嚴(yán)有祥

高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

嚴(yán)有祥

福建省廈門電業(yè)局

分析了高壓電纜線路護(hù)層絕緣狀況與護(hù)層循環(huán)電流之間的關(guān)系，提出了監(jiān)測(cè)護(hù)層循環(huán)電流變化情況可以有效監(jiān)測(cè)高壓電纜線路絕緣變化情況的論點(diǎn)。在理論分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了判斷護(hù)層絕緣狀況的判據(jù)。以上述理論為基礎(chǔ)，研制了一套護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安裝在220KV電纜線路上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜護(hù)層絕緣、電纜金屬護(hù)層接地箱和接地電纜的在線監(jiān)測(cè)。

高壓電纜 護(hù)層絕緣 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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

通常短線路單芯電纜的金屬護(hù)層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護(hù)電阻接地的方式；長線路單芯電纜金屬護(hù)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(hù)層絕緣都是必要的，護(hù)層絕緣的損傷將使金屬護(hù)套多點(diǎn)接地，從而產(chǎn)生護(hù)層循環(huán)電流，增加護(hù)套損耗，影響電纜載流能力，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)闺娎|嚴(yán)重發(fā)熱而燒毀。此外，保證高壓電纜線路每金屬護(hù)套至少有一處良好的接地點(diǎn)也十分重要。若直接接地點(diǎn)由于各種原因未能有效接地，那么電纜金屬護(hù)套的電位就會(huì)急劇升高到幾千伏甚至一萬伏，很容易把電纜外護(hù)套擊穿并在擊穿點(diǎn)持續(xù)放電，造成電纜外護(hù)套溫度升高甚至著火燃燒，國內(nèi)外這樣的事故案例已有很多。

1 現(xiàn)有護(hù)層絕緣檢測(cè)手段分析

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段主要是通過停電測(cè)量護(hù)層絕緣電阻或帶電用鉗型電流表測(cè)量護(hù)層循環(huán)電流。近年來，為了提高輸電線路的可靠性指標(biāo)，高壓電纜停電檢修的機(jī)會(huì)越來越少。由于地下電纜所處的環(huán)境復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的手工測(cè)量護(hù)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(gè)，交叉互聯(lián)接地箱80個(gè)，這些箱子要么在桿塔上，要么在接頭工井內(nèi)，要去測(cè)量他們的護(hù)層循環(huán)電流、測(cè)量電纜接頭及附屬設(shè)施的溫度需要花費(fèi)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(hù)層絕緣在線監(jiān)測(cè)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(hù)層循環(huán)電流與護(hù)層絕緣之間的關(guān)系分析

2.1 護(hù)層循環(huán)電流與護(hù)層絕緣之間的關(guān)系

通常短線路單芯電纜的金屬護(hù)層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護(hù)電阻接地的方式（如圖1示）；長線路單芯電纜金屬護(hù)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(dāng)線路單芯電纜的金屬護(hù)層出現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地時(shí)就會(huì)在金屬護(hù)層中形成環(huán)流，環(huán)流的大小與電纜相應(yīng)的長度，導(dǎo)體中電流大小有關(guān)。當(dāng)金屬護(hù)層中環(huán)流較大時(shí)（嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)達(dá)到主電流的50％以上），環(huán)流損耗會(huì)使金屬護(hù)層發(fā)熱，破壞電纜的主絕緣，威脅電纜運(yùn)行安全。

所以，在高壓電纜的實(shí)際運(yùn)行中，電纜芯線運(yùn)行電流是否超負(fù)荷、主絕緣及護(hù)層絕緣是否存在缺陷，都可以從電纜金屬護(hù)層循環(huán)電流的變化反映出來。若能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行電纜金屬護(hù)層的循環(huán)電流指標(biāo)，對(duì)于避免電纜長期過載運(yùn)行，負(fù)荷調(diào)節(jié)，安全運(yùn)行維護(hù)等方面都具有重要意義。

2.2 護(hù)層循環(huán)電流理論計(jì)算

如前所述高壓電纜金屬護(hù)層接地方式主要有單端接地和交叉互聯(lián)接地。對(duì)于長電纜線路，有時(shí)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(hù)層單端接地系統(tǒng)

圖2 金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)

