500kV海底充油电缆护套绝缘在线监测方法

魏新劳， 朱博， 庞兵， 陈庆国， 王颂， 李锐海

(1.哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150080;2.中国南方电网科学研究院，广东 广州510080)

0 引言

海南联网工程采用技术成熟、有丰富运行经验的超高压自容式单芯充油电缆，跨越琼州海峡，是我国第一条超高压、长距离、大容量的跨海联网工程［1］——琼州海峡跨海电缆工程。充油海底电缆虽然具有可靠性高、寿命长、运行维护工作量小等优点，但在其制造、运输、安装等环节中受到多种外界因素的影响。在投入运行后，很多原因都会造成海缆绝缘产生缺陷或破坏，如:运行中的电缆过负荷导致电缆温度过高而出现绝缘过度老化;线路的敷设环境造成海缆的护层发生化学腐蚀和电解腐蚀;各种施工或是渔船作业导致海缆护层由于受到外力作用而损坏等［2］。这些损伤或缺陷会在整条海缆线路中逐渐发展，直接威胁到海缆的安全运行及整个供电线路的可靠性，一旦海缆发生故障，会对海南电网造成非常严重的影响。

海南联网工程采用线路为一回，由三根完整制造、无中间接头的500 kV充油电缆，每根充油电缆长达31 km。为了防止海缆铠装的感应电压过高，每相海缆的两终端采用两端直接接地的方式，在这种接地方式下正常运行的电缆金属护层会产生很大的环流［12－13］。由于现场没有安装测量电压的设备(电压互感器)，无法获得电缆两端头的实际对地电压信号，这将会造成无法对电缆绝缘的介质损耗因数进行监测。并且电缆终端与架空导线直接相连，而架空线的电晕放电与电缆的局部放电相比要强烈得多，加之现场的强烈电磁干扰和电缆长度太长，局部放电法根本无法在现场实施。高压自容式充油电缆的结构和运行方式的特点使得一些常规的在线监测方法受到了限制，充油电缆与交联聚乙烯电缆的老化机理不一样，没有水树枝，因此直流分量法不适用［3］;海底电缆上施加的电压等级较高，外加电压信号太小难以监测，太高会对电缆绝缘造成影响，因此直流叠加法和交流叠加法［4－5］也不适用;另外，受海底环境和海缆本身结构特点，温度分布监测也难以实施。国内外对充油电缆绝缘在线监测的研究尚不多见，大部分的研究都是在充油电缆的附件(如终端接头、中间接头)处提取油样，运用气相色谱分析、红外光谱分析及气敏传感器等技术对绝缘油中的溶解气体进行分析［6－9］。由于油中溶解气体向海缆两终端扩散的速度非常慢，如果仅仅在海缆的两终端站提取油样进行检查，难以及时发现海缆绝缘出现的问题，因此这种方法也难以在工程现场实现。目前对海缆绝缘状况的检测采用定期停电预防性试验的方法，这种方法属于离线检测，对即将出厂的电缆和在投入运行之前的电缆十分有效，对正在运行中电缆的绝缘状况要进行检测就必须使电缆停电、退出运行，会造成很大的经济损失。因此，对于如何监测高压自容式充油电缆绝缘状况是值得研究的课题［10－11］。本文根据海南联网工程中500 kV海底充油电缆的特点，提出了基于双端四电流传感器法的电缆护套绝缘在线监测方法，给出了基于该方法的在线监测系统和现场监测结果，对高压自容式充油电缆绝缘状况在线监测具有指导意义。

1 电缆结构与参数

海南联网工程海底充油电缆采用的是Nexans公司生产的OKZA型自容式充油电缆，其结构横截面如图1所示。

图1 充油电缆横截面图Fig.1 Cross-sectional drawing of oil-filled cable

海底充油电缆由导油管、导体、主绝缘、金属护层等构成，其中导油管直径为30 mm，主绝缘厚度为28.5 mm，主绝缘外部的护层主要有铅层、防腐层、铠甲层等构成，最外面的外披层厚度为4 mm。与电缆主绝缘相比，护套绝缘及外披层的厚度要薄很多，极易遭到破坏。

2 双端四电流法基本原理

通过对琼州海峡跨海电缆特点的分析发现电缆两终端采用两端直接接地方式，这时流过电缆绝缘的电流、电缆接地回路的感应环流将同时经过这两个接地点构成各自的回路，这两回路之间的部分为护套绝缘，根据这一特点提出了一种基于瞬时信号同步检测技术的双端四电流互感器法。图2是双端四电流互感器法作用于一相海缆的原理图。以A相充油电缆为例进行说明。

