葉冠豪，郭湘奇，王一磊，鄧　鵬

（南京供電公司，江蘇南京210019）

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XLPE電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)接地直流電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

葉冠豪，郭湘奇，王一磊，鄧鵬

（南京供電公司，江蘇南京210019）

摘要：針對(duì)交聯(lián)聚丙烯（XLPE）電纜交叉互聯(lián)系統(tǒng)水樹(shù)枝情況，采用直流分量法，對(duì)交叉互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行分析和計(jì)算其等值電路，定量研究了兩端接地電流中由于水樹(shù)枝引起的微弱直流電流分量的大小相關(guān)因素。通過(guò)設(shè)計(jì)電流采樣模塊與低通濾波模塊，實(shí)現(xiàn)了微弱直流電流分量的采樣與濾波，實(shí)際測(cè)量結(jié)果說(shuō)明說(shuō)明了該方法與設(shè)計(jì)模塊的合理性。

關(guān)鍵詞：在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；直流分量法；水樹(shù)枝；交叉互聯(lián)

近年來(lái)，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜憑借其受自然環(huán)境影響小、安全可靠、耐熱好、壽命長(zhǎng)、不易損壞和供電能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用［ 1 ］。電纜絕緣老化有諸多形式，其中水樹(shù)枝老化是導(dǎo)致XLPE電力電纜絕緣擊穿停電的主要原因，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［ 2 ］。關(guān)于水樹(shù)枝形成機(jī)理，業(yè)界一般認(rèn)為，XLPE電力電纜運(yùn)行時(shí)，水存在于絕緣層中，當(dāng)此處場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)一定值時(shí)，導(dǎo)電物質(zhì)就會(huì)沿著電場(chǎng)慢慢進(jìn)入電纜絕緣層的深處形成類(lèi)似樹(shù)枝或樹(shù)葉的泄痕，即水樹(shù)枝［ 3，4 ］。但關(guān)于水樹(shù)枝的具體形成原因仍未產(chǎn)生定論。針對(duì)XLPE電力電纜運(yùn)行中水樹(shù)枝問(wèn)題，需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少事故的發(fā)生。我國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)中運(yùn)行設(shè)備一直堅(jiān)持定期進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的制度，這對(duì)保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行、防止事故的發(fā)生起到了很好的作用［ 5，6 ］。但是，傳統(tǒng)的常規(guī)試驗(yàn)間隔時(shí)間長(zhǎng)，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣缺陷。試驗(yàn)時(shí)必需設(shè)置臨時(shí)試驗(yàn)線(xiàn)路，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，且停電試驗(yàn)還要造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)電力電纜絕緣進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)可以有效掌握電力設(shè)備的絕緣變化情況，主動(dòng)改善電力設(shè)備絕緣水平，對(duì)電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行非常重要。

針對(duì)電力電纜水樹(shù)枝的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，直流分量法是一種應(yīng)用較為廣泛的方法［ 7 ］。該方法根據(jù)水樹(shù)枝在交流正、負(fù)半周會(huì)表現(xiàn)出不同的電荷注入和中和特性，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間交流工作電壓下，水樹(shù)枝的前端積聚了大量的負(fù)電荷，并逐漸向?qū)Ψ狡?，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“整流效應(yīng)”。相應(yīng)的，電纜接地電流便含有微弱的直流成分，檢測(cè)出這種直流成分即可進(jìn)行劣化診斷［ 8 ］。

隨著我國(guó)電力電纜進(jìn)程的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多長(zhǎng)度超過(guò)1 km的電纜線(xiàn)路得到了投運(yùn)。為了解決屏蔽層中感應(yīng)電壓過(guò)高的問(wèn)題，需要對(duì)中間接頭采用交叉互聯(lián)的方式接地。但因其各段流經(jīng)主絕緣的電流值的特征量難以測(cè)量，給絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)增大了難度［ 9，10 ］。以中間接頭為代表的電纜附件往往是電纜運(yùn)行時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，產(chǎn)生水樹(shù)枝的可能性更大［ 11 ］。文中通過(guò)對(duì)交叉互聯(lián)箱進(jìn)行等值電路分析，根據(jù)基爾霍夫定律進(jìn)行電壓方程推導(dǎo)，得出在兩端對(duì)應(yīng)接地線(xiàn)路中采樣電阻阻值相同時(shí)，直流分量大小相同的結(jié)論。并通過(guò)選擇合適的濾波及采樣裝置，設(shè)計(jì)出針對(duì)交叉互聯(lián)裝置接地電路中微弱直流電流的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1　交叉互聯(lián)XLPE電力電纜接地電流直流分量的模型與分析

