XLPE電纜交叉互聯系統接地直流電流在線監測

葉冠豪，郭湘奇，王一磊，鄧　鵬

（南京供電公司，江蘇南京210019）

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XLPE電纜交叉互聯系統接地直流電流在線監測

葉冠豪，郭湘奇，王一磊，鄧鵬

（南京供電公司，江蘇南京210019）

摘要：針對交聯聚丙烯（XLPE）電纜交叉互聯系統水樹枝情況，采用直流分量法，對交叉互聯標準單元進行分析和計算其等值電路，定量研究了兩端接地電流中由于水樹枝引起的微弱直流電流分量的大小相關因素。通過設計電流采樣模塊與低通濾波模塊，實現了微弱直流電流分量的采樣與濾波，實際測量結果說明說明了該方法與設計模塊的合理性。

關鍵詞：在線監測；直流分量法；水樹枝；交叉互聯

近年來，交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜憑借其受自然環境影響小、安全可靠、耐熱好、壽命長、不易損壞和供電能力強等優點在電力系統得到了廣泛應用［ 1 ］。電纜絕緣老化有諸多形式，其中水樹枝老化是導致XLPE電力電纜絕緣擊穿停電的主要原因，帶來了巨大的經濟損失［ 2 ］。關于水樹枝形成機理，業界一般認為，XLPE電力電纜運行時，水存在于絕緣層中，當此處場強超過一定值時，導電物質就會沿著電場慢慢進入電纜絕緣層的深處形成類似樹枝或樹葉的泄痕，即水樹枝［ 3，4 ］。但關于水樹枝的具體形成原因仍未產生定論。針對XLPE電力電纜運行中水樹枝問題，需要進行監測，以盡早發現問題，減少事故的發生。我國對電力系統中運行設備一直堅持定期進行絕緣預防性試驗的制度，這對保證設備安全可靠運行、防止事故的發生起到了很好的作用［ 5，6 ］。但是，傳統的常規試驗間隔時間長，不易及時發現設備絕緣缺陷。試驗時必需設置臨時試驗線路，費工費時，且停電試驗還要造成一定的經濟損失。因此，對電力電纜絕緣進行在線監測勢在必行。在線監測可以有效掌握電力設備的絕緣變化情況，主動改善電力設備絕緣水平，對電力系統安全、經濟、高效運行非常重要。

針對電力電纜水樹枝的在線監測，直流分量法是一種應用較為廣泛的方法［ 7 ］。該方法根據水樹枝在交流正、負半周會表現出不同的電荷注入和中和特性，導致長時間交流工作電壓下，水樹枝的前端積聚了大量的負電荷，并逐漸向對方漂移，這種現象稱為“整流效應”。相應的，電纜接地電流便含有微弱的直流成分，檢測出這種直流成分即可進行劣化診斷［ 8 ］。

隨著我國電力電纜進程的不斷推進，越來越多長度超過1 km的電纜線路得到了投運。為了解決屏蔽層中感應電壓過高的問題，需要對中間接頭采用交叉互聯的方式接地。但因其各段流經主絕緣的電流值的特征量難以測量，給絕緣在線監測增大了難度［ 9，10 ］。以中間接頭為代表的電纜附件往往是電纜運行時的薄弱環節，產生水樹枝的可能性更大［ 11 ］。文中通過對交叉互聯箱進行等值電路分析，根據基爾霍夫定律進行電壓方程推導，得出在兩端對應接地線路中采樣電阻阻值相同時，直流分量大小相同的結論。并通過選擇合適的濾波及采樣裝置，設計出針對交叉互聯裝置接地電路中微弱直流電流的在線監測系統。

1　交叉互聯XLPE電力電纜接地電流直流分量的模型與分析

圖1為交叉互聯的接地方式的一個標準單元。圖中A、B、C 為系統相序，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分別為各相電纜所對應的中間接頭交叉互聯段，1-12為交叉互聯的金屬屏蔽層連接線之間以及接地線上裝設的電流傳感器編號。其中，將采樣裝置接于接地線中，并用阻容并聯裝置等效。

圖1　交叉互聯XLPE電纜的一個標準單元的接線

對該電路a1，b2，c3段進行戴維寧等效，得出等效電路如圖2所示。

根據圖2所示等值電路， 分析I1，I2，I3，I4與絕緣阻抗及采樣電阻的關系。其中，交叉互聯電阻箱與電纜外護套阻值遠遠小于接地采樣電阻及電纜本體絕緣電阻阻值，可忽略。近似處理后得出回路電壓方程：

