高压电缆护层绝缘在线监测分析及应用

引言

电力电缆是电力系统最基本的组成部分，对整个电力系统极其重要。我国66kV及以上电 压等级的高压电缆多采用带有金属护层的单芯电缆。通常情况下，高压电缆金属护层的接地方 式有两种，一种是单芯电缆金属护层一端保护接地，另一端直接接地;由于没有形成环路，此 时金属护层中没有感应环流，接地线中只有电容电流，电容电流一般很小(一般小于10A)。第 二种是三相采用交叉互联的方式进行接地，此时金属护层产生的感应电流按设计规程要求须小 于运行电流的10%。

当电缆外护层因敷设时可能产生的机械损伤以及运行过程中可能出现的化学腐蚀、鼠害。使电缆外护套多点损坏，导致金属护层多点接地，与大地形成环流。金属护层环流的增大会引起电缆发热，损耗剧增，从而影响电缆的载流能力。严重时可能威胁电力系统网的运行安全。相反，如果电缆接地系统由于某种原因未能有效接地，金属护层上的感应电压就会升高。电缆的长度越长，电缆的负载电流越大则感应电压越高，最高感应电压可以达到上万伏。严重威胁运行检修人员的人身安全，过高的感应电压也会击穿电缆的绝缘外护套，并在击穿点持续放电可能会引起火灾发生，造成电网停电事故。基于上述珠海市集森电器有限公司利用现代电子技术、计算机技术和GPRS通讯技术基于REAL-TIME综合数据智能监测管理平台为基础和核心研发了用于高压电缆的护层循环电流、运行电流、电缆表面温度及环境温湿度进行实时监视的JDJY型高压电缆护层绝缘在线监测系统.

一、电力电缆护层绝缘检测手段分析

1.现有护层绝缘检测手段分析

传统的监测手段主要是通过停电测量护层绝缘电阻或带电用钳型电流表测量护层循环电流。近年来，为了提高输电线路的可靠性指标，高压电缆停电检修的机会越来越少。由于地下电缆所处的环境复杂，采用传统的手工测量护层循环电流越来越困难。所以，有必要研制出一套智能化的高压电缆护层绝缘在线监测系统,以提高工作效率和防止电力事故发生。

2.高压电缆线路护层循环电流与护层绝缘之间的关系分析

1)护层循环电流与护层绝缘之间的关系

通常短线路单芯电缆的金属护层采用一端直接接地和另一端经间隙或保护电阻接地的方式(如图1示)，长线路单芯电缆金属护层则采用三相分段交叉互联两端接地的方式(如图2示)。但当线路单芯电缆的金属护层出现两点或多点接地时就会在金属护层中形成环流，环流的大小与电缆相应的长度，导体中电流大小有关。当金属护层中环流较大时严重时可能会达到主电流的50%以上，环流损耗会使金属护层发热，破坏电缆的主绝缘，威胁电缆运行安全。 所以，在高压电缆的实际运行中，电缆芯线运行电流是否超负荷、主绝缘及护层绝缘是否存在缺陷，都可以从电缆金属护层循环电流的变化反映出来。若能实时监测运行电缆金属护层的循环电流指标，对于避免电缆长期过载运行，负荷调节，安全运行维护等方面都具有重要意义。

2)护层循环电流理论计算

如前所述高压电缆金属护层接地方式主要有单端接地和交叉互联接地。对于长电缆线路，有时也采用这两种接地方式的组合，如图1及图2所示，他们的等值电路如图3所示。

图3中E1、E2、E3分别为三相电缆芯线电流在A、B、C三相金属护套上产生的感应电势，E1/、E2/、E3/ 分别为三相电缆护层上的环流Ⅰs1、Ⅰs2、ⅠS3在A、B、C三相金属护层上产生的感应电势，R1、R2为电缆护层两端接地电阻，Re为大地的漏电阻，R为金属护层的电阻，X为金属护层的自感抗。对于图3，假设电缆线路长度为L，其电压方程为：?

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为单位长度电缆金属护层的电阻，Rc=Rgn，Rg为单位长度的大地的漏电阻，X=2ω㏑(2Dc/Ds),Dc为金属护层以大地为回路时回路等值深度，Ds为金属护层的直径，X1=2ωln(Dc/S)为单位长度中相和边相金属护层的互感抗，X2=2ωln(Dc/2S)为单位长度边相与边相金属护层的互感抗，Es1、Es2、Es3分别为三相金属护层上单位长度的感应电势。因电缆是平行敷设且金属护层是不交叉两端接地，故有如下感应电势计算公式：?

