接地電流監(jiān)測(cè)在高壓電纜在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊宇峰，孫滿法，尤靈偉

（杭州交聯(lián)電氣工程有限公司，浙江 杭州 310011）

0 前言

交聯(lián)聚乙烯電纜因其性能優(yōu)良、施工工藝簡(jiǎn)單、安裝方便、載流量大、耐熱性能好等特點(diǎn)，取代了傳統(tǒng)的油紙絕緣電纜，在配電網(wǎng)、輸電線路中有著廣泛的應(yīng)用。2005年后，全國(guó)電網(wǎng)再未投運(yùn)過(guò)新的充油電纜線路，交聯(lián)聚乙烯電纜已構(gòu)成城市供電和主網(wǎng)架的重要環(huán)節(jié)。相比架空線路，因交聯(lián)聚乙烯電纜敷設(shè)的隱蔽性，其運(yùn)行性能狀況及缺陷等現(xiàn)象難以被直觀發(fā)現(xiàn)。為全面動(dòng)態(tài)把握電纜運(yùn)行狀況和缺陷，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家已對(duì)電纜在線監(jiān)測(cè)研究了20多年，并研發(fā)了多種電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

交聯(lián)聚乙烯電力電纜在正常環(huán)境中的使用壽命為20～30年，然而由于電纜一般都敷設(shè)在電纜溝中或直埋于地下，敷設(shè)環(huán)境及使用狀態(tài)會(huì)極大地影響電纜壽命。一旦地下電纜發(fā)生故障，將帶來(lái)很大損失。高壓電力電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可隨時(shí)對(duì)電纜絕緣的老化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)電力電纜的可靠運(yùn)行、減少停電次數(shù)、實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修等方面有著十分重要的意義。

1 電纜的劣化機(jī)理及在線監(jiān)測(cè)方法

電纜絕緣材料的劣化主要有熱劣化、電氣劣化及化學(xué)性劣化等幾種類(lèi)型。

(1) 熱劣化主要是指電纜在承載負(fù)荷電流時(shí)，在導(dǎo)體自身電阻損耗發(fā)熱、電纜絕緣部分泄漏電流損耗發(fā)熱等過(guò)程中引起的交聯(lián)聚乙烯材料劣化。

(2) 電氣劣化主要有電樹(shù)枝劣化和水樹(shù)枝劣化。由于電纜絕緣材料存在雜質(zhì)、氣泡等缺陷，在電纜通電時(shí)會(huì)在絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生極不均勻的電場(chǎng)，形成電樹(shù)枝。電樹(shù)枝是引起局部放電的主要原因之一。在水分及交流電場(chǎng)作用下，電纜交聯(lián)聚乙烯材料會(huì)產(chǎn)生水樹(shù)枝劣化現(xiàn)象。水樹(shù)枝會(huì)造成電纜絕緣性能降低，介質(zhì)損耗因素tanδ升高，這是電纜絕緣整體劣化的主要原因之一。

(3) 化學(xué)性劣化主要是在熱劣化、電氣劣化及環(huán)境化學(xué)因素作用下的綜合劣化過(guò)程。

根據(jù)電纜的物理屬性，以及在運(yùn)行狀態(tài)下的劣化形成及發(fā)展過(guò)程中顯現(xiàn)的物理特性，研究人員提出的在線監(jiān)測(cè)方法主要有：直流分量法、直流疊加法、損耗因素法、局部放電法、低頻疊加法、溫度分布測(cè)量法、接地電流測(cè)量法等。

2 電纜在線監(jiān)測(cè)方法的市場(chǎng)應(yīng)用

雖然電纜在線監(jiān)測(cè)的手段和方法眾多，但隨著電纜制造工藝及絕緣材料性能的提高，直流分量法、直流疊加法、損耗因素法等傳統(tǒng)方法已不適用。由于諸多監(jiān)測(cè)方法有其自身特點(diǎn)和實(shí)際工程應(yīng)用的局限性，目前在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有：110 kV及以上單芯電纜的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，110 kV等級(jí)以下電纜在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品則比較少。

3 單芯、三芯電纜運(yùn)行中的接地電流分析

110 kV及110 kV以上電纜以單芯電纜為主，35 kV及35 kV以下電纜以三芯電纜為主。運(yùn)行電纜護(hù)層接地線上的電流，主要由感應(yīng)電流、電容電流、泄漏電流3部分組成。

