500kV海底充油電纜護套絕緣在線監測方法

魏新勞， 朱博， 龐兵， 陳慶國， 王頌， 李銳海

(1.哈爾濱理工大學工程電介質及其應用教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150080;2.中國南方電網科學研究院，廣東 廣州510080)

0 引言

海南聯網工程采用技術成熟、有豐富運行經驗的超高壓自容式單芯充油電纜，跨越瓊州海峽，是我國第一條超高壓、長距離、大容量的跨海聯網工程［1］——瓊州海峽跨海電纜工程。充油海底電纜雖然具有可靠性高、壽命長、運行維護工作量小等優點，但在其制造、運輸、安裝等環節中受到多種外界因素的影響。在投入運行后，很多原因都會造成海纜絕緣產生缺陷或破壞，如:運行中的電纜過負荷導致電纜溫度過高而出現絕緣過度老化;線路的敷設環境造成海纜的護層發生化學腐蝕和電解腐蝕;各種施工或是漁船作業導致海纜護層由于受到外力作用而損壞等［2］。這些損傷或缺陷會在整條海纜線路中逐漸發展，直接威脅到海纜的安全運行及整個供電線路的可靠性，一旦海纜發生故障，會對海南電網造成非常嚴重的影響。

海南聯網工程采用線路為一回，由三根完整制造、無中間接頭的500 kV充油電纜，每根充油電纜長達31 km。為了防止海纜鎧裝的感應電壓過高，每相海纜的兩終端采用兩端直接接地的方式，在這種接地方式下正常運行的電纜金屬護層會產生很大的環流［12－13］。由于現場沒有安裝測量電壓的設備(電壓互感器)，無法獲得電纜兩端頭的實際對地電壓信號，這將會造成無法對電纜絕緣的介質損耗因數進行監測。并且電纜終端與架空導線直接相連，而架空線的電暈放電與電纜的局部放電相比要強烈得多，加之現場的強烈電磁干擾和電纜長度太長，局部放電法根本無法在現場實施。高壓自容式充油電纜的結構和運行方式的特點使得一些常規的在線監測方法受到了限制，充油電纜與交聯聚乙烯電纜的老化機理不一樣，沒有水樹枝，因此直流分量法不適用［3］;海底電纜上施加的電壓等級較高，外加電壓信號太小難以監測，太高會對電纜絕緣造成影響，因此直流疊加法和交流疊加法［4－5］也不適用;另外，受海底環境和海纜本身結構特點，溫度分布監測也難以實施。國內外對充油電纜絕緣在線監測的研究尚不多見，大部分的研究都是在充油電纜的附件(如終端接頭、中間接頭)處提取油樣，運用氣相色譜分析、紅外光譜分析及氣敏傳感器等技術對絕緣油中的溶解氣體進行分析［6－9］。由于油中溶解氣體向海纜兩終端擴散的速度非常慢，如果僅僅在海纜的兩終端站提取油樣進行檢查，難以及時發現海纜絕緣出現的問題，因此這種方法也難以在工程現場實現。目前對海纜絕緣狀況的檢測采用定期停電預防性試驗的方法，這種方法屬于離線檢測，對即將出廠的電纜和在投入運行之前的電纜十分有效，對正在運行中電纜的絕緣狀況要進行檢測就必須使電纜停電、退出運行，會造成很大的經濟損失。因此，對于如何監測高壓自容式充油電纜絕緣狀況是值得研究的課題［10－11］。本文根據海南聯網工程中500 kV海底充油電纜的特點，提出了基于雙端四電流傳感器法的電纜護套絕緣在線監測方法，給出了基于該方法的在線監測系統和現場監測結果，對高壓自容式充油電纜絕緣狀況在線監測具有指導意義。