圖1為交叉互聯(lián)的接地方式的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元。圖中A、B、C 為系統(tǒng)相序，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分別為各相電纜所對(duì)應(yīng)的中間接頭交叉互聯(lián)段，1-12為交叉互聯(lián)的金屬屏蔽層連接線(xiàn)之間以及接地線(xiàn)上裝設(shè)的電流傳感器編號(hào)。其中，將采樣裝置接于接地線(xiàn)中，并用阻容并聯(lián)裝置等效。

圖1　交叉互聯(lián)XLPE電纜的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的接線(xiàn)

對(duì)該電路a1，b2，c3段進(jìn)行戴維寧等效，得出等效電路如圖2所示。

根據(jù)圖2所示等值電路， 分析I1，I2，I3，I4與絕緣阻抗及采樣電阻的關(guān)系。其中，交叉互聯(lián)電阻箱與電纜外護(hù)套阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接地采樣電阻及電纜本體絕緣電阻阻值，可忽略。近似處理后得出回路電壓方程：

圖2　交叉互聯(lián)電纜標(biāo)準(zhǔn)單元接線(xiàn)中a1、b2、c3等值電路

可以看出，若a1與c3兩端接地采樣電阻阻值R相同時(shí)，有：

這樣，可以通過(guò)在兩端同時(shí)設(shè)置參數(shù)相同的接地采樣電路，并計(jì)算采樣電流算數(shù)平均值，以減少試驗(yàn)誤差。同時(shí)，I1及I4同a1、b2、c3的阻抗均存在耦合關(guān)系，即a1、b2、c3中任意一處存在水樹(shù)枝時(shí)，均可通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。

2　XLPE電纜交叉互聯(lián)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含電流采樣、低通濾波以及監(jiān)測(cè)裝置3個(gè)部分?？紤]到水樹(shù)枝產(chǎn)生的直流電流非常微弱，基本上都是納安級(jí)別，微小的干擾即會(huì)引起測(cè)量結(jié)果較大的誤差［ 12 ］。首先需要通過(guò)電流采樣裝置采集接地電流信號(hào)，并將信號(hào)放大?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的主要干擾不僅有高達(dá)幾十伏的工頻電壓噪聲，還有電纜的屏蔽層和大地之間的雜散電流，此外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身也可能引入大量的干擾信號(hào)。所以將信號(hào)采樣后需要通過(guò)設(shè)計(jì)合理的低通濾波模塊將噪聲和干擾信號(hào)等濾掉，保留水樹(shù)枝產(chǎn)生的直流電流分量。最后，通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置模塊對(duì)濾波后的電流信號(hào)進(jìn)行采集并分析處理。整體流程如圖3所示。

圖3　在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體流程

2.1電流采樣模塊設(shè)計(jì)

由于水樹(shù)枝產(chǎn)生的直流分量很小，需要將微弱的小信號(hào)通過(guò)采樣電路放大，文中采用精密電阻采樣法。該方法通過(guò)在接地回路中串入精密電阻，將直流電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再對(duì)電壓信號(hào)濾波后進(jìn)行采集。該方法采樣結(jié)果穩(wěn)定，且不會(huì)產(chǎn)生其他干擾源。考慮到電纜和大地之間雜散電流及真實(shí)的由水樹(shù)枝引起的電流混雜在一起，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成很大誤差，因此需要與精密電阻并聯(lián)電容，將高頻交流分量通過(guò)電容器進(jìn)行分流，以減少對(duì)采樣直流電流分量的干擾。

