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摘要：核对二次电缆的起始端是变电站改造的必要步骤。传统的核对方式主要依靠备用芯核对或者人工摸排，效率低，安全性差。本文针对二次电缆核对工作的痛点，提出了一种基于非对称相位感应电流信号的二次电缆核对方法，通过对变电站地网与电缆屏蔽层构成的回路，施加正负不对称的感应电流，准确识别电缆对端。经过试验证明，该方法可以正确识别待寻电缆的对端，并且在地网虚接、仅有少量电缆屏蔽层构成回路的情况下，也能保证正确，提升了寻线工作的效率，保障了变电工作的安全，有极大的应用前景。
关键词：二次电缆；非对称相位；感应电流；地网；屏蔽层
0 引言
目前，变电站内的二次设备，例如保护、测控等装置，大多通过电缆进行电气量、开入量与信号量的传输[1]。变电站的扩建、改造工程不可避免的涉及二次电缆的拆接，需要正确核对二次电缆的走向[2-3]。在资料齐全、设备施工规范的情况下，可以通过查询电缆牌结合图纸核对的方式，查找电缆对端。但是部分老旧变电站，存在图纸缺失、电缆牌污损的情况，使得核对难度增加。在这种情况下，只能通过备用芯通电核对或者人工摸爬来确定[4]。
但是备用芯核对法会存在电缆线芯用尽，无备用芯的情况；人工摸爬确认的工作，需要工作人员穿越电缆层，逐段核对，费时费力。此外，这两种方式都存在拆解、拖动电缆的行为，容易导致运行中的设备与线芯的连接拖出，发生事故[5-7]。
针对上述情况，本文提出了一种核对二次电缆走向的方法，能够在不拆解、拖动电缆的情况下，安全的核对电缆起始端，并根据原理设计了装置。在现场试验中具有很好的成效，并且在地网连接不良的情况下，也能准确识别电缆起始端，节省了人员与时间，起到了提升工作效率的效果。
1二次回路接地系统构造
在变电站中，二次电缆负责电流、电压、开入等信号的传递[8]。为了设备的稳定运行，需要避免外部感应电流对二次电缆线芯的影响[9]。
在目前的施工要求中，所有的二次电缆都需要带屏蔽层[10]，如图1所示。在完成二次回路线芯的连接后，需要将屏蔽层中的铜编织网通过接地线，连接至地网铜排上，构成接地回路。经过了接地连接之后，相当于在二次电缆线芯外部构造了一层“法拉第笼”，屏蔽了大部分外界电磁信号，对线芯内部的影响[11]。
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图1二次电缆屏蔽层结构图
由屏蔽层和地网构成的回路，存在于几乎所有的二次电缆，连通性强，电阻小，其中的电信号，不会对内部线芯产生影响，是良好的电气信息传递媒介[12-13]。
2感应电式二次电缆核对方法
2.1 基于电磁感应的二次电缆核对原理
为了在核对电缆起始端时，避免拖拽、移动电缆，本文采用施加感应电流信号的方式进行工作。待核对电缆屏蔽层，与其他电缆屏蔽层和地网构成的回路如图2所示。
从示意图中可以看出，在待核对电缆一端施加电流信号时，电流流过该电缆屏蔽层，再经过其余电缆与地网并联所组成的回路回流至待核对电缆始端[14-15]。根据基尔霍夫电流定律[16]，待核对电缆屏蔽层上，电流大小即为始端电流大小，地网与其余电缆屏蔽层的分流之和为始端电流大小，其余屏蔽层上的电流远远小于施加电流。
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图2 二次回路接地网结构图
对于理想接地的屏蔽线网络，可以通过测量电缆接地处电流判断是否为对侧电缆：如果测量电流与施加处基本相等，则为待寻电缆对端；如果远远小于施加电流，则为其余电缆。
2.2 信号源的非工频改造
然而，由于运行设备的存在，屏蔽层中，往往存在工频感应电流[17]，会对施加的电流信号产生干扰，可能会导致待寻电缆与其余电缆电流测量大小接近，难以分辨电缆对侧，因此，需要在施加信号上，与工频有所区分。
站内用电频率一般为工频50Hz交流电，施加信号需要避开工频及其谐波频率，本文中选取70Hz作为信号频率[18]。
当屏蔽层中，存在大小相当的两种频率电流时，钳形电流表无法准确区别每个频率的大小，因此需要自行开发装置进行信号检测。
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图3 非工频信号目标电缆对端检测流程图