1 電纜結構與參數

海南聯網工程海底充油電纜采用的是Nexans公司生產的OKZA型自容式充油電纜，其結構橫截面如圖1所示。

圖1 充油電纜橫截面圖Fig.1 Cross-sectional drawing of oil-filled cable

海底充油電纜由導油管、導體、主絕緣、金屬護層等構成，其中導油管直徑為30 mm，主絕緣厚度為28.5 mm，主絕緣外部的護層主要有鉛層、防腐層、鎧甲層等構成，最外面的外披層厚度為4 mm。與電纜主絕緣相比，護套絕緣及外披層的厚度要薄很多，極易遭到破壞。

2 雙端四電流法基本原理

通過對瓊州海峽跨海電纜特點的分析發現電纜兩終端采用兩端直接接地方式，這時流過電纜絕緣的電流、電纜接地回路的感應環流將同時經過這兩個接地點構成各自的回路，這兩回路之間的部分為護套絕緣，根據這一特點提出了一種基于瞬時信號同步檢測技術的雙端四電流互感器法。圖2是雙端四電流互感器法作用于一相海纜的原理圖。以A相充油電纜為例進行說明。

按照圖2所示電流傳感器同名端的方向分別在A相充油電纜本體的兩端和接地線的兩端安裝電流傳感器，設電流參考方向如圖2所示，則在任意某個時刻t有

圖2 雙端四電流法基本原理Fig.2 The basic principle of four current sensors

可以得到流過A相充油電纜主絕緣的電容電流為

將式(1)代入式(2)可得到

通過式(3)可以發現流過A相充油電纜主絕緣的電容電流為4個電流傳感器測量得到的電流之和。另一方面，流過充油電纜主絕緣的電容電流會在其金屬護層中感應出較高的電流，則金屬護層中的感應電流可以寫成

可以得到流過充油電纜兩端接地線的電流和即為A相電纜金屬護層中的感應電流。那么，在電纜護套絕緣沒有泄漏點或絕緣沒有老化的情況下，可以得到

其中稱kdc為護套絕緣電流泄漏比。在理想狀況下，電纜護套絕緣完好，沒有電流通過護套絕緣泄漏到海水中，則kdc等于1;當充油電纜護套絕緣性能老化時，kdc的值將會大于1且逐步呈增大趨勢;當護套絕緣由于受到外界因素影響而出現集中性孔洞，電流將會通過護套絕緣泄漏到海水中，此時kdc將會遠遠大于1，通過監測kdc值來判斷電纜護套絕緣的性能是否有進一步下降或突然改變的情況。因此，可以通過kdc值的變化來判斷電纜護套絕緣狀況。

另外，在電纜兩端接地電阻相等且電纜護套絕緣沒有泄漏點的情況下，電纜接地回路的感應環流(t)可表示為

圖2中，如果定義左端為供電端，而右端為受電端，那么，供電端提供給受電端的負載電流可表示為

因此，根據電纜接地回路感應環流產生的原因、環流的正常流通路徑［14－16］等基本知識可知:在電纜兩端接地電阻相等且電纜護套絕緣沒有泄漏點的情況下(也就是接地回路感應環流經正常路徑情況下)，下面的關系式應該成立

其中kgf為接地回路環流感應系數。當護套絕緣狀況良好時，kgf值應為常數;當kgf發生較大變化時，則表明電纜接地回路阻抗發生了變化或電纜護套絕緣出現了泄漏點或是損壞。因此，可以通過kgf的變化規律對海底電纜護套絕緣狀況進行判斷。

終上所述，利用這種雙端四電流傳感器法，不僅可以得到實際流過電纜主絕緣的電容電流的瞬時值、有效值，而且，通過對不同互感器測量到的電流的進一步分析，可以得到有關電纜絕緣，特別是電纜金屬護層對海水的絕緣(護套絕緣)的狀態信息，這對于海纜而言是非常重要的。

3 護套電流的理論計算

利用Matlab軟件的動態仿真平臺SIMULINK，對海纜護套感應電流和護套電容電流進行仿真計算。主要是利用SimPowerSystem工具箱建立三相電纜的仿真模型。