(1)若电缆平行敷设，电缆单端接地，另一端经护层保护器接地，则相当于R1无穷大，另一端流入大地的只有电容电流，则经直接接地端流入大地的电容电流： I=ωCU

式中C是电缆线路对地电容，U是相电压，对于400mm2，110kV交联聚乙烯绝缘电缆， C≈0.17µF/km，如果电缆长度为1000m，则电容电流：

I=314×0.17×10-6×1.0×110×103=5.8(A)

此时，流经直接接地端的电流与线芯电流无关。

(2)若由于电缆护层绝缘被破坏,造成电缆的金属护层发生多点接地(如图4中的R1)。因R1为直接接地，阻值很小，故障将使金属护层中形成很大的环流。其它两相的金属护套没有形成多点接地，其环流可以不予考虑。这时不能按前述公式计算感应电势，只需考虑三相缆芯电流对故障相金属护套的感应电势所引起的环流。电缆的金属护套可视为同心的套在缆芯周围且其薄壁呈圆柱体，因其壁厚远小于其直径，故可将金属护套的自感视为零(见图4)。

此时，设三相缆芯电流分别为ia、ib、ic，介质磁导率为µ，则距离A电缆中心x处的磁感应强度Bx=µia/(2лx),故与护套相交链的磁通dψx=(µia/(2лx)dx,A电缆电流产生的磁通与A电缆自己护套交链ψAA在x [∈S,Db]范围中表示为：

即有A电缆金属护套的总磁通ψA=ψAA+ψBA。

将Is2=,Is3=0和Us代入图2回路电压方程,则A相金属护套环流。

Is1(R+jX+Rc)=Es

其中, X=ψL; R为金属护套直流电阻;Rc为大地的漏电阻与两点接地电阻之和,Es为金属护套的感应电势。护层故障相护层循环电流：

从上述理论分析可以得到以下结论

①对于护层绝缘良好的单端接地电缆线路，流入直接接地端的仅有电容电流，数值很小，与电缆结构尺寸有关，与电缆线芯电流无关。

②对于有护层绝缘缺陷的电缆线路，由于护层循环电流的存在，流入直接接地端的电流将上升，具体电流值与护层的接地点和接地电阻有关。对于特定的电缆线路，在外部环境没有发生变化的情况下，护层循环电流和线芯电流的比值应该是一个常数。

3)实测数据

为了验证上述理论的分析结论，我们选取了五回路电缆做实际测量，比较其在单端接地和两端接地情况下，?护层循环电流的理论值和实测值，结果如表1示。

从上表可以看出，在通常情况下，对于单端接地系统，若电缆的护层绝缘良好，则其直接接地端对地电流很小，一般不超过线芯电流的10%。当电缆护层受到破坏时，护层循环电流会增大，其值与电缆护层接地点的位置和护层故障电阻以及接地点接地电阻有关。故障点离直接接地端越远，则护层循环电流越大，在极端情况下，故障点在护层保护器侧时，达到最大值。在实际运用中，对于特定的电缆线路，护层循环电流/线芯电流基本上是个恒定值，其波动很小。

4)护层绝缘状况判据，在大量实测和理论计算的基础上，本监测系统提出了判断高压电缆护层绝缘异常状况的判据

(1)护层循环电流值/线芯电流值≥10% ?

(2)相同时段内护层循环电流变化率/线芯电流变化率≥1

与传统方法测试得到的数据进行比对后，发现监测系统测试的数据是准确可靠的。通过监测电缆金属护层循环电流，我们可以分析某日或一段时间内电缆运行负荷的变化情况，便于及时调整，实现电缆安全运行。综上所述，该系统设计达到了系统设计目标的要求，可以满足实际应用。

二、结论

高压电缆线路是电网重要组成部分，确保电缆线路安全运行是电网企业重要职责。电缆护层绝缘良好是电缆运行必不可少的电气条件之一，随时报告电缆外护套绝缘情况具有重要的意义，可以有效防止主绝缘损坏，如白蚁咬伤，外力损坏等，甚至能够立即报告对接地线的偷盗。通过连续监测电缆金属护层循环电流和电缆终端头、接头或本体表面温度并分析比较来监测护层绝缘情况，是目前不改变线路连接，不影响电缆运行可行有效的办法。利用现代电力电子技术、计算机技术和GPRS 通讯技术研发的高压电缆护层绝缘在线监测系统,可实时监测电缆金属护层循环电流、运行电流和电缆表面温度，并以GPRS通讯方式将测量数据发送给监控服务器，监控软件永久的保存数据，通过绘制各种参数的变化趋势波形图、记录数据表等方法向用户提供分析前提，并采用独特的判据判断电缆绝缘情况是否良好。若某个运行参数出现故障时可将故障信息以GSM短信方式发送给用户，从根本上避免了电缆事故的发生，保证电缆安全、可靠的运行。 与传统的停电测量护层绝缘电阻，和手工测量护层循环电流比，利用该系统能提高工作效率，提高对护层绝缘状况诊断分析质量。

参考文献?

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