圖2　交叉互聯電纜標準單元接線中a1、b2、c3等值電路

可以看出，若a1與c3兩端接地采樣電阻阻值R相同時，有：

這樣，可以通過在兩端同時設置參數相同的接地采樣電路，并計算采樣電流算數平均值，以減少試驗誤差。同時，I1及I4同a1、b2、c3的阻抗均存在耦合關系，即a1、b2、c3中任意一處存在水樹枝時，均可通過在線監測系統發現。

2　XLPE電纜交叉互聯在線監測系統方案設計

文中設計的監測系統包含電流采樣、低通濾波以及監測裝置3個部分。考慮到水樹枝產生的直流電流非常微弱，基本上都是納安級別，微小的干擾即會引起測量結果較大的誤差［ 12 ］。首先需要通過電流采樣裝置采集接地電流信號，并將信號放大。現場發現，對在線監測的主要干擾不僅有高達幾十伏的工頻電壓噪聲，還有電纜的屏蔽層和大地之間的雜散電流，此外監測系統本身也可能引入大量的干擾信號。所以將信號采樣后需要通過設計合理的低通濾波模塊將噪聲和干擾信號等濾掉，保留水樹枝產生的直流電流分量。最后，通過監測裝置模塊對濾波后的電流信號進行采集并分析處理。整體流程如圖3所示。

圖3　在線監測系統整體流程

2.1電流采樣模塊設計

由于水樹枝產生的直流分量很小，需要將微弱的小信號通過采樣電路放大，文中采用精密電阻采樣法。該方法通過在接地回路中串入精密電阻，將直流電流轉化為電壓信號，再對電壓信號濾波后進行采集。該方法采樣結果穩定，且不會產生其他干擾源。考慮到電纜和大地之間雜散電流及真實的由水樹枝引起的電流混雜在一起，會對檢測結果造成很大誤差，因此需要與精密電阻并聯電容，將高頻交流分量通過電容器進行分流，以減少對采樣直流電流分量的干擾。

對比常見的阻容并聯采樣模塊后發現，在電阻的選擇上，一般采樣電阻不能太小，否則不能很好放大微弱的直流電流分量，但同時需小于鎧裝和地之間的外護層電阻，這樣對真實的測量結果影響較小［ 13 ］。在現場進行外護層絕緣搖表試驗時發現，一般外護層絕緣電阻值在正常運行時均保持在1 GΩ以上，因此文中考慮采用500 kΩ的精密電阻，這樣可以實現微弱直流電流的有效放大，同時小于外護套阻值，造成的誤差較小。在電容的選擇上，目前電容種類眾多，如電解電容、云母電容、聚丙烯電容、瓷片電容以及安規電容等。考慮水樹枝產生的電流很微弱，應該選取耐壓高、漏電流小的電容，而聚丙烯電容和安規電容這方面參數良好。綜合考慮后，文中在采樣模塊中采用500 kΩ精密電阻與一個無極性的安規電容并聯，實現對微弱的直流電流采樣。

2.2低通濾波模塊設計

經過采樣模塊后，已經將水樹枝引起的直流電流信號轉變為毫伏級的直流電壓信號，此時仍存在由工頻信號和熱噪聲高斯白噪聲等頻率為兆赫茲級高頻噪聲組成的干擾信號。尤其是工頻干擾信號，經過采樣電阻后電壓高達幾十伏。因此必須設計低通濾波系統，濾掉直流信號外的交流干擾信號。

常見的低通濾波器為阻容無源濾波器，以及巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和貝塞爾濾波器等為代表的有源濾波器。為了簡化濾波器模塊設計，提高裝置可靠性與實用性，文中利用已經成熟的低通開關電容濾波器MAX293電路，該電路是由美國的MAXIM（美信）公司開發生產的8階低通開關電容濾波器。MAX293濾波器使用方便，同無源濾波器和有源濾波器相比，它具有參數匹配簡單、外接元件少以及靈活簡便的設計等優點。當現場信號不同時，可以根據實際需要對濾波電路設計和調整。