按照图2所示电流传感器同名端的方向分别在A相充油电缆本体的两端和接地线的两端安装电流传感器，设电流参考方向如图2所示，则在任意某个时刻t有

图2 双端四电流法基本原理Fig.2 The basic principle of four current sensors

可以得到流过A相充油电缆主绝缘的电容电流为

将式(1)代入式(2)可得到

通过式(3)可以发现流过A相充油电缆主绝缘的电容电流为4个电流传感器测量得到的电流之和。另一方面，流过充油电缆主绝缘的电容电流会在其金属护层中感应出较高的电流，则金属护层中的感应电流可以写成

可以得到流过充油电缆两端接地线的电流和即为A相电缆金属护层中的感应电流。那么，在电缆护套绝缘没有泄漏点或绝缘没有老化的情况下，可以得到

其中称kdc为护套绝缘电流泄漏比。在理想状况下，电缆护套绝缘完好，没有电流通过护套绝缘泄漏到海水中，则kdc等于1;当充油电缆护套绝缘性能老化时，kdc的值将会大于1且逐步呈增大趋势;当护套绝缘由于受到外界因素影响而出现集中性孔洞，电流将会通过护套绝缘泄漏到海水中，此时kdc将会远远大于1，通过监测kdc值来判断电缆护套绝缘的性能是否有进一步下降或突然改变的情况。因此，可以通过kdc值的变化来判断电缆护套绝缘状况。

另外，在电缆两端接地电阻相等且电缆护套绝缘没有泄漏点的情况下，电缆接地回路的感应环流(t)可表示为

图2中，如果定义左端为供电端，而右端为受电端，那么，供电端提供给受电端的负载电流可表示为

因此，根据电缆接地回路感应环流产生的原因、环流的正常流通路径［14－16］等基本知识可知:在电缆两端接地电阻相等且电缆护套绝缘没有泄漏点的情况下(也就是接地回路感应环流经正常路径情况下)，下面的关系式应该成立

其中kgf为接地回路环流感应系数。当护套绝缘状况良好时，kgf值应为常数;当kgf发生较大变化时，则表明电缆接地回路阻抗发生了变化或电缆护套绝缘出现了泄漏点或是损坏。因此，可以通过kgf的变化规律对海底电缆护套绝缘状况进行判断。

终上所述，利用这种双端四电流传感器法，不仅可以得到实际流过电缆主绝缘的电容电流的瞬时值、有效值，而且，通过对不同互感器测量到的电流的进一步分析，可以得到有关电缆绝缘，特别是电缆金属护层对海水的绝缘(护套绝缘)的状态信息，这对于海缆而言是非常重要的。

3 护套电流的理论计算

利用Matlab软件的动态仿真平台SIMULINK，对海缆护套感应电流和护套电容电流进行仿真计算。主要是利用SimPowerSystem工具箱建立三相电缆的仿真模型。

3.1 护套感应电流

海底电缆两端直接接地的等效电路图如图3所示。

图3 电缆护套环流等值电路Fig.3 Circuit model of sheath inductive current

假设电缆长度为l，其电压方程为

式(10)中

其中:R=Rsl;Re=Rgl;X1为单位长度电缆的中相和边相电缆护套之间的互感抗;X2为单位长度电缆的边相和边相电缆护套之间的互感抗;De为电缆护套以大地为回路时等效深度;Rs为单位长度电缆护套的电阻;Rg为单位长度大地绝缘电阻。由于三相海底电缆是平行敷设的，则有下面的感应电动势计算公式

式中

其中:Ds为电缆护套等效直径;S为三相电缆的中心轴间距。令R0=R1+R2+Re，由支路电流法可得金属护套上环流的矩阵方程为

其幅值分别为

3.2 流过主绝缘的电容电流

由于海底电缆是单芯充油电缆，每相电缆的护套电容电流仅与各自芯线的工作电压有关，与另外两相电缆无关，因此可以只考虑单相的情况建立护套电容电流的模型，主绝缘用分布式并联电阻电容模块表示［15－16］。为了简化模型，将31 km长的海缆每1 km用一个并联电阻电容模块表示，共31个电阻电容模块，其中每个模块按设计参数设置电阻R0为55 MΩ，电容C0为0.239 μF。图4为单相海底电、缆接地护套电容电流仿真模型。 分别为流过两端的电容电流 为总的接地电容电流。

图4 单相电缆护套电容电流仿真模型Fig.4 Simulation model of sheath capacitance current of single-phase cable

