工作效率。另一方面，装置的投入使用也极大提高了作业的安全性和可靠性。
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图5装置图
5 结论
本文通过对基于串接电流源的屏蔽线通流法和基于法拉第电磁感应定律的屏蔽线通流法的分析和比较，选择了后者作为手持式二次电缆寻线仪的支撑理论方案。进一步将装置硬件设计分解为四个模块，分别为稳压模块、逆变模块、调节模块和测量模块。随后针对每个模块，分别进行多维度方案对比分析，确定装置研制的较优方案并进行装置搭建。最后通过在变电站中的应用试验，证明了手持式二次电缆寻线仪便携易用、安全可靠，可以简化作业流程，极大提高作业人员的工作效率，具有广阔的应用前景。
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论文作者:骆冰磊,傅峡舟,徐靖雯,金公羽
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：电缆论文; 模块论文; 通流论文; 法拉第论文; 屏蔽论文; 方法论文; 装置论文; 《电力设备》2019年第22期论文;