嚴有祥

高壓電纜護層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的研制與應用

嚴有祥

福建省廈門電業(yè)局

分析了高壓電纜線路護層絕緣狀況與護層循環(huán)電流之間的關系，提出了監(jiān)測護層循環(huán)電流變化情況可以有效監(jiān)測高壓電纜線路絕緣變化情況的論點。在理論分析和實測數(shù)據(jù)的基礎上，提出了判斷護層絕緣狀況的判據(jù)。以上述理論為基礎，研制了一套護層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，安裝在220KV電纜線路上，實現(xiàn)對電纜護層絕緣、電纜金屬護層接地箱和接地電纜的在線監(jiān)測。

高壓電纜 護層絕緣 監(jiān)測系統(tǒng)

110kV及以上電纜主要是單芯電纜。因單芯電纜金屬護層與芯線中交流電流產生的磁力線相鉸鏈，使其兩端出現(xiàn)較高的感應電壓，故需采取合適的接地措施，使感應電壓處在安全電壓范圍內（通常不超過50V，有安全措施時不超過100V）。

通常短線路單芯電纜的金屬護層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護電阻接地的方式；長線路單芯電纜金屬護層則采用三相分段交叉互聯(lián)兩端接地的方式。不論采用哪種接地方式，良好的護層絕緣都是必要的，護層絕緣的損傷將使金屬護套多點接地，從而產生護層循環(huán)電流，增加護套損耗，影響電纜載流能力，嚴重時甚至會使電纜嚴重發(fā)熱而燒毀。此外，保證高壓電纜線路每金屬護套至少有一處良好的接地點也十分重要。若直接接地點由于各種原因未能有效接地，那么電纜金屬護套的電位就會急劇升高到幾千伏甚至一萬伏，很容易把電纜外護套擊穿并在擊穿點持續(xù)放電，造成電纜外護套溫度升高甚至著火燃燒，國內外這樣的事故案例已有很多。

1 現(xiàn)有護層絕緣檢測手段分析

傳統(tǒng)的監(jiān)測手段主要是通過停電測量護層絕緣電阻或帶電用鉗型電流表測量護層循環(huán)電流。近年來，為了提高輸電線路的可靠性指標，高壓電纜停電檢修的機會越來越少。由于地下電纜所處的環(huán)境復雜，采用傳統(tǒng)的手工測量護層循環(huán)電流越來越困難。以廈門電業(yè)局為例，目前共有70回路電纜，其中直接接地箱120個，交叉互聯(lián)接地箱80個，這些箱子要么在桿塔上，要么在接頭工井內，要去測量他們的護層循環(huán)電流、測量電纜接頭及附屬設施的溫度需要花費大量的人力物力。所以，有必要研制出一套智能化的高壓電纜護層絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，以提高工作效率和防止電力事故發(fā)生。

2 高壓電纜線路護層循環(huán)電流與護層絕緣之間的關系分析

2.1 護層循環(huán)電流與護層絕緣之間的關系

通常短線路單芯電纜的金屬護層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護電阻接地的方式（如圖1示）；長線路單芯電纜金屬護層則采用三相分段交叉互聯(lián)兩端接地的方式（如圖2示）。但當線路單芯電纜的金屬護層出現(xiàn)兩點或多點接地時就會在金屬護層中形成環(huán)流，環(huán)流的大小與電纜相應的長度，導體中電流大小有關。當金屬護層中環(huán)流較大時（嚴重時可能會達到主電流的50％以上），環(huán)流損耗會使金屬護層發(fā)熱，破壞電纜的主絕緣，威脅電纜運行安全。

所以，在高壓電纜的實際運行中，電纜芯線運行電流是否超負荷、主絕緣及護層絕緣是否存在缺陷，都可以從電纜金屬護層循環(huán)電流的變化反映出來。若能實時監(jiān)測運行電纜金屬護層的循環(huán)電流指標，對于避免電纜長期過載運行，負荷調節(jié)，安全運行維護等方面都具有重要意義。

2.2 護層循環(huán)電流理論計算

如前所述高壓電纜金屬護層接地方式主要有單端接地和交叉互聯(lián)接地。對于長電纜線路，有時也采用這兩種接地方式的組合，如圖1及圖2所示，他們的等值電路如圖3所示。

圖1 金屬護層單端接地系統(tǒng)

圖2 金屬護層交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)

圖3 電纜護層環(huán)流等值電路

圖3中E1、E2、E3分別為三相電纜芯線電流在A、B、C三相金屬護套上產生的感應電勢，E1/、E2/、E3/ 分別為三相電纜護層上的環(huán)流Ⅰs1、Ⅰs2、ⅠS3在A、B、C三相金屬護層上產生的感應電勢，R1、R2為電纜護層兩端接地電阻，Re為大地的漏電阻，R為金屬護層的電阻，X為金屬護層的自感抗。