3.1 護套感應電流

海底電纜兩端直接接地的等效電路圖如圖3所示。

圖3 電纜護套環流等值電路Fig.3 Circuit model of sheath inductive current

假設電纜長度為l，其電壓方程為

式(10)中

其中:R=Rsl;Re=Rgl;X1為單位長度電纜的中相和邊相電纜護套之間的互感抗;X2為單位長度電纜的邊相和邊相電纜護套之間的互感抗;De為電纜護套以大地為回路時等效深度;Rs為單位長度電纜護套的電阻;Rg為單位長度大地絕緣電阻。由于三相海底電纜是平行敷設的，則有下面的感應電動勢計算公式

式中

其中:Ds為電纜護套等效直徑;S為三相電纜的中心軸間距。令R0=R1+R2+Re，由支路電流法可得金屬護套上環流的矩陣方程為

其幅值分別為

3.2 流過主絕緣的電容電流

由于海底電纜是單芯充油電纜，每相電纜的護套電容電流僅與各自芯線的工作電壓有關，與另外兩相電纜無關，因此可以只考慮單相的情況建立護套電容電流的模型，主絕緣用分布式并聯電阻電容模塊表示［15－16］。為了簡化模型，將31 km長的海纜每1 km用一個并聯電阻電容模塊表示，共31個電阻電容模塊，其中每個模塊按設計參數設置電阻R0為55 MΩ，電容C0為0.239 μF。圖4為單相海底電、纜接地護套電容電流仿真模型。 分別為流過兩端的電容電流 為總的接地電容電流。

圖4 單相電纜護套電容電流仿真模型Fig.4 Simulation model of sheath capacitance current of single-phase cable

取電纜芯線對地電壓為300∠0°kV，仿真計算得

4 雙基于四電流傳感器法的海纜絕緣在線監測整體技術方案

根據四電流傳感器法的基本原理，瓊州海峽跨海電纜絕緣檢測整體技術方案如圖5所示。在每相海纜本體的兩端和兩端的接地線上安裝電流傳感器。

在GPS同步時鐘脈沖的校準下，電纜兩端的時間偏差可以減少到十幾個納秒，可以認為兩端時基是完全一致的。于是，建立在這個同步時基上的、位于電纜兩端的六路同步數據采集是同步進行的，也就是說兩端的數據采集是同時進行的，同一次數據采集之間沒有時間差。這是雙端四電流傳感器法的技術基礎和前提。

采集到的數據通過局域網上傳到中央處理計算機，在中央處理計算機上，專門開發的軟件按照雙端四電流傳感器法的基本原理，對每一相電纜的監測數據進行處理，從中獲得有關電纜護套絕緣狀態的相關信息。

圖5 充油電纜絕緣在線監測原理圖Fig.5 Diagram of oil-filled cable insulation monitoring

5 在線監測系統組成

整個在線監測系統主要是由福山變電站主控室的監控系統、林詩島終端站監測工控機和南嶺終端站監測工控機3部分組成。林詩島終端站監測工控機和南嶺終端站監測工控機將采集到的電流信號分別發送到林詩島終端站和南嶺終端站的服務器，兩個終端的服務器再將采集到的數據通過局域網發送到福山變電站的主服務器，再發送到福山變電站監控系統，通過上位機軟件對被采集數據進行運算并顯示相應的數值及歷史曲線。

5.1 電流傳感器

電流信號的提取是監測系統的關鍵部分，由于電纜終端結構及現場接線不允許改變，所以電流互感器必須是可拆裝的。本系統采用PCB型的Rogowski線圈作為傳感頭，PCB型Rogowski線圈的特點就是利用計算機輔助設計軟件(PROTEL等)，在電路板上印制導線代替線圈的導線，按照理論設計，把線圈的每一匝布置在印制電路板的合適位置上。而在制造工藝上則采用數控加工技術以保證繞制時線圈每一匝在印刷電路板上空間位置和形狀的精確性［17］。PCB型 Rogowski線圈不僅克服了傳統的Rogowski線圈線匝不均勻、參數分散性大等缺點，而且靈敏度、測量準確度以及性能穩定性方面都優于按傳統繞制方法的制作的 Rogowski線圈［18－20］。

