XLPE电力电缆接地环流监测方案

葛少伟，侯建峰，苏菲，牟泽刚，李德泉

（济南供电公司山东济南250000）

交联聚乙烯XLPE是国内主流的电力电缆，内部结构包含：主电缆芯线、绝缘层和保护层。其中，保护层的材质又分为：金属型、塑胶型以及混合型[1-3]。护层能有效防止大部分的电缆侵蚀，但常规电缆监测主要集中在绝缘层。却忽略了护层的监测，这在护层感应环流故障中暴露出了极大的弊端。由于主绝缘层的品质变化会造成护层状态的改变，故对护层的监测可一次识别绝缘层和金属护层的故障异常，技术意义重大。

对于电力电缆的金属护层缺陷、故障和异常监测，工程上通常采用电桥法进行故障源定位。然后根据不同环境状态与需求，适配选择音频法、跨步电压法、直流冲击法中的一种进行二次精确定位[4-6]。此外，故障统计是维持电力电缆长久正常运行的管理基础，也是在线监测的重点工作。通过故障统计可分析出故障原因，为方案决策提供数据支持。本文在现有监测研究成果上，提出了一种基于接地环流的XLPE监测方案，建模实现电力电缆绝缘状态评价体系和故障评价指标，来构建接地感应环流的在线监测系统。

1 XLPE接地系统

在高压交流电缆上，随着磁场增强金属类护层将会产生感应电压，电压达到一定阈值将会击穿绝缘层造成短路故障[7-10]。因此，通常需要对线路进行保护接地。此时，地回路接地电阻设计成为重要影响指标。指标不达标将会造成多点接地、地电压反击等故障，常用的接地法有一端接地、交叉互联、多点接地等。具体施工时会根据线路长度划定分段接地，以维持护层环流在一定的安全阈值内。但交叉互联过程中，较易出现隐性失误，导致不完全换位，从而使护层环流激增。

在三芯电缆线中，金属护层相当于和三相芯平行的一导体P。中心距离表示，如图1所示[11-13]。

图1 电缆芯线与金属护层中心距示意图

导体P与A、B、C三芯线的磁通分别为：

高压电缆芯线主要排列采用等边三角形，因此护层感应电压可近似参考图2计算。

图2 三相回路金属护层感应电势

电感计算有：

各电缆金属护层单位长度感应电势为：

而对于诸如平行回路等多回路电缆，感应电流排列遵循图3模式[5]。

图3 双回路任意排列电缆中心距表示

总回路C相护层感应电压为：

其中，GMRS为金属护层几何平均距离。通过公式（12），相应改变p、q、r值，调整相位角即可获得A、B的护层感应电压。而在实际输电工作环境中，电缆各参数为：平均护层直径DS=77.8 mm，电缆中心轴距离S=250 mm，电缆每相负载电流为I=500 A。在等边三角敷设下，金属护层感应电压分别为[6]：

因此，在单芯电缆设计搭建过程，需充分考虑金属护层的感应电压影响，动态监测避免环流故障，才能实现经济、稳定的电缆运行系统。

2 XLPE接地环流分析与监测方案

2.1 金属护层环流建模

基于金属护层感应电势，在接地回路中将会产生不平衡波动或接地故障时均会导致感应环流。此外，由于长期的电缆敷设环境损伤、破坏也会致使金属护层多点接地，热损耗增加，环流消耗严重[7]。

环流的大小取决于电缆感应电势、回路阻抗，还会受到排列方式和线路长度及地理环境的影响。为此，文中定义E1、E2、E3分别为三相电缆A、B、C感应电势；R0、R2为接地阻抗；R3为大地阻抗；R为屏蔽层阻抗；X为电缆金属屏蔽层自感抗；X1为单位长度中、边相屏蔽层互感抗；X2为单位长度边相互感抗，电缆长度为n。回路电压方程组模型，如公式（14）。

在实际工作环境中，敷设深度常为1000 mm，电缆长度＞1000 m，接地电阻约为 0.6 Ω，S=220 mm，RS=0.274×10-3Ω/m，DC=510370 mm，环境温度约为25℃。代入式（14）中，可得接地环流公式（15）：

得到IS=0.017 mA，若回路接地电阻R1+R2=1 MΩ（即没有接地电阻）情况下，护层环流IS1=0.017 mA。由此也可得出，金属护层环流受接地电阻影响，且在多点接地时波动显著。

2.2 XLPE环流监测方案设计

总结电缆护层常规缺陷或故障大致有：外力护层损坏、电缆附件质量缺陷、辐射质量缺陷等。故障外在表征有：感应接地环流、局部放电，且以环流为主要表现，异常状态下接地电流将瞬间增大一个量级[8]。

基于以上故障特征，文中将感应环流作为XLPE护层接地异常的判断依据。监测系统构架示意，如图4所示。

图4 金属护层环流监测系统结构

2.2.1 内部传感器设计

传感器基于电流互感，取正常环流值的10～12倍为有效范围进行信号出发，可保证较好的线性关系和饱和性能。传感器特性测试，见表1和图5所示。在22 A以下，U/I呈线性关系；22 A以上时电流趋于饱和，电压缓增至7 V，满足基础设计需求[9]。

2.2.2 外部系统及接口电路

金属护层外部系统设计需要加入一个信号调制器，对激增电流、电压进行限制并提升电缆抗干扰能力，设定UR=±9 V，结构如图6所示。此外，为了保障A/D转换电路的安全性，采用逐次逼近式原理工作，单通道输入。芯片核使用ADS7805，工作温度-25℃～85℃[10，11-16]。A/D转换及DSP接口电路，如图7所示。

表1 一次电流与二次电压关系

图5 一次电流与二次电压关系曲线图

图6 信号调制器基本电路

图7 ADS7805与DSP接口电路

系统采用DSP最小模块设计思想，通过外围控制板实现基于DSP的监控系统，以RS-232串口RXD、CTS、TXD、RTS作为IO引脚串行通信的“sign”信号，通过“握手”实现数据接收、清除、存储与请求信号的发送。其系统相关电路，分别如图8～10所示。

图8 电源接口原理图

图9 控制时钟芯片接口原理

2.2.3 护层环流实验

随后，为检验系统对环流监测的效果，本文对单芯电缆进行了护层接地环流测试，实验电路如图11所示。实验条件为：长度l=269 m，总电容C=456 μF，总电感L=22.57 mH，护层电阻R=0.56 Ω，缆芯直径D1=0.55 cm，护层直径D1=2.34 cm，电阻率ρ=100 Ω·m。测试数据统计：缆芯电压峰值Up-pA、缆芯电流峰值Ip-pA、护层电压峰值Up-pB、护层电流峰值IppB等，绘制成表2。

图10 TMS320F206与数据存储器的接口连接

图11 电压、电流实验电路

实验结果表明：金属护层环流为主要电缆故障原因，各类因素导致的多点接地会使环流激增。再将实验数据带入环流模型计算公式，得到环流I=687.5A，与实验数据基本符合。

表2 单芯电缆实验参数统计表

3 结束语

文中在XLPE电力电缆在线监测研究基础上，提出了接地环流进行故障判定法，建立数学模型来监测电缆异常。并从金属护层状态分析出发，推导感应电势和接地环流公式，通过ADS7805和PSD接口电路通信反馈金属护层参数状态。从而实现实时监测异常状态，及时的进行电力检修，降低引起短路故障等电力事故的发生概率。该方法具备极高的技术研究价值和深度开发前景。