本文采用傅里叶分解作为频率分量提取的方法[19]，分析目标频率的分量大小。如果检测到的屏蔽线电流，在目标频率上的分量与信号施加处大小接近，则表明检测电缆为目标电缆对端，流程图如图3所示。
2.3 基于非对称相位技术的电流方向判定
如果一个屏蔽线网络良好接地，那么通过前文所述的方法，可以准确的判断出目标线缆的对端。但是，在实际工程中，会出现接地不稳定、虚地的情况[20]，极端情况下，会出现感应电流从一条屏蔽线施加，从另外一条屏蔽线返回的情况，如图4所示。此时，两条线缆屏蔽线上测得的电流值，与目标电缆基本相等，如果还是按照前文的规则来进行判定，则可能出现错误，因此，需要设计一种可以分辨电流信号的方向的手段，来改进测量方式。
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图4 屏柜接地排未完全接入地网
传统的交流信号正负对称，如果需要判定方向，则需要在电源施加处与检测处进行相位比较。如需进行工频周波时间级别的对时，需要两侧测量信号的对时误差达到毫秒级，即信号的1/4周波。如果依靠精确对时来核对相位，对通信装置要求极高，实现成本大，并且鲁棒性不佳[21]。因此，本文设计了非对称相位的信号源，可以使信号在形态上具有特异性，能在不核对相位的情况下，判断电流信号的极性，为电缆识别精准度的提升提供了可能。
在非对称相位信号中，一个周波内，设计正半周波与负半周波，不完全对称，正半周波的时间比负半周波时间长，如图所示。
6（a）占空比50%方波与感应后波形
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6（b）占空比70%方波与感应后波形
图6 方波示意图
3.2自动化判定机制
在施加信号后，检修人员需要核对波形来判定是否为目标电缆对侧。由于变电站中电缆距离较长，并不能完全等效于集中参数模型，考虑到分布参数的影响[24]，各谐波分量可能产生相位的偏移，检测人员在测量处观察的结果可能会产生波形畸变[25]，对观测结果产生干扰。针对上述情况，本文设计了一套自动化判定流程，用于确定是否为目标电缆对端。判定流程如图所示。
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图7 非工频信号目标电缆对端检测流程图
在接收信号后，首先进行信号幅值判定，进行傅里叶变换，提取信号频率分量，根据该分量与信号源处的幅值的差距，判定是否为疑似电缆。
在满足幅值要求后，需要进行方向判定。由于正负波形不对称，因此可以通过周波内的积分量，进行方向判定。对于正向波形，在一个周波内的积分值为正；对于负向波形，则相反。
由于变电站环境下工频分量的存在，屏蔽线中存在一定的工频电流，会对信号周波产生干扰。为了排除工频信号的影响，本文将计量周期调整为信号周波与工频周波的整数倍，即0.1S。在最小公倍数的时间内，由于工频周波正负对称的特性，工频量与工频谐波分量在积分周期内相等，因此不会对施加信号产生影响。如果测量处积分值与施加处基本相等，则与施加处方向相同，证明了测量处为目标电缆的对端。
综上，在进行电缆校验时，需要满足两个条件：一是测得的波形在信号频率下的分量与施加信号处基本相等，满足幅值要求；二是测得波形在计量周期内，电流积分值与施加处基本相等，满足方向要求。如此则证明，测量处即为目标电缆对端。
3.3 硬件设计
在上文基础上，本文设计了用于工程实用的硬件，分为如下几个部分。
信号模块：以555方波发生器为主搭建占空比可调的方波发生模块，用于产生占空比可调的PWM方波作为源端的非对称相位信号[26]。
驱动模块：二次电缆距离长，存在分布参数影响，如果直接用信号发生模块作为输出，不足以产生足够大小的电流，使得目标电缆对端能准确测量。因此，本文设计在信号模块之后，加装IGBT作为驱动模块，通过电力电子装置，产生足以带动回路负载的电流[27]。
感应模块（发送、接收）：感应模块由开合式互感器构成，分为施加侧和测量侧[28]。施加侧将IGBT输出的方波信号感应至屏蔽线与地网组成的回路；测量侧将屏蔽层中的电流感应至测量装置，进行测量。