對于圖3，假設電纜線路長度為L，其電壓方程為：

其中R=Rsn，Rs為單位長度電纜金屬護層的電阻；Rc=Rgn，Rg為單位長度的大地的漏電阻；X=2ω㏑(2Dc/Ds),Dc為金屬護層以大地為回路時回路等值深度；Ds為金屬護層的直徑；X1=2ωln(Dc/S)為單位長度中相和邊相金屬護層的互感抗；X2=2ωln(Dc/2S)為單位長度邊相與邊相金屬護層的互感抗；Es1、Es2、Es3分別為三相金屬護層上單位長度的感應電勢。因電纜是平行敷設且金屬護層是不交叉兩端接地，故有如下感應電勢計算公式：

2.2.1若電纜平行敷設，電纜單端接地，另一端經(jīng)護層保護器接地，則相當于R1無窮大，另一端流入大地的只有電容電流，則經(jīng)直接接地端流入大地的電容電流：

式中C是電纜線路對地電容，U是相電壓，對于400mm2，110kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，C≈0.17μF/km，如果電纜長度為1000m，則電容電流

Ⅰ=314×0.17×10-6×1.0×110×103=5.8(A)

此時，流經(jīng)直接接地端的電流與線芯電流無關。

2.2.2若由于電纜護層絕緣被破壞,造成電纜的金屬護層發(fā)生多點接地（如圖4中的R1）。因R1為直接接地，阻值很小，故障將使金屬護層中形成很大的環(huán)流。其它兩相的金屬護套沒有形成多點接地，其環(huán)流可以不予考慮。這時不能按前述公式計算感應電勢，只需考慮三相纜芯電流對故障相金屬護套的感應電勢所引起的環(huán)流。

電纜的金屬護套可視為同心的套在纜芯周圍且其薄壁呈圓柱體，因其壁厚遠小于其直徑，故可將金屬護套的自感視為零，見圖4。

圖4 電纜單回路磁場

此時，設三相纜芯電流分別為ia、ib、ic；介質磁導率為μ，則距離A電纜中心x處的磁感應強度Bx=μia/(2лx),故與護套相交鏈的磁通dψx=(μia/(2лx)dx,A電纜電流產生的磁通與A電纜自己護套交鏈ψAA在x∈[S,Db]范圍中表示為：

即有A電纜金屬護套的總磁通ψA=ψAA+ψBA。

將Ⅰs2=0,Ⅰs3=0和Us代入圖2回路電壓方程,則A相金屬護套環(huán)流。

其中, X=ψL; R為金屬護套直流電阻;Rc為大地的漏電阻與兩點接地電阻之和,Es為金屬護套的感應電勢。護層故障相護層循環(huán)電流：

從上述理論分析可以得到以下結論

2.2.3對于護層絕緣良好的單端接地電纜線路，流入直接接地端的僅有電容電流，數(shù)值很小，與電纜結構尺寸有關，與電纜線芯電流無關。

2.2.4對于有護層絕緣缺陷的電纜線路，由于護層循環(huán)電流的存在，流入直接接地端的電流將上升，具體電流值與護層的接地點和接地電阻有關。對于特定的電纜線路，在外部環(huán)境沒有發(fā)生變化的情況下，護層循環(huán)電流和線芯電流的比值應該是一個常數(shù)。

2.3 實測數(shù)據(jù)

為了驗證上述理論的分析結論，我們選取了110kV蘭江線、安枋Ⅰ、Ⅱ回、安縣Ⅰ、Ⅱ回、220kV禾半Ⅰ回等五回路電纜做實際測量，比較其在單端接地和兩端接地情況下，護層循環(huán)電流的理論值和實測值，結果如表1示。

表1 單端接地系統(tǒng)護層循環(huán)電流值理論計算和實測比較

從上表可以看出，在通常情況下，對于單端接地系統(tǒng)，若電纜的護層絕緣良好，則其直接接地端對地電流很小，一般不超過線芯電流的10%。當電纜護層受到破壞時，護層循環(huán)電流會增大，其值與電纜護層接地點的位置和護層故障電阻以及接地點接地電阻有關。故障點離直接接地端越遠，則護層循環(huán)電流越大，在極端情況下，故障點在護層保護器側時，達到最大值。

在實際運用中，對于特定的電纜線路，護層循環(huán)電流/線芯電流基本上是個恒定值，其波動很小。

2.4 護層絕緣狀況判據(jù)

在大量實測和理論計算的基礎上，本監(jiān)測系統(tǒng)提出了判斷高壓電纜護層絕緣異常狀況的判據(jù)：

（1）護層循環(huán)電流值/線芯電流值≥10%

（2）相同時段內護層循環(huán)電流變化率/線芯電流變化率≥1

3 高壓電纜護層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)簡介

3.1 系統(tǒng)的構成

利用計算機技術、現(xiàn)代電力電子技術和GPRS通訊技術研發(fā)的高壓電纜護層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)拓撲圖

系統(tǒng)由監(jiān)測終端和監(jiān)測軟件組成。監(jiān)測終端，包括：系統(tǒng)供電電源模塊，各類采樣傳感器，數(shù)據(jù)采集及處理設備，GPRS通訊模塊。