對(duì)于單芯電纜，接地方式有單端接地、兩端接地、交叉互聯(lián)接地等。對(duì)于兩端接地的單芯電纜，其接地電流以感應(yīng)電流為主。單端接地的電纜，以電容電流為主。絕緣良好的運(yùn)行電纜，其泄漏電流極小，正常運(yùn)行時(shí)可忽略不計(jì)。

三芯電纜因三相電流的對(duì)稱(chēng)性及大小幾近相等，在接地護(hù)層中的合成感應(yīng)電勢(shì)接近于0。因此，三芯電纜采用兩端接地的方式。

流過(guò)電纜主絕緣的電容電流，在電纜老化過(guò)程中的變化比較明顯，呈增加趨勢(shì)。對(duì)單芯、三芯電纜來(lái)說(shuō)，電容的變化都會(huì)使接地線電流增大。因此，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)單相電力電纜的接地電容電流或三相電力電纜的接地不平衡電流，就可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的運(yùn)行狀態(tài)，防止電纜絕緣事故的發(fā)生。

單相電纜導(dǎo)體與金屬屏蔽層間的等效電路見(jiàn)圖1。當(dāng)電纜整體老化或受潮，電纜局部故障或端部電纜頭臟污受潮時(shí)，分布參數(shù)C將均勻增大，R將均勻減小。對(duì)于同一電纜，接地線電容電流增加幅度對(duì)C的變化非常敏感。

圖1 單相電纜導(dǎo)體與金屬屏蔽層間的等效電路

對(duì)35 kV及35 kV以下三相電纜來(lái)說(shuō)，三相電纜同時(shí)整體老化或受潮時(shí)，由理論分析可知：測(cè)量接地電流對(duì)故障現(xiàn)象的反應(yīng)其實(shí)是不靈敏的，但實(shí)際運(yùn)行中的電纜，同步老化或受潮的概率很低。由此，三相電力電纜接地不平衡電流同樣可反映電纜護(hù)層的絕緣狀況，并且其靈敏度明顯高于檢測(cè)單相電纜接地電容電流。三相電纜接地電流的監(jiān)測(cè)也可有效反應(yīng)電纜負(fù)載的情況，如果三相負(fù)載相差較大或某一相或兩相發(fā)生接地故障時(shí)，都能有效反應(yīng)到接地電流上。

當(dāng)單相電纜絕緣護(hù)套破損、金屬護(hù)層出現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地時(shí)，會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，嚴(yán)重時(shí)可超過(guò)負(fù)荷電流的50 %以上。環(huán)流損耗使金屬護(hù)層發(fā)熱，加速電纜主絕緣老化，威脅電纜運(yùn)行安全。因此，監(jiān)測(cè)電纜的接地電流，也可獲取電纜外護(hù)套的完整信息。

由上述分析可知：實(shí)現(xiàn)運(yùn)行電纜接地電流的細(xì)化分析和監(jiān)測(cè)對(duì)電纜的安全運(yùn)行意義重大。

電纜在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，都是對(duì)電纜絕緣狀況的分析和跟蹤，但是絕緣狀況的變化都伴隨著接地電流狀態(tài)的變化。因此，在所有的監(jiān)測(cè)手段中，接地電流監(jiān)測(cè)最為基礎(chǔ)，也比較直觀。

4 接地電流在線監(jiān)測(cè)與其他監(jiān)測(cè)方法的比較

溫度在線監(jiān)測(cè)、局放在線監(jiān)測(cè)、介損在線監(jiān)測(cè)等方法的實(shí)現(xiàn)，都是基于對(duì)運(yùn)行電纜中電流變化發(fā)展為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)。電纜劣化，導(dǎo)致電纜整體或局部有損電流增加；有損電流增加，導(dǎo)致電纜整體或局部發(fā)熱，絕緣介質(zhì)介損增大。運(yùn)行中的局部缺陷，在最初階段為非貫穿性放電現(xiàn)象，但最終發(fā)展為貫穿性放電，引起接地電流異常。