封裝上，MAX293采用了8引腳雙列插式的封裝形式。內部電路設計上，該芯片屬于切比雪夫型濾波器，衰減值所需過渡帶小。時鐘信號選擇上也非常靈活方便，既可以使用片內的振蕩器來產生時鐘，也可以選接外部的時鐘信號。其中通過使用片內的振蕩器，只需外接一個漏電小、無極性的高質量電容就可以產生時鐘信號。振蕩頻率由該電容的容值決定，計算公式為：

式中：fosc為振蕩頻率，kHz；Cosc為外接電容，pF。轉角頻率與時鐘頻率也有一定的關系，兩者的比率公式為：

其中，f0為轉角頻率。設計MAX293濾波器，首先要計算出時鐘頻率以及外接電容，之后便可以利用時鐘頻率調節轉角頻率。具體濾波電路接線如圖4所示。

圖4　MAX293濾波電路設計

在文中設計的在線監測系統中，需要得到直流電壓，所以理論上可以將0 Hz以上的信號都過濾掉。首先選取4 Hz作為MAX293電路的截止頻率。經過計算可知時鐘頻率大約為400 Hz，此時外接電容C約為0.083 μF，在實際中相應適當取0.1 μF電容。

將電流采樣模塊、低通濾波模塊以及監測裝置相組合，形成完整的在線監測系統。原理如圖5所示。

圖5　基于直流分量法的在線監測系統

3　現場試驗分析

試驗開始前，將交叉互聯箱中保護器拆除，以減小保護器中泄漏電流對試驗的干擾。將2個電流采樣模塊組裝好，并分別串接進入交叉互聯系統中的a1、c3段兩側接地線。與濾波模塊接入后，將濾波模塊輸出接入監測裝置。試驗采用的監測裝置為北京興迪儀器有限公司開發的CMDP-200分布式電纜局部放電監測裝置。該裝置數據采樣及分析處理能力強，相應的局放分析軟件經過大量試驗測試，可靠性高，是目前世界上最強大的局放分析軟件之一，完全可滿足在線監測需求。對某兩處投運時間分別為1 a的電纜線路一與11 a的電纜線路二交叉互聯系統使用直流分量法進行3次接地電流在線監測，結果如表1所示。

表1　XLPE電力電纜在線監測接地電流數據 nA

結果表明，兩段線路交叉互聯箱兩端的接地電流數值相差較大，說明隨著電纜投運時間變長，電纜水樹枝的發展也越來越嚴重，需充分重視。同時，每條線路兩端的接地電流直流分量數值基本相同，說明了文中推導理論的合理性。

根據日本住友公司等統計數據，直流分量為10 nA以下的電纜線路一健康狀況良好，可繼續使用［ 14 ］。而直流分量超過10 nA的電纜線路二需要密切注意監測，并在條件允許情況下應及早更換。

4　結束語

通過現場實際監測，證明了文中對交叉互聯系統接地電流直流分量的分析是合理的，同時設計的接地電流直流分量在線監測系統可行、便捷、實時、穩定、可靠，為與XLPE電力電纜交叉互聯裝置相配合的水樹枝監測技術提供了新的可參考方法。

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葉冠豪（1990），男，安徽巢湖人，助理工程師，從事電力電纜運維及在線監測工作；

郭湘奇（1973），男，河北秦皇島人，工程師，從事電力電纜檢修管理工作；

王一磊（1983），男，江蘇南京人，工程師，從事電力電纜檢修工作；

鄧鵬（1985），男，山西永濟人，工程師，從事電力電纜試驗及電力電纜施工與運維管理工作。

On-line Monitoring of Ground DC Current for Cross-linking XLPE Cable System

YE Guanhao， GUO Xiangqi， WANG Yilei， DENG Peng
（Nanjing Electric Power Supply Company， Nanjing 210019， China）

Abstract：This paper studies the on-line monitoring issues for water treeing of electric cable cross linking system by using DC component method. The standard cross-linking system is analyzed and its equivalent circuit is established. The factors causing faint DC current component are studied quantificationally. Current sampling and low pass filter modules are designed and the weak DC current component can be sampled and filtered. Field testing results show that the current sampling and low pass filter modules are correct.

Key words：on-line monitoring； DC current component method； water treeing； cross-linking system

中圖分類號：TM247；TM401.1

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）03-0039-03

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-16；修回日期：2016-02-05