取电缆芯线对地电压为300∠0°kV，仿真计算得

4 双基于四电流传感器法的海缆绝缘在线监测整体技术方案

根据四电流传感器法的基本原理，琼州海峡跨海电缆绝缘检测整体技术方案如图5所示。在每相海缆本体的两端和两端的接地线上安装电流传感器。

在GPS同步时钟脉冲的校准下，电缆两端的时间偏差可以减少到十几个纳秒，可以认为两端时基是完全一致的。于是，建立在这个同步时基上的、位于电缆两端的六路同步数据采集是同步进行的，也就是说两端的数据采集是同时进行的，同一次数据采集之间没有时间差。这是双端四电流传感器法的技术基础和前提。

采集到的数据通过局域网上传到中央处理计算机，在中央处理计算机上，专门开发的软件按照双端四电流传感器法的基本原理，对每一相电缆的监测数据进行处理，从中获得有关电缆护套绝缘状态的相关信息。

图5 充油电缆绝缘在线监测原理图Fig.5 Diagram of oil-filled cable insulation monitoring

5 在线监测系统组成

整个在线监测系统主要是由福山变电站主控室的监控系统、林诗岛终端站监测工控机和南岭终端站监测工控机3部分组成。林诗岛终端站监测工控机和南岭终端站监测工控机将采集到的电流信号分别发送到林诗岛终端站和南岭终端站的服务器，两个终端的服务器再将采集到的数据通过局域网发送到福山变电站的主服务器，再发送到福山变电站监控系统，通过上位机软件对被采集数据进行运算并显示相应的数值及历史曲线。

5.1 电流传感器

电流信号的提取是监测系统的关键部分，由于电缆终端结构及现场接线不允许改变，所以电流互感器必须是可拆装的。本系统采用PCB型的Rogowski线圈作为传感头，PCB型Rogowski线圈的特点就是利用计算机辅助设计软件(PROTEL等)，在电路板上印制导线代替线圈的导线，按照理论设计，把线圈的每一匝布置在印制电路板的合适位置上。而在制造工艺上则采用数控加工技术以保证绕制时线圈每一匝在印刷电路板上空间位置和形状的精确性［17］。PCB型 Rogowski线圈不仅克服了传统的Rogowski线圈线匝不均匀、参数分散性大等缺点，而且灵敏度、测量准确度以及性能稳定性方面都优于按传统绕制方法的制作的 Rogowski线圈［18－20］。

本文设计的现场可拆装PCB型Rogowski线圈由基本单元线圈板、端部机械连接板和端部机电连接板3种部件构成。基本单元线圈板是一块根据Rogowski线圈的基本工作原理设计的基本线圈单元，它由一块矩形六层印刷线路板制成，两端带有供机电连接的端头，具体形状如图6所示。在印刷线路板的每层都由螺线矩形线匝串联连接而成的平面线圈。不同层的平面线圈利用印刷线路板层间的过孔，按照感应电势叠加的方向串联连接在一起，形成一个基本线圈单元。

图6 基本单元线圈板Fig.6 A elementary PCB coil

端部连接板的主要作用有两个:一是在机械上将多个基本单元线圈板连接、固定在一起，使其成为一个整体;二是在电气上将多个基本单元线圈板的端部引出端子连接在一起，并使各个基本单元线圈板的感应电势相互叠加，以形成一个完整的PCB型Rogowski线圈的输出电压。共有两种类型的端部连接板，一种是纯机械连接型端部连接板，另一种是兼顾机械连接和电路连接作用的端部连接板。这两种端部连接板的具体形状参见图7所示，其中图7(a)为端部机械连接板，图7(b)为端部机电连接板。

图7 端部连接板Fig.7 Terminal connection board

将一个端部机械连接板、一个端部机电连接板和若干个基本单元线圈板经组装和焊接就可以形成检测线圈的一半，如图8所示。

图8 拼装完成线圈的一半Fig.8 The half part of the coils

现场安装时，只需要将图8所示的两个单元从待检测导体的两侧拼装在一起，并利用端部连接板将两个单元线圈进行机械连接和电气连接即可形成一个完整的PCB型Rogowski线圈，然后再进行引出线连接，最后套装外屏蔽盒就可以完成整个PCB型Rogowski线圈电流传感器的现场安装。电流信号的提取通过将线圈安装在电缆本体和接地线上，本文根据电缆本体和接地线的尺寸设计制作了内径不同的两种PCB型Rogowski线圈。一种用于测量电缆本体电流，它由36块基本单元线圈板组成。设计并经过实际测定的电流灵敏度为2.597 mV/A。另一种用于测量电缆接地线电流，它由20块基本单元线圈板组成。设计并经过实际测定的电流灵敏度为2.63 mV/A。本文所研制的PCB型Rogowski线圈的现场安装既不需要更改、拆装待检测设备原来的接线，也不要求待检测设备停电，因此，这种PCB型Rogowski线圈的现场应用，特别是在电力系统的应用不存在技术上的限制，也不会存在行政审批方面的障碍。这就为这种PCB型Rogowski线圈的现场应用提供了最大的便利条件。图9为现场安装的电流传感器。