测量模块。测量模块将感应的电流进行模数转换，将电流模拟量转换为离散的数字信号[29]，在完成后方能交由判定模块进行处理。
判定模块。判定模块由嵌入式芯片构成，其中固化了时频转换、积分计算、阈值判定等功能程序。最后电缆对端判定由该模块完成。
综上，硬件的整体框架如下图所示。
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图8 装置整体框架
4 现场验证
本文根据前文的成果搭建了测量装置，如图所示：
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9（a）信号发生装置
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9（b）测量与判定装置
图9 装置实物图
采用该装置，本文在浙江省舟山市XX所变电站内进行了电缆核对试验，分别对各种实际情况进行了验证，并对频域提取法与改进的非对称相位比较法进行了实施与比较。
信号测试在XX站XX屏柜至XX屏柜的电缆上进行，由于XX站新建造完成，二次电缆连接正确完善，地网衔接牢固，因此选择用于进行设备信号测试。
4.1 信号基础测试
本文分别在信号源中施加不同类型、不同强度的信号，在信号源施加处与对端进行测试，结果如表1所示。对于电缆施加信号端的对端而言，无论是原电流信号还是70HZ分量，对端电流信号都大于0.95倍的施加处电流信号；而相邻电缆的末端电流均远小于0.95倍的施加处电流。因此，从测试结果可以看出，感应电流信号可以在接地回路中良好的传递，在无外界干扰时，对于对称信号和70%占空比非对称信号的不同强度的电流信号而言，都可以良好的甄别目标电缆。
表1 基础信号测试
4.2 信号抗干扰测试
为了测试工频信号对测量信号的影响，本文在测试电缆上施加了不同强度的工频电流信号，测试在不同信号提取的方法下，电缆末端的测量情况。其中，干扰电流分别为0.5A和1A的工频信号，测试信号分别为1A的对称信号和1A的70%占空比非对称信号，结果如表2所示。
表2 抗干扰测试
测试结果表明，当施加信号为对称信号时，无论是对称信号和70%占空比非对称信号，在施加信号电缆的末端和相邻电缆末端非常接近，均大于0.95倍施加处电流。此时，无法根据此方法完成电缆对端核对。证明工频感应电流的干扰会对电流测量结果造成较大干扰，导致待寻电缆与其余电缆电流测量大小接近，难以分辨电缆对侧。为此，通过提取电缆末端70HZ分量，消除工频噪声的影响。此时可准确区分目标电缆对端和相邻电缆对端。
4.2 非良好接地情况测试
在屏蔽线网络非良好接地情况下，屏蔽线上施加的电流无法从地网分流，可能出现2.3中所述的情况。因此，本文拆除了XX屏柜的接地铜排，只留两根至对端屏柜的电缆进行实验，测试结果如表3所示。
测试结果表明，在该种工况下，对于测试信号分别为1A的对称信号和1A的70%占空比非对称信号，目标电缆对端70Hz分量小于0.95倍的施加处70HZ分量。此时，频率分量无法准确鉴别目标电缆；而采用了非对称相位周波信号的周期积分值，可以用来准确鉴别目标电缆。其中，当施加信号为对称信号时，施加处和末端周期积分值均为0，而对于70%占空比非对称信号而言，由于正向波形与反向测量波形不一致，正半波形时间相比负半波形较长，因此积分值不为零，且满足0.95倍判别条件。
表3 地网松动测试
5 结论
本文针对传统二次电缆核对方法效率低、安全性差的问题，提出了一种基于非对称相位感应电流信号的二次电缆核对方法，该方法具有如下特点：
（1）能够在不拆解、不拖动电缆的情况下，安全的对电缆起始端进行核对，避免繁琐的人工摸排，提升二次电缆核对的效率；
（2）能够通过频率提取法提取频率分量消除工频信号对测量信号的影响；
（3）在屏蔽线网络非良好接地的情况下，能够通过非对称相位周波信号的周期积分值准确鉴别目标电缆对端。
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作者简介：
董亮清（1993—），男，大学本科，助理级工程师，主要从事变电检修工作。
位一鸣（1989—），男，硕士研究生，工程师，主要从事变电检修工作及电力系统人工智能技术相关研究工作。
基金项目：国网浙江省电力有限公司群创项目（5211ZS180010）。