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

對(duì)于圖3，假設(shè)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(hù)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(hù)層以大地為回路時(shí)回路等值深度；Ds為金屬護(hù)層的直徑；X1=2ωln(Dc/S)為單位長度中相和邊相金屬護(hù)層的互感抗；X2=2ωln(Dc/2S)為單位長度邊相與邊相金屬護(hù)層的互感抗；Es1、Es2、Es3分別為三相金屬護(hù)層上單位長度的感應(yīng)電勢(shì)。因電纜是平行敷設(shè)且金屬護(hù)層是不交叉兩端接地，故有如下感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算公式：

2.2.1若電纜平行敷設(shè)，電纜單端接地，另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地，則相當(dāng)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(duì)地電容，U是相電壓，對(duì)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(shí)，流經(jīng)直接接地端的電流與線芯電流無關(guān)。

2.2.2若由于電纜護(hù)層絕緣被破壞,造成電纜的金屬護(hù)層發(fā)生多點(diǎn)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(hù)層中形成很大的環(huán)流。其它兩相的金屬護(hù)套沒有形成多點(diǎn)接地，其環(huán)流可以不予考慮。這時(shí)不能按前述公式計(jì)算感應(yīng)電勢(shì)，只需考慮三相纜芯電流對(duì)故障相金屬護(hù)套的感應(yīng)電勢(shì)所引起的環(huán)流。

電纜的金屬護(hù)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(yuǎn)小于其直徑，故可將金屬護(hù)套的自感視為零，見圖4。

圖4 電纜單回路磁場(chǎng)

此時(shí)，設(shè)三相纜芯電流分別為ia、ib、ic；介質(zhì)磁導(dǎo)率為μ，則距離A電纜中心x處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx=μia/(2лx),故與護(hù)套相交鏈的磁通dψx=(μia/(2лx)dx,A電纜電流產(chǎn)生的磁通與A電纜自己護(hù)套交鏈ψAA在x∈[S,Db]范圍中表示為：

即有A電纜金屬護(hù)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(hù)套環(huán)流。

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

從上述理論分析可以得到以下結(jié)論

2.2.3對(duì)于護(hù)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(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，與電纜線芯電流無關(guān)。

2.2.4對(duì)于有護(hù)層絕緣缺陷的電纜線路，由于護(hù)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(hù)層的接地點(diǎn)和接地電阻有關(guān)。對(duì)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(hù)層循環(huán)電流和線芯電流的比值應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)。

2.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證上述理論的分析結(jié)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(shí)際測(cè)量，比較其在單端接地和兩端接地情況下，護(hù)層循環(huán)電流的理論值和實(shí)測(cè)值，結(jié)果如表1示。

表1 單端接地系統(tǒng)護(hù)層循環(huán)電流值理論計(jì)算和實(shí)測(cè)比較

從上表可以看出，在通常情況下，對(duì)于單端接地系統(tǒng)，若電纜的護(hù)層絕緣良好，則其直接接地端對(duì)地電流很小，一般不超過線芯電流的10%。當(dāng)電纜護(hù)層受到破壞時(shí)，護(hù)層循環(huán)電流會(huì)增大，其值與電纜護(hù)層接地點(diǎn)的位置和護(hù)層故障電阻以及接地點(diǎn)接地電阻有關(guān)。故障點(diǎn)離直接接地端越遠(yuǎn)，則護(hù)層循環(huán)電流越大，在極端情況下，故障點(diǎn)在護(hù)層保護(hù)器側(cè)時(shí)，達(dá)到最大值。

在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于特定的電纜線路，護(hù)層循環(huán)電流/線芯電流基本上是個(gè)恒定值，其波動(dòng)很小。

2.4 護(hù)層絕緣狀況判據(jù)

在大量實(shí)測(cè)和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了判斷高壓電纜護(hù)層絕緣異常狀況的判據(jù)：

（1）護(hù)層循環(huán)電流值/線芯電流值≥10%

（2）相同時(shí)段內(nèi)護(hù)層循環(huán)電流變化率/線芯電流變化率≥1

3 高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)和GPRS通訊技術(shù)研發(fā)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端和監(jiān)測(cè)軟件組成。監(jiān)測(cè)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(shè)備，GPRS通訊模塊。

3.2 系統(tǒng)主要功能和特點(diǎn)