3.2 系統(tǒng)主要功能和特點

實時測量運行電纜的金屬護層電流、運行電流、電纜表面溫度、接地箱溫度。通過對電纜頭或電纜本身的連續(xù)測量，能夠預測電纜頭或電纜本身的故障趨勢，及時提供電纜故障部位和檢修指導，避免發(fā)生重大事故。實時顯示測量數(shù)據(jù)的曲線走勢圖、日最大和最小曲線圖，實時顯示測量數(shù)據(jù)變化速度的曲線圖，實時顯示測量數(shù)據(jù)之間的比值關系及其變化速度。

通過GPRS無線將測量數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控服務器。

數(shù)據(jù)實時采集，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣頻率10秒至1分鐘可控。數(shù)據(jù)庫每間隔5至60分鐘保存實時數(shù)據(jù)，可控。

服務器監(jiān)控軟件采用Browser/Server(瀏覽器/服務器)結構，用戶可以使用WWW瀏覽器查看監(jiān)控數(shù)據(jù)。

服務器監(jiān)控軟件是多用戶軟件，所有變電站監(jiān)控單元共享同一服務器，最大限度地減少硬件投入和運行維護成本。

服務器監(jiān)控軟件采用同步技術，可以實現(xiàn)任意臺服務器同時運行，只要有一臺服務器能正常運行，就能保證后臺系統(tǒng)正常運行。遠程服務器的同步，采用加密UDP數(shù)據(jù)包實現(xiàn)。

被測設備發(fā)現(xiàn)異常時，服務器采用短信進行遠程報警。主要包括運行電流和護層循環(huán)電流變化速度超過設定值、護層循環(huán)電流/運行電流≥10%等。

服務器監(jiān)控軟件是按照標準組態(tài)軟件設計而成，可以任意擴展功能模塊，具有強大的數(shù)據(jù)分析能力，能夠適應特定用戶的各種需求。監(jiān)測終端數(shù)量擴展時不需要修改系統(tǒng)軟件。

WEB瀏覽程序，沒有采用任何組件和控件，用戶無需安裝軟件，就可使用WWW瀏覽器查看監(jiān)控數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用ADO技術鏈接，不但數(shù)據(jù)查詢響應速度快，而且可以很容易移植到SQL Server 或者Oricle 數(shù)據(jù)庫。

監(jiān)測終端不需要外部提供電源，通過電流互感器獲取電纜運行電流并作為整個終端的電源。運行電流在50～1000A的范圍內終端均可正常工作。

3.3 系統(tǒng)的運行和應用情況

高壓電纜護層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)于2007年6月20日安裝在廈門電業(yè)局220kV廈安Ⅰ回高壓電纜上，對A相、B相、C相三相電纜進行護層循環(huán)電流和運行電流的實時監(jiān)測，同時監(jiān)測電纜表面溫度、接地箱溫度等指標。

監(jiān)測系統(tǒng)具體試驗記錄如下：

圖6 主界面顯示當前所有測試參數(shù)

圖7 護層循環(huán)電流曲線

圖8 護層循環(huán)電流與運行電流曲線

圖9 護層循環(huán)電流日最大值變化曲線

圖10 三相電纜溫度變化曲線

與傳統(tǒng)方法測試得到的數(shù)據(jù)進行比對后，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)是準確可靠的。通過監(jiān)測電纜金屬護層循環(huán)電流，我們可以分析某日或一段時間內電纜運行負荷的變化情況，便于及時調整，實現(xiàn)電纜安全運行。綜上所述，該系統(tǒng)設計達到了系統(tǒng)設計目標的要求，可以滿足實際應用。

4 結論

高壓電纜線路是電網(wǎng)重要組成部分，確保電纜線路安全運行是電網(wǎng)企業(yè)重要職責。電纜護層絕緣良好是電纜運行必不可少的電氣條件之一，隨時報告電纜外護套絕緣情況具有重要的意義，可以有效防止主絕緣損壞，如白蟻咬傷，外力損壞等，甚至能夠立即報告對接地線的偷盜。通過連續(xù)監(jiān)測電纜金屬護層循環(huán)電流和電纜終端頭、接頭或本體表面溫度并分析比較來監(jiān)測護層絕緣情況，是目前不改變線路連接，不影響電纜運行可行有效的辦法。

利用現(xiàn)代電力電子技術、計算機技術和GPRS通訊技術研發(fā)的高壓電纜護層絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng),可實時監(jiān)測電纜金屬護層循環(huán)電流、運行電流和電纜表面溫度，并以GPRS通訊方式將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控服務器，監(jiān)控軟件永久的保存數(shù)據(jù)，通過繪制各種參數(shù)的變化趨勢波形圖、記錄數(shù)據(jù)表等方法向用戶提供分析前提，并采用獨特的判據(jù)判斷電纜絕緣情況是否良好。若某個運行參數(shù)出現(xiàn)故障時可將故障信息以GSM短信方式發(fā)送給用戶，從根本上避免了電纜事故的發(fā)生，保證電纜安全、可靠的運行。

與傳統(tǒng)的停電測量護層絕緣電阻和手工測量護層循環(huán)電流比，利用該系統(tǒng)能提高工作效率，提高對護層絕緣狀況診斷分析質量。

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