電力電纜金屬護層環流在線監測裝置的應用

胡 偉，任廣振，張禮賓

（杭州市電力局，杭州 310009）

0 引言

目前交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜已被廣泛應用，基本取代了油紙絕緣電纜。XLPE電力電纜多數采用單芯電纜，其線芯與金屬護層的關系可看作單匝變壓器。當單芯電纜線芯通過電流時，就會有磁力線交鏈鋁包或金屬屏蔽層，在兩端出現感應電壓。感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過導體的電流成正比，當電纜很長時，護套上的感應電壓有可能會危及人身安全。

有關XLPE電力電纜狀態監測的研究基本以電纜主絕緣為主，忽略了對電纜保護層絕緣的在線監測研究。在實際運行過程中，電纜保護層的缺陷導致主絕緣出現問題的情況也較多，如：金屬護層出現多點接地，導致絕緣層局部過熱并加速絕緣老化，嚴重影響主絕緣壽命；護層絕緣損傷、因外力或電磁力引起護層聯接處位移應變和錯位導致水分侵入，主絕緣產生水樹老化的概率增加，對電纜壽命產生嚴重影響等。

因此，監測金屬保護層的絕緣狀態是保護電纜主絕緣的第一道防線，應給予充分的關注。

1 金屬護層環流在線監測裝置

電力電纜新型金屬護層環流在線監測裝置采用國內先進的制造工藝和非接觸式感應取電、無線通信等技術，能夠實時采集電纜金屬護層接地環流、電纜本體溫度等狀態數據，采用統一的通信規約將測量數據傳輸至前置子系統，實現環流的在線監測。

裝置采用特殊設計的電流互感器作為感應裝置，以超級電容為緩沖儲能器件，以功率控制及穩壓變換方式對超級電容充電和對設備供電，采用大功率瞬態抑制器件、二級反饋斬波泄放電路和飽和點設計，提高了輸出功率，減少了發熱量，降低了震動和噪聲。

2 感應取電裝置的設計原理

感應取電裝置由電流互感器、保護反饋控制、超級電容充電管理、輸出控制等幾部分組成。

電流互感器從母線感應能量供后級使用；保護反饋控制包括瞬態抑制、反饋斬波泄放控制，主要作用是根據后級對能量的需求自動調節輸出到后級的能量大小，同時抑制瞬態峰值電流，保護后級電路不被損傷，也解決了后級空載時的互感器震動問題；充電管理部分的主要作用是根據互感器線圈感應的能量動態調節對超級電容的充電電壓和充電電流，在達到互感器功率輸出最大化的同時保護超級電容等后級電路及元器件；輸出控制部分主要監視超級電容的儲能狀況，對負載設備提供直流能量。

3 金屬護層環流在線監測裝置的應用

該監測裝置于2011年4月首次安裝在杭州市電力局110 kV南新1202線3號中間接頭處（該中間接頭的接地方式為直接接地），經過半年多的試運行，表明該裝置能夠準確測量接地環流數據，能夠對電力電纜線路環流數據異常情況及時報警，為電力電纜絕緣狀態監測提供依據。截至2011年底，已安裝66套監測裝置，覆蓋8條220 kV電纜線路和1條110 kV電纜線路。圖1為金屬護層環流在線監測裝置現場安裝示意。

圖1 在線監測裝置現場安裝示意

表1對2條220 kV電纜線路的任意2組中間接頭的人工檢測數據和在線監測數據進行了對比，表明在線監測裝置的實測數據（月平均值）與傳統人工測量得到的數據是基本一致的，從而說明電纜護層絕緣監測系統測得的數據是可以被采信并用于指導生產的。

接地環流在線監測裝置采集的數據通過前置子系統傳輸至電力系統生產管理平臺，使運行管理人員可直觀地觀測到A/B/C三相護層接地環流的每時、每日、每月的數據曲線。

表1 金屬護層接地環流歷史數據和實測數據對比

圖2為220 kV陸古2R50線4號中間接頭A/B/C三相環流在2012年 1月 16日00∶00—12∶00的實時記錄曲線。根據電力電纜線路等效原理圖分析，金屬護層感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過導體的電流成正比，導體電流隨線路負荷變化而變化，接地電流隨導體電流變化而變化且為正比關系。在00∶00—12∶00時間段內電力電纜線路負荷是遞增的，導體電流和接地環流也呈現遞增趨勢，在系統內展示為上升曲線。由于A/B/C三相電纜自身絕緣狀態不同，三相接地環流數據之間也存在差距。根據多年運行經驗判斷，接地環流在15 A以下時接地系統基本屬于正常狀態。

圖2 在線監測系統環流記錄曲線

當電力電纜線路環流或在線監測裝置出現異常時（如設備故障、數據異常、通信中斷等），系統能在短時間內通過語音、短信、界面提示等手段發出告警信號。

圖3顯示的是220 kV司白4414線9號接頭處的接地環流數據，最高已達到58.3 A，遠超出正常數據范圍，在線監測裝置第一時間發出報警信號，并將線路名稱、接頭位置、相別、故障數據和故障簡要結論發至預先設置的手機號碼，通知設備主人有異常的環流數據出現。

圖3 在線監測系統異常環流數據曲線

通過護層接地環流在線監測裝置以及相應的智能數據管理平臺，實現記錄測量數據、故障記錄、故障回復記錄等功能，還可提供曲線圖、柱狀圖等直觀圖表，大大減輕現場測量的勞動強度，提高系統維護效率。

4 結論

（1）高壓電纜線路是電網的重要組成部分，電纜護層絕緣良好是電纜運行必不可少的電氣條件之一。通過實時監測電纜金屬護層環流并進行分析比較來監測金屬護層絕緣情況，是目前不需停電、不改變線路連接，且不影響電纜運行的有效辦法。

（2）采用非接觸式感應取電、無線通信等技術實現對高壓電力電纜接地電流、交叉互聯接地電流24 h不間斷實時在線監測，并以GPRS通信方式將測量數據發送給監控服務器，通過判據判斷電纜絕緣情況是否良好，可以從根本上避免電纜事故的發生，保證電纜安全、可靠運行。

（3）在線監測手段可代替傳統的人工定期測試，大大降低工作量，提高工作效率，提高對金屬護層絕緣狀況的診斷分析質量，具有較大的實用價值。

[1] 李宗廷，王佩龍，趙光庭，等.電力電纜施工手冊[M].北京：中國電力出版社，2001.

[2] Q/GDW 512-2010電力電纜線路運行規程[S].北京：中國電力出版社，2010.

[3] 肖耀榮，高祖綿.互感器原理與設計基礎[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2003.