對(duì)比常見(jiàn)的阻容并聯(lián)采樣模塊后發(fā)現(xiàn)，在電阻的選擇上，一般采樣電阻不能太小，否則不能很好放大微弱的直流電流分量，但同時(shí)需小于鎧裝和地之間的外護(hù)層電阻，這樣對(duì)真實(shí)的測(cè)量結(jié)果影響較小［ 13 ］。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外護(hù)層絕緣搖表試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，一般外護(hù)層絕緣電阻值在正常運(yùn)行時(shí)均保持在1 GΩ以上，因此文中考慮采用500 kΩ的精密電阻，這樣可以實(shí)現(xiàn)微弱直流電流的有效放大，同時(shí)小于外護(hù)套阻值，造成的誤差較小。在電容的選擇上，目前電容種類(lèi)眾多，如電解電容、云母電容、聚丙烯電容、瓷片電容以及安規(guī)電容等?？紤]水樹(shù)枝產(chǎn)生的電流很微弱，應(yīng)該選取耐壓高、漏電流小的電容，而聚丙烯電容和安規(guī)電容這方面參數(shù)良好。綜合考慮后，文中在采樣模塊中采用500 kΩ精密電阻與一個(gè)無(wú)極性的安規(guī)電容并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱的直流電流采樣。

2.2低通濾波模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)采樣模塊后，已經(jīng)將水樹(shù)枝引起的直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楹练?jí)的直流電壓信號(hào)，此時(shí)仍存在由工頻信號(hào)和熱噪聲高斯白噪聲等頻率為兆赫茲級(jí)高頻噪聲組成的干擾信號(hào)。尤其是工頻干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣電阻后電壓高達(dá)幾十伏。因此必須設(shè)計(jì)低通濾波系統(tǒng)，濾掉直流信號(hào)外的交流干擾信號(hào)。

常見(jiàn)的低通濾波器為阻容無(wú)源濾波器，以及巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和貝塞爾濾波器等為代表的有源濾波器。為了簡(jiǎn)化濾波器模塊設(shè)計(jì)，提高裝置可靠性與實(shí)用性，文中利用已經(jīng)成熟的低通開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX293電路，該電路是由美國(guó)的MAXIM（美信）公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的8階低通開(kāi)關(guān)電容濾波器。MAX293濾波器使用方便，同無(wú)源濾波器和有源濾波器相比，它具有參數(shù)匹配簡(jiǎn)單、外接元件少以及靈活簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)不同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)濾波電路設(shè)計(jì)和調(diào)整。

封裝上，MAX293采用了8引腳雙列插式的封裝形式。內(nèi)部電路設(shè)計(jì)上，該芯片屬于切比雪夫型濾波器，衰減值所需過(guò)渡帶小。時(shí)鐘信號(hào)選擇上也非常靈活方便，既可以使用片內(nèi)的振蕩器來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘，也可以選接外部的時(shí)鐘信號(hào)。其中通過(guò)使用片內(nèi)的振蕩器，只需外接一個(gè)漏電小、無(wú)極性的高質(zhì)量電容就可以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。振蕩頻率由該電容的容值決定，計(jì)算公式為：

式中：fosc為振蕩頻率，kHz；Cosc為外接電容，pF。轉(zhuǎn)角頻率與時(shí)鐘頻率也有一定的關(guān)系，兩者的比率公式為：

其中，f0為轉(zhuǎn)角頻率。設(shè)計(jì)MAX293濾波器，首先要計(jì)算出時(shí)鐘頻率以及外接電容，之后便可以利用時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角頻率。具體濾波電路接線(xiàn)如圖4所示。

圖4　MAX293濾波電路設(shè)計(jì)

在文中設(shè)計(jì)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要得到直流電壓，所以理論上可以將0 Hz以上的信號(hào)都過(guò)濾掉。首先選取4 Hz作為MAX293電路的截止頻率。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知時(shí)鐘頻率大約為400 Hz，此時(shí)外接電容C約為0.083 μF，在實(shí)際中相應(yīng)適當(dāng)取0.1 μF電容。