本文設計的現場可拆裝PCB型Rogowski線圈由基本單元線圈板、端部機械連接板和端部機電連接板3種部件構成。基本單元線圈板是一塊根據Rogowski線圈的基本工作原理設計的基本線圈單元，它由一塊矩形六層印刷線路板制成，兩端帶有供機電連接的端頭，具體形狀如圖6所示。在印刷線路板的每層都由螺線矩形線匝串聯連接而成的平面線圈。不同層的平面線圈利用印刷線路板層間的過孔，按照感應電勢疊加的方向串聯連接在一起，形成一個基本線圈單元。

圖6 基本單元線圈板Fig.6 A elementary PCB coil

端部連接板的主要作用有兩個:一是在機械上將多個基本單元線圈板連接、固定在一起，使其成為一個整體;二是在電氣上將多個基本單元線圈板的端部引出端子連接在一起，并使各個基本單元線圈板的感應電勢相互疊加，以形成一個完整的PCB型Rogowski線圈的輸出電壓。共有兩種類型的端部連接板，一種是純機械連接型端部連接板，另一種是兼顧機械連接和電路連接作用的端部連接板。這兩種端部連接板的具體形狀參見圖7所示，其中圖7(a)為端部機械連接板，圖7(b)為端部機電連接板。

圖7 端部連接板Fig.7 Terminal connection board

將一個端部機械連接板、一個端部機電連接板和若干個基本單元線圈板經組裝和焊接就可以形成檢測線圈的一半，如圖8所示。

圖8 拼裝完成線圈的一半Fig.8 The half part of the coils

現場安裝時，只需要將圖8所示的兩個單元從待檢測導體的兩側拼裝在一起，并利用端部連接板將兩個單元線圈進行機械連接和電氣連接即可形成一個完整的PCB型Rogowski線圈，然后再進行引出線連接，最后套裝外屏蔽盒就可以完成整個PCB型Rogowski線圈電流傳感器的現場安裝。電流信號的提取通過將線圈安裝在電纜本體和接地線上，本文根據電纜本體和接地線的尺寸設計制作了內徑不同的兩種PCB型Rogowski線圈。一種用于測量電纜本體電流，它由36塊基本單元線圈板組成。設計并經過實際測定的電流靈敏度為2.597 mV/A。另一種用于測量電纜接地線電流，它由20塊基本單元線圈板組成。設計并經過實際測定的電流靈敏度為2.63 mV/A。本文所研制的PCB型Rogowski線圈的現場安裝既不需要更改、拆裝待檢測設備原來的接線，也不要求待檢測設備停電，因此，這種PCB型Rogowski線圈的現場應用，特別是在電力系統的應用不存在技術上的限制，也不會存在行政審批方面的障礙。這就為這種PCB型Rogowski線圈的現場應用提供了最大的便利條件。圖9為現場安裝的電流傳感器。

圖9 現場安裝的電流傳感器Fig.9 Site installation current sensor

左端是將電流傳感器安裝到海纜終端接地線上，右端是將電流傳感器安裝到海纜本體上。電流傳感器外面加裝金屬屏蔽外殼，外殼的接縫和螺絲處用硅橡膠進行密封，之后再向金屬外殼噴防銹底漆進行防銹處理。

