基于柔性電流鉗開發(fā)電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測的裝置設(shè)計(jì)

牛小東 謝曉玲 謝曉斌 宋勝鵬

（甘肅電器科學(xué)研究院甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

技術(shù)交流

基于柔性電流鉗開發(fā)電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測的裝置設(shè)計(jì)

牛小東 謝曉玲 謝曉斌 宋勝鵬

（甘肅電器科學(xué)研究院甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

護(hù)層循環(huán)電流和絕緣電阻作為高壓電纜安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，其測量方式尤為重要。本文研究分析了國內(nèi)外絕緣外護(hù)套監(jiān)測方法及其存在的問題，設(shè)計(jì)了利用柔性電流鉗采樣，接地環(huán)流法測量的監(jiān)測裝置。闡述了采用柔性電流鉗開發(fā)電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測測量裝置的構(gòu)造和功能，搭建了高壓電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測的模型，并驗(yàn)證了測量結(jié)果與理論計(jì)算的一致性。

高壓電纜；絕緣外護(hù)套；柔性電流鉗；絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測

0 引言

近年來電纜輸電線路逐年增多，而電纜敷設(shè)現(xiàn)場由于施工環(huán)境惡劣，加之大規(guī)模基建開挖地面，造成電纜絕緣外護(hù)套破損情況非常普遍。電纜護(hù)套外絕緣若損壞，則金屬護(hù)套環(huán)流增大，不僅影響電纜載流量，而且使金屬護(hù)套發(fā)熱，以致?lián)p害電纜主絕緣，加速電纜絕緣老化，甚至發(fā)生電纜爆炸事故[1]。因此，要提高運(yùn)行電纜維護(hù)水平，保障運(yùn)行電纜安全指標(biāo)，降低電纜線路事故率，需要對電纜金屬護(hù)套的絕緣狀況進(jìn)行必要的在線監(jiān)測。

本文研究設(shè)計(jì)了一種采用柔性電流鉗開發(fā)電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測的測量裝置的新技術(shù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模型創(chuàng)建。

1 國內(nèi)外絕緣外護(hù)套監(jiān)測方法分析

目前國內(nèi)外高壓電力電纜監(jiān)測方法主要有直流分量法、直流疊加法、交流疊加法、局部放電法、接地電流法等。其中，直流分量法是依據(jù)直流分量與水樹枝的發(fā)展成正比原理實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)為當(dāng)電纜屏蔽接地化學(xué)電動(dòng)勢較大而護(hù)套絕緣電阻較小時(shí)會在檢測回路形成較大干擾電流，使得被檢測電流信號被干擾電流淹沒；直流疊加法是在接地電壓互感器中性點(diǎn)處施加低壓直流電流（通常為50V），其測量結(jié)果與停電后再加直流分量檢測結(jié)果很相近，但絕緣電阻與電纜絕緣剩余壽命的相關(guān)性不好；交流疊加法根據(jù)新電纜不產(chǎn)生特征電流，老化電纜產(chǎn)生特征電流且在電壓頻率為101.4Hz時(shí)特征電流達(dá)到最大值來監(jiān)測電纜絕緣狀態(tài)；局部放電法利用電纜中間絕緣連接盒的差分法和預(yù)制中間連接頭電磁耦合進(jìn)行現(xiàn)場局部放電信號的在線監(jiān)測[2]；接地電流法通過電流傳感器監(jiān)測電纜絕緣外護(hù)套及其屏蔽層電流變化實(shí)現(xiàn)絕緣診斷[3]。

本設(shè)計(jì)利用接地電流法，采用柔性電流鉗開發(fā)電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測的測量裝置。

2 電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測測量裝置原理

針對目前電纜在線檢測僅對絕緣外護(hù)套電流測量的現(xiàn)狀以及當(dāng)前電流互感器精度和量程測量限制，本設(shè)計(jì)依據(jù)國網(wǎng)帶電檢測技術(shù)規(guī)范采用柔性電流鉗對電纜的主芯線與外護(hù)套同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)更具有參考性和說服力[4]。

2.1 檢測技術(shù)規(guī)范

最新國家電網(wǎng)公司帶電檢測技術(shù)規(guī)范如表1所述，分為正常、缺陷、異常三種狀態(tài)，滿足正常的所有條件時(shí)才為正常，任意一項(xiàng)條件滿足異常或者缺陷均視為異常或缺陷。