實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)行電纜的金屬護(hù)層電流、運(yùn)行電流、電纜表面溫度、接地箱溫度。通過對(duì)電纜頭或電纜本身的連續(xù)測(cè)量，能夠預(yù)測(cè)電纜頭或電纜本身的故障趨勢(shì)，及時(shí)提供電纜故障部位和檢修指導(dǎo)，避免發(fā)生重大事故。實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的曲線走勢(shì)圖、日最大和最小曲線圖，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)變化速度的曲線圖，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)之間的比值關(guān)系及其變化速度。

通過GPRS無線將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控服務(wù)器。

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可控。

服務(wù)器監(jiān)控軟件采用Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)，用戶可以使用WWW瀏覽器查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

服務(wù)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(wù)器，最大限度地減少硬件投入和運(yùn)行維護(hù)成本。

服務(wù)器監(jiān)控軟件采用同步技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)任意臺(tái)服務(wù)器同時(shí)運(yùn)行，只要有一臺(tái)服務(wù)器能正常運(yùn)行，就能保證后臺(tái)系統(tǒng)正常運(yùn)行。遠(yuǎn)程服務(wù)器的同步，采用加密UDP數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)。

被測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，服務(wù)器采用短信進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警。主要包括運(yùn)行電流和護(hù)層循環(huán)電流變化速度超過設(shè)定值、護(hù)層循環(huán)電流/運(yùn)行電流≥10%等。

服務(wù)器監(jiān)控軟件是按照標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)而成，可以任意擴(kuò)展功能模塊，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，能夠適應(yīng)特定用戶的各種需求。監(jiān)測(cè)終端數(shù)量擴(kuò)展時(shí)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?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用ADO技術(shù)鏈接，不但數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)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(cè)終端不需要外部提供電源，通過電流互感器獲取電纜運(yùn)行電流并作為整個(gè)終端的電源。運(yùn)行電流在50～1000A的范圍內(nèi)終端均可正常工作。

3.3 系統(tǒng)的運(yùn)行和應(yīng)用情況

高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)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(duì)A相、B相、C相三相電纜進(jìn)行護(hù)層循環(huán)電流和運(yùn)行電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)電纜表面溫度、接地箱溫度等指標(biāo)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體試驗(yàn)記錄如下：

圖6 主界面顯示當(dāng)前所有測(cè)試參數(shù)

圖7 護(hù)層循環(huán)電流曲線

圖8 護(hù)層循環(huán)電流與運(yùn)行電流曲線

圖9 護(hù)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(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)后，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的。通過監(jiān)測(cè)電纜金屬護(hù)層循環(huán)電流，我們可以分析某日或一段時(shí)間內(nèi)電纜運(yùn)行負(fù)荷的變化情況，便于及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電纜安全運(yùn)行。綜上所述，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，可以滿足實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)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(yùn)行是電網(wǎng)企業(yè)重要職責(zé)。電纜護(hù)層絕緣良好是電纜運(yùn)行必不可少的電氣條件之一，隨時(shí)報(bào)告電纜外護(hù)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(bào)告對(duì)接地線的偷盜。通過連續(xù)監(jiān)測(cè)電纜金屬護(hù)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(cè)護(hù)層絕緣情況，是目前不改變線路連接，不影響電纜運(yùn)行可行有效的辦法。

利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和GPRS通訊技術(shù)研發(fā)的高壓電纜護(hù)層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜金屬護(hù)層循環(huán)電流、運(yùn)行電流和電纜表面溫度，并以GPRS通訊方式將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控服務(wù)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(shì)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(dú)特的判據(jù)判斷電纜絕緣情況是否良好。若某個(gè)運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)故障時(shí)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(yùn)行。

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

[1] 鄭肇驥，王琨明. 高壓電纜線路[M]. 北京：水利電力出版社，1983

[2] 劉子玉，王惠明. 電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，1995

[3] 賈欣，曹曉瓏，喻明. 單芯電纜計(jì)及護(hù)套環(huán)流時(shí)的載流量[J]. 高電壓技術(shù)，2001，27(1)：25-26

[4] 楊守信，楊力. 110KV長慶電纜護(hù)套絕緣過電壓保護(hù)分析計(jì)算[J]. 高電壓技術(shù)，2004，30(4)：22-24

[5] 姜蕓等. 電力電纜保護(hù)接地[J]. 高電壓技術(shù),1998,24(4):36