图9 现场安装的电流传感器Fig.9 Site installation current sensor

左端是将电流传感器安装到海缆终端接地线上，右端是将电流传感器安装到海缆本体上。电流传感器外面加装金属屏蔽外壳，外壳的接缝和螺丝处用硅橡胶进行密封，之后再向金属外壳喷防锈底漆进行防锈处理。

5.2 监测设备

现场检测设备主要由前置信号处理电路、A/D转换器、数字处理芯片DSP、GPS模块、网络通信模块及外围电路等组成。图10为现场检测设备基本构成框图。

DPS芯片具有强大的数字信号处理能力和运算能力，在本文所设计的现场检测设备中，DSP芯片选用美国TI公司生产的TMS320F2812，主要完成采集数据的处理、GPS信号的处理、数据传输等功能。A/D转换芯片选用TI公司生产的ADS8556，它是一款16位6通道同步采样模数转换芯片，测量时能保证对三相电流信号同时采样。系统选用Resolution T GPS模块，它是Trimble公司生产的一款全天候、并行12通道跟踪、嵌入式GPS接收机。Resolution T接收器能够输出高精度1PPS定时信号，与时间同步误差小于15 ns。串口转网络模块是将任何带有标准串口的设备转换成以太网设备，实现利用局域网的数据通讯，设备选用Moxa公司的MiiNePortE2－H内嵌式设备联网模块，可在短时间内将串口设备连入网络，支持10/100Mbps以太网，最高可达921.6 Kbps的串口波特率。

图10 监测设备基本构成框图Fig.10 Block diagram of the digital circuit

监测设备工作在高电场、强磁场的海缆终端站，难免受到强电磁场及雷电冲击等干扰，这些干扰会影响检测数据的准确性。为了抑制干扰，监测设备采用了硬件防护措施。其一，设计了滤波电路，可以有效地抑制信号源、供电电源的干扰;其二，对系统核心电路板的所有出线端都采取了防护措施，防止高能量干扰对系统造成损伤，并将电路板置于金属屏蔽壳内，可有效屏蔽外部电磁干扰。图11为终端站现场监测设备图。

图11 现场监测设备Fig.11 Monitoring equipment

6 现场监测数据分析

监测系统每分钟对海缆绝缘状况进行监测。为了便于对监测数据的分析，给出连续监测24小时的监测数据，监测结果显示林诗岛终端站测得流过电缆本体的电流为34～50 A，流过接地线的电流为370～400 A;南岭终端站测得流过电缆本体的电流为16～26 A，流过接地线的电流为255～290 A。流过电缆主绝缘的电流(t)波形和电缆金属护套中的感应环流(t)波形如图12和图13所示。

从现场监测结果来看与仿真计算结果相近，造成结果的差异是电缆线路损耗、负载变化等原因造成的。

充油电缆护套绝缘状况的判断依据是通过监测护套绝缘电流泄漏比kdc和接地回路环流感应系数kgf这两个数值来判断护套绝缘是否出现绝缘损坏。三相充油电缆的 kdc和 kgf如图14和图 15所示。

图12 流过三相海缆主绝缘的电流Fig.12 Current flowing through main insulation of three-phase cable

图13 三相海缆感应环流Fig.13 Inductive circulating current of three-phase cable

图14 三相电缆的kdc值Fig.14 kdcof three-phase cable

从图14中的数据可以看出，充油电缆护套绝缘出现老化特征，但是绝缘性能并没有进一步下降，而是维持在目前状态不变，通过护套绝缘泄漏到海水中的电流占电缆绝缘充电电流的比例也没变，kdc将会维持目前的测量结果。也就是说kdc将保持不变，因此，尽管kdc的值大于1，但是，只要其值维持不变或变化非常小，则表明海底电缆外护套绝缘的绝缘性能将会维持现有水平。

图15 三相电缆的kgf值Fig.15 kgfof three-phase cable

图15 可以得到海底电缆外护套绝缘已经存在泄漏，但只要这种泄漏不进一步发展的话，kgf的值将会维持不变，或变化非常小。监测系统自2013年5月投入运行，在线监测系统运行良好，测试数据稳定，受电网谐波的影响较小。

7 结论

针对海南联网工程海底充油电缆，提出了仅用电流传感器实现电缆护套绝缘在线监测的双端四电流传感器法，通过监测护套绝缘电流泄漏比kdc和接地回路环流感应系数kgf作为电缆护套绝缘状况的特征参数来判断电缆护套绝缘状况是可行有效的。

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