穿墙套管支撑板过温研究及检测装置研制

国网江西省电力有限公司九江供电分公司 邹光涛 周 皓 卢 敏 余 斐 黄 彪

天津大学 邹宛铭 电子科技大学 张震霆

高压穿墙套管广泛应用于电力系统中，在导电部分穿过墙壁或其他接地物时起到绝缘和支撑作用，根据材质可分为干式电容型穿墙套管和瓷绝缘穿墙套管。由于穿墙套管导体部分流过交变大电流，会在其金属固定底板上产生涡流损耗造成局部过热，当温度超过穿墙套管绝缘材料耐受极限时易造成击穿，发生接地、短路等安全事故[1]。主变低压侧穿墙套管通过大电流时，因电磁感应在金属固定底板上产生涡流造成局部过热，当温度超过穿墙套管绝缘材料耐受极限时易造成击穿，发生接地、短路等安全事故。针对底板严重发热问题常采取底板开槽补铜、金属法兰开槽、用低磁导率材料重新制作底板、安装永磁体阵列等方式进行处理，但其处理效果无法在停电状态下得到验证。

为了抑制支撑底板内的涡流损耗引起的过热，常采取底板开槽补铜、金属法兰开槽、用低磁导率材料重新制作底板、安装永磁体阵列等方式进行处理[2]。无论哪种处理方式，其实际效果均难以在停电状态下得到验证，因处理不到位需要重复停电进行优化的情形时有发生，因此研究一种即时检验处理效果的方法十分必要。

1 理论及实践依据

根据法拉第电磁感应定律交变电流通过导线时，会在导线周围产生交变的磁场，处于交变磁场中的介质导体内部将会出现涡旋电流，涡旋电场推动导体中的载流子运动产生涡旋电流焦耳热效应，使得介质导体产生温升。

1.1 穿墙套管结构

穿墙套管主要由绝缘瓷件、安装法兰和导体三部分组成。其中，穿墙套管通过安装法兰固定在底板上，如图1所示。

图1 高压穿墙套管剖视图

导体在运行中流过负荷电流建立交变的磁场，进而在其周围的金属底板、金属法兰等部位造成涡流损耗引起的过温。

1.2 理论依据

介质导体处于交变磁场中，其磁感应强度大小与介质磁导率有关：B=μ×H=μ0×μr×H。式中μ0为真空磁导率，μr为介质相对磁导率，H为磁场强度。在铁磁质中，B与H的关系是非线性的磁滞回线，μr不是常量，与H有关，其数值远大于1。根据资料铜的相对磁导率μ=0.99990＜1.0；不锈钢的相对磁导率1.0≤μ≤1.3；铁的相对磁导率μ的取值范围是200～400；硅钢片的相对磁导率μ的取值范围是7000～10000。

涡旋电流的大小与感应电动势有关，其中感应电动势的大小可由：e（t）=-n（dΦ）/（dt），或E=BLV来求得。其中B=Φ/（n×Ae）。此处n的取值为1。Φ是一个与介质导体的磁导率有关的量。基于此，抑制穿墙套管底板过温主要有几种思路：切割断铁磁介质，再用铜介质补焊接，使得介质的相对磁导率μ变小，减小涡旋电流；直接用低磁导率材料重新制作底板；安装适当的永磁体阵列直接抑制介质导体内磁感应强度大小。

1.3 涡流损耗计算模型

磁性材料涡流损耗的计算，可采用Maxwell方程组来进行研究，考虑到导体长度远大于底板的厚度，简化轴向影响，在柱坐标下底板中的感应涡流密度Je和单位体积底板内的涡流损耗P可分别表述为[2]：、，式中：，μ为材料的磁导率，σ为材料的电导率。可见涡流损耗的大小与系数α和磁感应强度B有关。

1.4 线圈感应电流

穿墙套管支撑板内部的涡旋电流无法直接测量，根据变压器原理，可利用涡旋电流的感应电流来间接测量穿墙套管支撑板内部的涡旋电流大小，从而判断穿墙套管支撑板在运行状态下会否存在过温运行的情况发生。