表1 電纜運(yùn)行狀態(tài)評估表

2.2 柔性電流鉗采樣原理

如圖1所示為柔性電流鉗用于交流電流的測試裝置線圈采樣原理圖，R0為空心線圈等效內(nèi)阻，L0為空心線圈等效自感，C0為線圈雜散電容，Rf為外接采樣電阻。線圈的感應(yīng)電勢e(t)與被測電流i1(t)成微分關(guān)系，因此感應(yīng)電勢e(t) 的波形不能代表被測電流i1(t)的波形，需要通過積分環(huán)節(jié)以將輸出電壓轉(zhuǎn)換成與被測電流i1(t)呈同相關(guān)系[5]。忽略線圈的雜散電容C0，i(t)在L0和R0上的壓降，且若R取值足夠大，使，則則：

圖1 柔性電流鉗原理圖

2.3 電纜外護(hù)套檢測原理

電纜外護(hù)套采用一端接地時(shí)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元及護(hù)套絕緣監(jiān)測接線圖如圖2所示，A-1、B-1、C-1分別為三相電纜主芯線，A-2、B-2、C-2分別為三相電纜外護(hù)套或其屏蔽層，A-11、B-11、C-11為放置于三相電纜主芯線的柔性電流鉗，A-21、B-21、C-21為放置于三相電纜外護(hù)套或其屏蔽層的柔性電流鉗[6]。

圖2 護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測裝置接線圖

圖2中的三相電纜可以看做是三條獨(dú)立的單相電路，以A相為例，A-1電纜主芯線與A-2電纜外護(hù)套及其屏蔽層之間存在很高的電勢差，主芯線的負(fù)荷電流會產(chǎn)生感應(yīng)電流，高壓施加絕緣外護(hù)套也會產(chǎn)生容性電流，也就是電纜主芯線與外護(hù)套之間存在容抗[7]。絕緣狀態(tài)良好的情況下，容性電流較小且相對穩(wěn)定，絕緣狀態(tài)異常時(shí)，主芯線與外護(hù)套及其屏蔽層的容抗值和阻抗值會發(fā)生變化，導(dǎo)致容性電流變大，本設(shè)計(jì)采用柔性電流鉗開發(fā)電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測的測量裝置，就是利用容性電流值的變化和其與負(fù)荷電流比值判定電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)的[8]。

本裝置中6路獨(dú)立量程的電流測量電路采用隔離方式，其結(jié)果互不干擾。

3 監(jiān)測裝置的構(gòu)造及系統(tǒng)功能

采用柔性電流鉗開發(fā)電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測的測量裝置由柔性鉗采樣線圈、信號調(diào)理電路、微處理器、供電模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送終端及Windows數(shù)據(jù)管理后臺組成。

3.1 柔性鉗采樣線圈裝配保障小電流測試精度

本裝置研制了柔性電流鉗測量電纜主芯線及外護(hù)套電流抗干擾及電場屏蔽措施，可以實(shí)現(xiàn)大、小電流信號的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測量，并保證柔性電流鉗滿足不同現(xiàn)場條件下使用要求[9]。

線圈裝配保障小電流測試精度的關(guān)鍵點(diǎn)如圖3所示，圖中，1為線圈外層的良好屏蔽，有效地減小測量時(shí)的噪聲信號干擾；2為自由端完全裝入到自由端殼體底部，幾乎接近無縫對接，有效減少氣隙對電磁信號強(qiáng)度的干擾[10]；3為線圈固定外殼結(jié)構(gòu)采用曲面流線型，用于補(bǔ)償因線圈位置放置導(dǎo)致的偏差；4為引出線的屏蔽層應(yīng)良好，確保接入積分電路前的微分信號不受使用環(huán)境周圍干擾源的影響，分別是回流線、漆包線、屏蔽線漆包線線與屏蔽線連接至電路部分Vin-回流線連接至電路部分Vin+。

圖3 線圈裝配保障小電流測試精度的關(guān)鍵點(diǎn)

3.2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，放大電路對小信號做初級放大，便于數(shù)據(jù)的濾波和采樣；無源濾波電路可以濾除信號中的高頻成分；差動(dòng)放大電路對信號放大同時(shí)具有消除零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾的作用；信號中的低頻雜波很難通過無源濾波實(shí)現(xiàn)，而二階有源濾波很容易做到；積分電路調(diào)整信號相位偏移；可變增益放大電路由微處理器控制，根據(jù)電流信號的大小調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同等級電流信號的測量；AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為微處理器可以處理的數(shù)字信號。

圖4 信號調(diào)理電路

3.3 高壓自取電電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)涉及高壓取電為CT取電法。CT取電技術(shù)就是利用互感器原理把部分高壓導(dǎo)線上的能量轉(zhuǎn)換成電能輸出。本裝置可實(shí)現(xiàn)取電電源在30～1000A電流范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出近1W功率。其取電線圈副邊輸出電壓在磁心未飽和狀態(tài)表達(dá)式為：