從經(jīng)濟(jì)角度分析，目前的溫度、局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求高，經(jīng)濟(jì)投入高，施工維護(hù)成本高。對(duì)于固體材料，其劣化損壞過(guò)程是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的變化過(guò)程。電纜主絕緣在運(yùn)行過(guò)程中流過(guò)電容電流，在劣化過(guò)程中其電容量呈增加趨勢(shì)，導(dǎo)致接地線電流增大。加速劣化試驗(yàn)證明此種變化是明顯的，同時(shí)交流擊穿電壓與接地線電流增量有較強(qiáng)的相關(guān)性。在線接地電流監(jiān)測(cè)的研究可排除掉與劣化信息關(guān)聯(lián)微弱的信號(hào)干擾，從接地線電流中提取出蘊(yùn)含電纜絕緣劣化的容性電流變化、泄漏電流變化、局部放電信號(hào)等信息的參量，以此綜合評(píng)估絕緣的劣化狀況。由此得知，接地電流在線監(jiān)測(cè)的研究和應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

通過(guò)接地電流在線監(jiān)測(cè)分析，對(duì)運(yùn)行電纜動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行把握，當(dāng)運(yùn)行電纜接地電流發(fā)生異常變化時(shí)，可合理安排停電檢查，從而避免電纜事故的發(fā)生。相比其他在線監(jiān)測(cè)手段，接地電流在線監(jiān)測(cè)不僅實(shí)現(xiàn)了在線動(dòng)態(tài)監(jiān)控，還可對(duì)電纜故障趨勢(shì)有所預(yù)估，且因接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝應(yīng)用更為方便，大大節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本投入。

5 接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用開(kāi)發(fā)思路

接地電流的監(jiān)測(cè)手段已十分成熟。接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置時(shí)，在電纜兩個(gè)終端、中間連接處(或中間交叉互聯(lián)箱內(nèi))設(shè)置高精度電流互感器，通過(guò)互感器采樣，將接地電流信息傳輸至分析裝置進(jìn)行分析。根據(jù)電纜不同使用方式(單芯或三芯)及其接地方式(一端、兩端或交叉互聯(lián))下，電纜在老化或故障后接地電流各自特點(diǎn)的分析，開(kāi)發(fā)智能型在線分析裝置，是接地電流在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用關(guān)鍵。另外，可進(jìn)一步應(yīng)用比較成熟的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，開(kāi)發(fā)智能分析系統(tǒng)裝置無(wú)線傳輸功能及相關(guān)應(yīng)用軟件，使缺陷或故障信息能夠在任意時(shí)刻及時(shí)傳送至運(yùn)行人員的智能手機(jī)終端，確保運(yùn)行人員對(duì)運(yùn)行狀況的跟蹤不受空間限制，同時(shí)也可使運(yùn)行人員通過(guò)手機(jī)終端隨時(shí)隨地上網(wǎng)了解電纜運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及狀態(tài)分析結(jié)果等信息。

6 結(jié)束語(yǔ)

雖然市場(chǎng)有較多的電纜在線監(jiān)測(cè)裝置，如光纖分布式感溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電纜綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然而根據(jù)多年工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)并收集相關(guān)應(yīng)用資料得知：電力系統(tǒng)內(nèi)部及用戶(hù)在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，有關(guān)110 kV及110 kV以下的電纜運(yùn)行維護(hù)，還是采取人工定期巡檢制度，以獲取電纜接地電流的相關(guān)信息;存在在線監(jiān)測(cè)裝置使用一段時(shí)間后舍棄不用的現(xiàn)象。原因可能有2點(diǎn)：

(1) 目前電纜在線檢測(cè)裝置產(chǎn)品的市場(chǎng)適應(yīng)性還不夠強(qiáng)；

(2) 電纜運(yùn)行主體對(duì)運(yùn)行電纜接地電流在線監(jiān)測(cè)的意義認(rèn)識(shí)還不夠充分。

本文旨在通過(guò)對(duì)運(yùn)行中電纜接地電流特點(diǎn)的分析，總結(jié)比較電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，為專(zhuān)業(yè)人員在接地電流在線檢測(cè)系統(tǒng)更加深入的研究、開(kāi)發(fā)、推廣和應(yīng)用方面提供相關(guān)資料分析；使運(yùn)行人員對(duì)運(yùn)行中電纜接地電流動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)重要性有更深入的認(rèn)識(shí)。對(duì)接地電流在線監(jiān)測(cè)特點(diǎn)的分析，對(duì)節(jié)省在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本及安裝維護(hù)成本，推進(jìn)市場(chǎng)應(yīng)用，都有著實(shí)際意義。