引言

電力電纜是電力系統(tǒng)最基本的組成部分，對整個電力系統(tǒng)極其重要。我國66kV及以上電 壓等級的高壓電纜多采用帶有金屬護層的單芯電纜。通常情況下，高壓電纜金屬護層的接地方 式有兩種，一種是單芯電纜金屬護層一端保護接地，另一端直接接地;由于沒有形成環(huán)路，此 時金屬護層中沒有感應環(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)的方式進行接地，此時金屬護層產(chǎn)生的感應電流按設計規(guī)程要求須小 于運行電流的10%。

當電纜外護層因敷設時可能產(chǎn)生的機械損傷以及運行過程中可能出現(xiàn)的化學腐蝕、鼠害。使電纜外護套多點損壞，導致金屬護層多點接地，與大地形成環(huán)流。金屬護層環(huán)流的增大會引起電纜發(fā)熱，損耗劇增，從而影響電纜的載流能力。嚴重時可能威脅電力系統(tǒng)網(wǎng)的運行安全。相反，如果電纜接地系統(tǒng)由于某種原因未能有效接地，金屬護層上的感應電壓就會升高。電纜的長度越長，電纜的負載電流越大則感應電壓越高，最高感應電壓可以達到上萬伏。嚴重威脅運行檢修人員的人身安全，過高的感應電壓也會擊穿電纜的絕緣外護套，并在擊穿點持續(xù)放電可能會引起火災發(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、計算機技術和GPRS通訊技術基于REAL-TIME綜合數(shù)據(jù)智能監(jiān)測管理平臺為基礎和核心研發(fā)了用于高壓電纜的護層循環(huán)電流、運行電流、電纜表面溫度及環(huán)境溫濕度進行實時監(jiān)視的JDJY型高壓電纜護層絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng).

一、電力電纜護層絕緣檢測手段分析

1.現(xiàn)有護層絕緣檢測手段分析

傳統(tǒng)的監(jiān)測手段主要是通過停電測量護層絕緣電阻或帶電用鉗型電流表測量護層循環(huán)電流。近年來，為了提高輸電線路的可靠性指標，高壓電纜停電檢修的機會越來越少。由于地下電纜所處的環(huán)境復雜，采用傳統(tǒng)的手工測量護層循環(huán)電流越來越困難。所以，有必要研制出一套智能化的高壓電纜護層絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng),以提高工作效率和防止電力事故發(fā)生。

2.高壓電纜線路護層循環(huán)電流與護層絕緣之間的關系分析

1)護層循環(huán)電流與護層絕緣之間的關系

通常短線路單芯電纜的金屬護層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護電阻接地的方式(如圖1示)，長線路單芯電纜金屬護層則采用三相分段交叉互聯(lián)兩端接地的方式(如圖2示)。但當線路單芯電纜的金屬護層出現(xiàn)兩點或多點接地時就會在金屬護層中形成環(huán)流，環(huán)流的大小與電纜相應的長度，導體中電流大小有關。當金屬護層中環(huán)流較大時嚴重時可能會達到主電流的50%以上，環(huán)流損耗會使金屬護層發(fā)熱，破壞電纜的主絕緣，威脅電纜運行安全。 所以，在高壓電纜的實際運行中，電纜芯線運行電流是否超負荷、主絕緣及護層絕緣是否存在缺陷，都可以從電纜金屬護層循環(huán)電流的變化反映出來。若能實時監(jiān)測運行電纜金屬護層的循環(huán)電流指標，對于避免電纜長期過載運行，負荷調節(jié)，安全運行維護等方面都具有重要意義。

2)護層循環(huán)電流理論計算

如前所述高壓電纜金屬護層接地方式主要有單端接地和交叉互聯(lián)接地。對于長電纜線路，有時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三相金屬護套上產(chǎn)生的感應電勢，E1/、E2/、E3/ 分別為三相電纜護層上的環(huán)流Ⅰs1、Ⅰs2、ⅠS3在A、B、C三相金屬護層上產(chǎn)生的感應電勢，R1、R2為電纜護層兩端接地電阻，Re為大地的漏電阻，R為金屬護層的電阻，X為金屬護層的自感抗。對于圖3，假設電纜線路長度為L，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為單位長度電纜金屬護層的電阻，Rc=Rgn，Rg為單位長度的大地的漏電阻，X=2ω㏑(2Dc/Ds),Dc為金屬護層以大地為回路時回路等值深度，Ds為金屬護層的直徑，X1=2ωln(Dc/S)為單位長度中相和邊相金屬護層的互感抗，X2=2ωln(Dc/2S)為單位長度邊相與邊相金屬護層的互感抗，Es1、Es2、Es3分別為三相金屬護層上單位長度的感應電勢。因電纜是平行敷設且金屬護層是不交叉兩端接地，故有如下感應電勢計算公式：?

