高压电缆护层绝缘监测系统的研制与应用

作者：严有祥

来源：《海峡科学》2010年第10期

[摘要]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。

[关键词]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。