5.2 監測設備

現場檢測設備主要由前置信號處理電路、A/D轉換器、數字處理芯片DSP、GPS模塊、網絡通信模塊及外圍電路等組成。圖10為現場檢測設備基本構成框圖。

DPS芯片具有強大的數字信號處理能力和運算能力，在本文所設計的現場檢測設備中，DSP芯片選用美國TI公司生產的TMS320F2812，主要完成采集數據的處理、GPS信號的處理、數據傳輸等功能。A/D轉換芯片選用TI公司生產的ADS8556，它是一款16位6通道同步采樣模數轉換芯片，測量時能保證對三相電流信號同時采樣。系統選用Resolution T GPS模塊，它是Trimble公司生產的一款全天候、并行12通道跟蹤、嵌入式GPS接收機。Resolution T接收器能夠輸出高精度1PPS定時信號，與時間同步誤差小于15 ns。串口轉網絡模塊是將任何帶有標準串口的設備轉換成以太網設備，實現利用局域網的數據通訊，設備選用Moxa公司的MiiNePortE2－H內嵌式設備聯網模塊，可在短時間內將串口設備連入網絡，支持10/100Mbps以太網，最高可達921.6 Kbps的串口波特率。

圖10 監測設備基本構成框圖Fig.10 Block diagram of the digital circuit

監測設備工作在高電場、強磁場的海纜終端站，難免受到強電磁場及雷電沖擊等干擾，這些干擾會影響檢測數據的準確性。為了抑制干擾，監測設備采用了硬件防護措施。其一，設計了濾波電路，可以有效地抑制信號源、供電電源的干擾;其二，對系統核心電路板的所有出線端都采取了防護措施，防止高能量干擾對系統造成損傷，并將電路板置于金屬屏蔽殼內，可有效屏蔽外部電磁干擾。圖11為終端站現場監測設備圖。

圖11 現場監測設備Fig.11 Monitoring equipment

6 現場監測數據分析

監測系統每分鐘對海纜絕緣狀況進行監測。為了便于對監測數據的分析，給出連續監測24小時的監測數據，監測結果顯示林詩島終端站測得流過電纜本體的電流為34～50 A，流過接地線的電流為370～400 A;南嶺終端站測得流過電纜本體的電流為16～26 A，流過接地線的電流為255～290 A。流過電纜主絕緣的電流(t)波形和電纜金屬護套中的感應環流(t)波形如圖12和圖13所示。

從現場監測結果來看與仿真計算結果相近，造成結果的差異是電纜線路損耗、負載變化等原因造成的。

充油電纜護套絕緣狀況的判斷依據是通過監測護套絕緣電流泄漏比kdc和接地回路環流感應系數kgf這兩個數值來判斷護套絕緣是否出現絕緣損壞。三相充油電纜的 kdc和 kgf如圖14和圖 15所示。

圖12 流過三相海纜主絕緣的電流Fig.12 Current flowing through main insulation of three-phase cable

圖13 三相海纜感應環流Fig.13 Inductive circulating current of three-phase cable

圖14 三相電纜的kdc值Fig.14 kdcof three-phase cable

從圖14中的數據可以看出，充油電纜護套絕緣出現老化特征，但是絕緣性能并沒有進一步下降，而是維持在目前狀態不變，通過護套絕緣泄漏到海水中的電流占電纜絕緣充電電流的比例也沒變，kdc將會維持目前的測量結果。也就是說kdc將保持不變，因此，盡管kdc的值大于1，但是，只要其值維持不變或變化非常小，則表明海底電纜外護套絕緣的絕緣性能將會維持現有水平。

圖15 三相電纜的kgf值Fig.15 kgfof three-phase cable

圖15 可以得到海底電纜外護套絕緣已經存在泄漏，但只要這種泄漏不進一步發展的話，kgf的值將會維持不變，或變化非常小。監測系統自2013年5月投入運行，在線監測系統運行良好，測試數據穩定，受電網諧波的影響較小。

7 結論

針對海南聯網工程海底充油電纜，提出了僅用電流傳感器實現電纜護套絕緣在線監測的雙端四電流傳感器法，通過監測護套絕緣電流泄漏比kdc和接地回路環流感應系數kgf作為電纜護套絕緣狀況的特征參數來判斷電纜護套絕緣狀況是可行有效的。

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