將電流采樣模塊、低通濾波模塊以及監(jiān)測(cè)裝置相組合，形成完整的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。原理如圖5所示。

圖5　基于直流分量法的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)開(kāi)始前，將交叉互聯(lián)箱中保護(hù)器拆除，以減小保護(hù)器中泄漏電流對(duì)試驗(yàn)的干擾。將2個(gè)電流采樣模塊組裝好，并分別串接進(jìn)入交叉互聯(lián)系統(tǒng)中的a1、c3段兩側(cè)接地線(xiàn)。與濾波模塊接入后，將濾波模塊輸出接入監(jiān)測(cè)裝置。試驗(yàn)采用的監(jiān)測(cè)裝置為北京興迪儀器有限公司開(kāi)發(fā)的CMDP-200分布式電纜局部放電監(jiān)測(cè)裝置。該裝置數(shù)據(jù)采樣及分析處理能力強(qiáng)，相應(yīng)的局放分析軟件經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)試，可靠性高，是目前世界上最強(qiáng)大的局放分析軟件之一，完全可滿(mǎn)足在線(xiàn)監(jiān)測(cè)需求。對(duì)某兩處投運(yùn)時(shí)間分別為1 a的電纜線(xiàn)路一與11 a的電纜線(xiàn)路二交叉互聯(lián)系統(tǒng)使用直流分量法進(jìn)行3次接地電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1　XLPE電力電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)接地電流數(shù)據(jù) nA

結(jié)果表明，兩段線(xiàn)路交叉互聯(lián)箱兩端的接地電流數(shù)值相差較大，說(shuō)明隨著電纜投運(yùn)時(shí)間變長(zhǎng)，電纜水樹(shù)枝的發(fā)展也越來(lái)越嚴(yán)重，需充分重視。同時(shí)，每條線(xiàn)路兩端的接地電流直流分量數(shù)值基本相同，說(shuō)明了文中推導(dǎo)理論的合理性。

根據(jù)日本住友公司等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，直流分量為10 nA以下的電纜線(xiàn)路一健康狀況良好，可繼續(xù)使用［ 14 ］。而直流分量超過(guò)10 nA的電纜線(xiàn)路二需要密切注意監(jiān)測(cè)，并在條件允許情況下應(yīng)及早更換。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，證明了文中對(duì)交叉互聯(lián)系統(tǒng)接地電流直流分量的分析是合理的，同時(shí)設(shè)計(jì)的接地電流直流分量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可行、便捷、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠，為與XLPE電力電纜交叉互聯(lián)裝置相配合的水樹(shù)枝監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了新的可參考方法。

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葉冠豪（1990），男，安徽巢湖人，助理工程師，從事電力電纜運(yùn)維及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)工作；

郭湘奇（1973），男，河北秦皇島人，工程師，從事電力電纜檢修管理工作；

王一磊（1983），男，江蘇南京人，工程師，從事電力電纜檢修工作；

鄧鵬（1985），男，山西永濟(jì)人，工程師，從事電力電纜試驗(yàn)及電力電纜施工與運(yùn)維管理工作。

On-line Monitoring of Ground DC Current for Cross-linking XLPE Cable System

YE Guanhao， GUO Xiangqi， WANG Yilei， DENG Peng
（Nanjing Electric Power Supply Company， Nanjing 210019， China）

Abstract：This paper studies the on-line monitoring issues for water treeing of electric cable cross linking system by using DC component method. The standard cross-linking system is analyzed and its equivalent circuit is established. The factors causing faint DC current component are studied quantificationally. Current sampling and low pass filter modules are designed and the weak DC current component can be sampled and filtered. Field testing results show that the current sampling and low pass filter modules are correct.

Key words：on-line monitoring； DC current component method； water treeing； cross-linking system

中圖分類(lèi)號(hào)：TM247；TM401.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-0665（2016）03-0039-03

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015 -12-16；修回日期：2016-02-05