高压电缆护层绝缘监测系统的研制与应用

严有祥

高压电缆护层绝缘监测系统的研制与应用

严有祥

福建省厦门电业局

分析了高压电缆线路护层绝缘状况与护层循环电流之间的关系，提出了监测护层循环电流变化情况可以有效监测高压电缆线路绝缘变化情况的论点。在理论分析和实测数据的基础上，提出了判断护层绝缘状况的判据。以上述理论为基础，研制了一套护层绝缘监测系统，安装在220KV电缆线路上，实现对电缆护层绝缘、电缆金属护层接地箱和接地电缆的在线监测。

高压电缆 护层绝缘 监测系统

110kV及以上电缆主要是单芯电缆。因单芯电缆金属护层与芯线中交流电流产生的磁力线相铰链，使其两端出现较高的感应电压，故需采取合适的接地措施，使感应电压处在安全电压范围内（通常不超过50V，有安全措施时不超过100V）。

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；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。不论采用哪种接地方式，良好的护层绝缘都是必要的，护层绝缘的损伤将使金属护套多点接地，从而产生护层循环电流，增加护套损耗，影响电缆载流能力，严重时甚至会使电缆严重发热而烧毁。此外，保证高压电缆线路每金属护套至少有一处良好的接地点也十分重要。若直接接地点由于各种原因未能有效接地，那么电缆金属护套的电位就会急剧升高到几千伏甚至一万伏，很容易把电缆外护套击穿并在击穿点持续放电，造成电缆外护套温度升高甚至着火燃烧，国内外这样的事故案例已有很多。

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。以厦门电业局为例，目前共有70回路电缆，其中直接接地箱120个，交叉互联接地箱80个，这些箱子要么在杆塔上，要么在接头工井内，要去测量他们的护层循环电流、测量电缆接头及附属设施的温度需要花费大量的人力物力。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

2.1 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。

2.2 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1 金属护层单端接地系统

图2 金属护层交叉互联接地系统

图3 电缆护层环流等值电路

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：

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：

2.2.1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：

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。

2.2.2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。

图4 电缆单回路磁场

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=0,Ⅰs3=0和Us代入图2回路电压方程,则A相金属护套环流。

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

2.2.3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。

2.2.4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。

2.3 实测数据

为了验证上述理论的分析结论，我们选取了110kV兰江线、安枋Ⅰ、Ⅱ回、安县Ⅰ、Ⅱ回、220kV禾半Ⅰ回等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。

表1 单端接地系统护层循环电流值理论计算和实测比较

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。

2.4 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

3 高压电缆护层绝缘监测系统简介

3.1 系统的构成

利用计算机技术、现代电力电子技术和GPRS通讯技术研发的高压电缆护层绝缘监测系统拓扑图如图5所示。

图5 系统拓扑图

系统由监测终端和监测软件组成。监测终端，包括：系统供电电源模块，各类采样传感器，数据采集及处理设备，GPRS通讯模块。

3.2 系统主要功能和特点

实时测量运行电缆的金属护层电流、运行电流、电缆表面温度、接地箱温度。通过对电缆头或电缆本身的连续测量，能够预测电缆头或电缆本身的故障趋势，及时提供电缆故障部位和检修指导，避免发生重大事故。实时显示测量数据的曲线走势图、日最大和最小曲线图，实时显示测量数据变化速度的曲线图，实时显示测量数据之间的比值关系及其变化速度。

通过GPRS无线将测量数据传输给监控服务器。

数据实时采集，系统数据采样频率10秒至1分钟可控。数据库每间隔5至60分钟保存实时数据，可控。

服务器监控软件采用Browser/Server(浏览器/服务器)结构，用户可以使用WWW浏览器查看监控数据。

服务器监控软件是多用户软件，所有变电站监控单元共享同一服务器，最大限度地减少硬件投入和运行维护成本。

服务器监控软件采用同步技术，可以实现任意台服务器同时运行，只要有一台服务器能正常运行，就能保证后台系统正常运行。远程服务器的同步，采用加密UDP数据包实现。

被测设备发现异常时，服务器采用短信进行远程报警。主要包括运行电流和护层循环电流变化速度超过设定值、护层循环电流/运行电流≥10%等。

服务器监控软件是按照标准组态软件设计而成，可以任意扩展功能模块，具有强大的数据分析能力，能够适应特定用户的各种需求。监测终端数量扩展时不需要修改系统软件。

WEB浏览程序，没有采用任何组件和控件，用户无需安装软件，就可使用WWW浏览器查看监控数据。数据库采用ADO技术链接，不但数据查询响应速度快，而且可以很容易移植到SQL Server 或者Oricle 数据库。

监测终端不需要外部提供电源，通过电流互感器获取电缆运行电流并作为整个终端的电源。运行电流在50～1000A的范围内终端均可正常工作。

3.3 系统的运行和应用情况

高压电缆护层绝缘监测系统于2007年6月20日安装在厦门电业局220kV厦安Ⅰ回高压电缆上，对A相、B相、C相三相电缆进行护层循环电流和运行电流的实时监测，同时监测电缆表面温度、接地箱温度等指标。

监测系统具体试验记录如下：

图6 主界面显示当前所有测试参数

图7 护层循环电流曲线

图8 护层循环电流与运行电流曲线

图9 护层循环电流日最大值变化曲线

图10 三相电缆温度变化曲线

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。

4 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。

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