高壓電纜護(hù)層絕緣在線監(jiān)測(cè)分析及應(yīng)用

引言

電力電纜是電力系統(tǒng)最基本的組成部分，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)極其重要。我國(guó)66kV及以上電 壓等級(jí)的高壓電纜多采用帶有金屬護(hù)層的單芯電纜。通常情況下，高壓電纜金屬護(hù)層的接地方 式有兩種，一種是單芯電纜金屬護(hù)層一端保護(hù)接地，另一端直接接地;由于沒(méi)有形成環(huán)路，此 時(shí)金屬護(hù)層中沒(méi)有感應(yīng)環(huán)流，接地線中只有電容電流，電容電流一般很小(一般小于10A)。第 二種是三相采用交叉互聯(lián)的方式進(jìn)行接地，此時(shí)金屬護(hù)層產(chǎn)生的感應(yīng)電流按設(shè)計(jì)規(guī)程要求須小 于運(yùn)行電流的10%。

當(dāng)電纜外護(hù)層因敷設(shè)時(shí)可能產(chǎn)生的機(jī)械損傷以及運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的化學(xué)腐蝕、鼠害。使電纜外護(hù)套多點(diǎn)損壞，導(dǎo)致金屬護(hù)層多點(diǎn)接地，與大地形成環(huán)流。金屬護(hù)層環(huán)流的增大會(huì)引起電纜發(fā)熱，損耗劇增，從而影響電纜的載流能力。嚴(yán)重時(shí)可能威脅電力系統(tǒng)網(wǎng)的運(yùn)行安全。相反，如果電纜接地系統(tǒng)由于某種原因未能有效接地，金屬護(hù)層上的感應(yīng)電壓就會(huì)升高。電纜的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電纜的負(fù)載電流越大則感應(yīng)電壓越高，最高感應(yīng)電壓可以達(dá)到上萬(wàn)伏。嚴(yán)重威脅運(yùn)行檢修人員的人身安全，過(guò)高的感應(yīng)電壓也會(huì)擊穿電纜的絕緣外護(hù)套，并在擊穿點(diǎn)持續(xù)放電可能會(huì)引起火災(zāi)發(fā)生，造成電網(wǎng)停電事故。基于上述珠海市集森電器有限公司利用現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和GPRS通訊技術(shù)基于REAL-TIME綜合數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)為基礎(chǔ)和核心研發(fā)了用于高壓電纜的護(hù)層循環(huán)電流、運(yùn)行電流、電纜表面溫度及環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視的JDJY型高壓電纜護(hù)層絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

一、電力電纜護(hù)層絕緣檢測(cè)手段分析

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(guò)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(lái)，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(lái)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(lái)越困難。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

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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)。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(zhǎng)期過(guò)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)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(zhǎng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)，其電壓方程為：?

Is1(R+jX)+(Is1+Is2+Is3)(R1+R2+Rc)+Is2·jX2l+Is3·jX3l=Es1l

Is2(R+jX)+(Is1+Is2+Is3)(R1+R2+Rc)+Is1·jX1l+Is3·jX3l=Es2l

Is3(R+jX)+(Is1+Is2+Is3)(R1+R2+Rc)+Is1·jX1+Is2·jX2l=Es3l

其中R=Rsn，Rs為單位長(zhǎng)度電纜金屬護(hù)層的電阻，Rc=Rgn，Rg為單位長(zhǎng)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(zhǎng)度中相和邊相金屬護(hù)層的互感抗，X2=2ωln(Dc/2S)為單位長(zhǎng)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(zhǎng)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：?

(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(wú)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： I=ωCU

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(zhǎng)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(wú)關(guān)。

(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(méi)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(jiàn)圖4)。

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=,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。

Is1(R+jX+Rc)=Es

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

①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(wú)關(guān)。

②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(méi)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)。

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。

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(guò)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。

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

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(guò)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。

二、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(guò)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(lái)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(guò)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。

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