(1)若電纜平行敷設，電纜單端接地，另一端經(jīng)護層保護器接地，則相當于R1無窮大，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是電纜線路對地電容，U是相電壓，對于400mm2，110kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜， C≈0.17µF/km，如果電纜長度為1000m，則電容電流：

I=314×0.17×10-6×1.0×110×103=5.8(A)

此時，流經(jīng)直接接地端的電流與線芯電流無關。

(2)若由于電纜護層絕緣被破壞,造成電纜的金屬護層發(fā)生多點接地(如圖4中的R1)。因R1為直接接地，阻值很小，故障將使金屬護層中形成很大的環(huán)流。其它兩相的金屬護套沒有形成多點接地，其環(huán)流可以不予考慮。這時不能按前述公式計算感應電勢，只需考慮三相纜芯電流對故障相金屬護套的感應電勢所引起的環(huán)流。電纜的金屬護套可視為同心的套在纜芯周圍且其薄壁呈圓柱體，因其壁厚遠小于其直徑，故可將金屬護套的自感視為零(見圖4)。

此時，設三相纜芯電流分別為ia、ib、ic，介質磁導率為µ，則距離A電纜中心x處的磁感應強度Bx=µia/(2лx),故與護套相交鏈的磁通dψx=(µia/(2лx)dx,A電纜電流產(chǎn)生的磁通與A電纜自己護套交鏈ψAA在x [∈S,Db]范圍中表示為：

即有A電纜金屬護套的總磁通ψA=ψAA+ψBA。

將Is2=,Is3=0和Us代入圖2回路電壓方程,則A相金屬護套環(huán)流。

Is1(R+jX+Rc)=Es

其中, X=ψL; R為金屬護套直流電阻;Rc為大地的漏電阻與兩點接地電阻之和,Es為金屬護套的感應電勢。護層故障相護層循環(huán)電流：

從上述理論分析可以得到以下結論

①對于護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，與電纜結構尺寸有關，與電纜線芯電流無關。

②對于有護層絕緣缺陷的電纜線路，由于護層循環(huán)電流的存在，流入直接接地端的電流將上升，具體電流值與護層的接地點和接地電阻有關。對于特定的電纜線路，在外部環(huán)境沒有發(fā)生變化的情況下，護層循環(huán)電流和線芯電流的比值應該是一個常數(shù)。

3)實測數(shù)據(jù)

為了驗證上述理論的分析結論，我們選取了五回路電纜做實際測量，比較其在單端接地和兩端接地情況下，?護層循環(huán)電流的理論值和實測值，結果如表1示。

從上表可以看出，在通常情況下，對于單端接地系統(tǒng)，若電纜的護層絕緣良好，則其直接接地端對地電流很小，一般不超過線芯電流的10%。當電纜護層受到破壞時，護層循環(huán)電流會增大，其值與電纜護層接地點的位置和護層故障電阻以及接地點接地電阻有關。故障點離直接接地端越遠，則護層循環(huán)電流越大，在極端情況下，故障點在護層保護器側時，達到最大值。在實際運用中，對于特定的電纜線路，護層循環(huán)電流/線芯電流基本上是個恒定值，其波動很小。

4)護層絕緣狀況判據(jù)，在大量實測和理論計算的基礎上，本監(jiān)測系統(tǒng)提出了判斷高壓電纜護層絕緣異常狀況的判據(jù)

(1)護層循環(huán)電流值/線芯電流值≥10% ?

(2)相同時段內護層循環(huán)電流變化率/線芯電流變化率≥1

與傳統(tǒng)方法測試得到的數(shù)據(jù)進行比對后，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)是準確可靠的。通過監(jiān)測電纜金屬護層循環(huán)電流，我們可以分析某日或一段時間內電纜運行負荷的變化情況，便于及時調整，實現(xiàn)電纜安全運行。綜上所述，該系統(tǒng)設計達到了系統(tǒng)設計目標的要求，可以滿足實際應用。

二、結論

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行是電網(wǎng)企業(yè)重要職責。電纜護層絕緣良好是電纜運行必不可少的電氣條件之一，隨時報告電纜外護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，甚至能夠立即報告對接地線的偷盜。通過連續(xù)監(jiān)測電纜金屬護層循環(huán)電流和電纜終端頭、接頭或本體表面溫度并分析比較來監(jiān)測護層絕緣情況，是目前不改變線路連接，不影響電纜運行可行有效的辦法。利用現(xiàn)代電力電子技術、計算機技術和GPRS 通訊技術研發(fā)的高壓電纜護層絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng),可實時監(jiān)測電纜金屬護層循環(huán)電流、運行電流和電纜表面溫度，并以GPRS通訊方式將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控服務器，監(jiān)控軟件永久的保存數(shù)據(jù)，通過繪制各種參數(shù)的變化趨勢波形圖、記錄數(shù)據(jù)表等方法向用戶提供分析前提，并采用獨特的判據(jù)判斷電纜絕緣情況是否良好。若某個運行參數(shù)出現(xiàn)故障時可將故障信息以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、可靠的運行。 與傳統(tǒng)的停電測量護層絕緣電阻，和手工測量護層循環(huán)電流比，利用該系統(tǒng)能提高工作效率，提高對護層絕緣狀況診斷分析質量。

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