在底板相间的闭环通道上设置线圈如图2所示，由于电磁感应，在套管导体通流时产生的交变磁场在闭合线圈中将激发感应电动势ε进而出现感应电流I：、I=U/R，其中：n为线圈匝数，磁通量Φ=BS（B是磁感应强度，S是正对磁场的面积），R是线圈电阻。由此可以通过线圈感应电流的大小，对底板过热情况进行预判。

图2 原理示意图

2 技术方案

检测装置采用大电流输出，模拟穿墙套管底板的实际运行情况，并通过线圈感应得到的电流对过温情况进行评估。所研制的设备由大电流发生器、大电流调节控制系统、一次电流监测取样系统、二次电流监测系统、数据采集及控制集成分析系统、数据显示系统、测试及分析判定软件组成，设备框架如图3所示。

图3 设备框架图

为实现上述目的，该检测装置具有如下特点：输出交流电流可调，0～600A，默认输出600A，输出稳定度大于1%，分辨率1A。感应信号测量范围0.1mV至20.0V，精度0.5%，分辨率0.1mV；设备操作界面简单友好，全中文显示，7寸彩屏，背光显示强，感应信号抗干扰能力强，数据稳定可靠，一次可同时测试支撑板的两个焊缝间隔，电流输出线大于10m，方便现场操作；设备轻便，易于搬运；测试速度快，一次几分钟内就可测试完一块支撑板。

3 系统构成及效果检查

穿墙套管过温检测装置基于STM32F407构架，由一次大电流发生器、大电流调节控制系统、一次电流监测取样系统、涡流监测系统、数据采集及控制集成分析系统、数据显示系统、测试及分析软件等组成。系统启动后，根据指令启动一次大电流发生器，根据监测电路采样值，通过调节控制电路调节一次大电流的大小至设定值，并检测此设定一次大电流下二次涡流的大小，进而判断试品是否合格，其流程图如图4所示。

图4 系统工作流程图

图6 涡流检测传感器原理图

图7 铁板实测（AB间开槽后补铜焊，BC间无开槽）

图8 不锈钢板实测

交流大电流发生器。大电流回路负载为一条10m长截面积200mm2的铜导线，其电阻值R=10mohm，对其施加低电压时，可产生很大电流。负载两端连接调压器，采用闭环控制回路控制可以获得稳定的电流。

涡流检测传感器。涡流检测传感器设计源于电磁感应原理，感应电动势为E=n×ΔΦ/Δt。为了增加信号（E）的有效性，线圈采用非屏蔽电缆线多匝绕制（n=150）；取样电阻采用大阻值（10Ω）、大功率（10W）、高精度（0.1%）电阻。壳体采用非磁屏蔽材料铝合金材料制作，减少了有效信号的损失。

信号处理电路。其设计采用多路模拟选择开关，可灵活调节放大倍数，得到合适的有效信号，调节放大倍数的电阻采用高精度（0.02%），有效保证采样信号的准确度；模数转换电路。采用AD7606芯片，该集成电路具有采样精度高（16bit），转换速度快，最高可达200kbp。6路模拟量输入可同时采样，16bit的并行接口输出，方便与高性能处理器对接。大大提高了处理效率。

核心处理单元。采用高性能32位ARM核心处理器（STM32F407），该处理器支持浮点运算，主频速度最高可达168Mhz，兼容16bit，8bit宽度外部并行接口。自带2MB字节Flash，192K内部RAM；显示输出单元和键盘输入单元。其设计采用RA8875芯片，该芯片支持800x480分辨率的彩色液晶屏（LCD），4×4键盘扫描阵列。

效果检查：在同一通流条件下，对整块未开凿的铁板、开凿后补铜焊的铁板和不锈钢铁板的感应电流进行实际测量检验装置的有效性，测试数据见表1。

表1 线圈感应信号测试数据

测试结果表明，通过感应电流测试能有效反映穿墙套管底板过温缺陷的治理效果。

穿墙套管底板的过温情况，同实际运行时的电流密切相关，以往只能通过红外热像仪观测到过温后再申请停电检修。通过穿墙套管底板过温检测装置的研制，可在底板安装前检测，对其运行中可能的过温情况进行研判，指导治理工作的开展，可以从源头杜绝穿墙套管支撑板过温情况的发生。样机的研制和实际测试结果表明，通过感应电流测试能够对涡流损耗引起的底板过热情况及治理效果进行评估，能够有效指导检修工作的开展。