式中，E2為取電線圈副邊輸出電壓；f為輸電線路電流頻率，N2為副邊線圈匝數(shù)，Φm為取電線圈磁心內(nèi)通過的磁通有效值。

本設(shè)計(jì)中取電電源設(shè)計(jì)包括取電線圈設(shè)計(jì)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)，如圖5所示。取電線圈通過理論計(jì)算得到磁心的尺寸和副邊線圈的匝數(shù)；保護(hù)電路包括過壓保護(hù)和電壓濾波。

圖5 CT取電電源設(shè)計(jì)

3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送及Windows數(shù)據(jù)管理后臺

護(hù)套監(jiān)測系統(tǒng)為實(shí)時(shí)連續(xù)在線監(jiān)測，每間隔10s采樣處理一次數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流絕對值和比值設(shè)定監(jiān)測電纜線路的絕緣狀態(tài)告警值，并將采集的數(shù)據(jù)以GPRS方式上報(bào)至數(shù)據(jù)管理后臺。

Windows數(shù)據(jù)管理后臺包括數(shù)據(jù)的判斷與報(bào)警、數(shù)據(jù)及其波形的查詢與顯示、電流的變化趨勢及數(shù)據(jù)的打印。

圖6 高壓電纜外胡桃絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測等效電路模型

4 在線監(jiān)測模型搭建

采用柔性電流鉗開發(fā)電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測測量裝置應(yīng)用于現(xiàn)場之前，需要大量的模擬實(shí)驗(yàn)，以便完成系統(tǒng)的調(diào)試和校對。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示，高壓電纜的輸入端采用三相電源和隔離變壓器提供，隔離變輸出為220V交流電壓，電纜主芯線與接地外護(hù)套之間的絕緣可以用電容模擬，電力系統(tǒng)感性負(fù)荷通過電容和電阻共同調(diào)整，絕緣外護(hù)套故障采用虛線標(biāo)注的電阻或者電容表示，電纜外護(hù)套正常情況下R1、R2、C7。

模擬裝置中，電容C1、C2、C3值均為1000μf/600V，電容C4、C5、C6值均為100μf/400V，隔離變壓器輸出電壓值UA、UB、UC為AC220V。現(xiàn)場條件下三相系統(tǒng)電壓UA、UB、UC與三相負(fù)荷電流之間有一個(gè)相位差值α，這是由電力系統(tǒng)負(fù)載呈現(xiàn)感性引起的，所以電壓值超前電流α角度。假設(shè)系統(tǒng)功率因數(shù)為cosα=0.8，得到tanα=0.75。A相為例，相位差值依靠電阻R3、電容C1和電容C4調(diào)節(jié)（電力電纜真實(shí)環(huán)境下C4相對于C1很小，可以忽略）。根據(jù)公式

根據(jù)功率因數(shù)tanα=0.75，得到與比值為3:4；根據(jù)交流電壓頻率50Hz，計(jì)算得到R3值為2.17Ω。

電纜接地外護(hù)套正常情況下流過電纜主芯線總電流I=36.493A，絕緣外護(hù)套接地電流IA=3.317A；模擬電纜故障情況下，電纜主芯線與外護(hù)套之間存在阻抗的變化，假設(shè)電纜主芯線與外護(hù)套存在R1=10kΩ電阻，總電流I=36.493A，絕緣外護(hù)套接地電流IA=5.561A。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符，驗(yàn)證了裝置的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

本研究依據(jù)國家電網(wǎng)公司帶電檢測運(yùn)行規(guī)定，設(shè)計(jì)了一種通過監(jiān)測電纜主芯線負(fù)荷電流與外護(hù)套接地電流來診斷電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)的裝置，該裝置采用柔性電流鉗作為電流互感器取樣，高壓感應(yīng)方式取電，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理終端，實(shí)時(shí)監(jiān)控并發(fā)出異常報(bào)警，解決了人工現(xiàn)場采樣工作效率低和需要斷電監(jiān)測的問題。

為了驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的正確性，自行搭建了電纜外護(hù)套絕緣狀態(tài)監(jiān)測電路的等效模型。對正常情況下和異常情況的理論數(shù)據(jù)做了計(jì)算和分析，其結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果一致。

該裝置依據(jù)國家電網(wǎng)公司電纜發(fā)展要求，可以對110kV以上的單芯電力電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

[1] 劉平原,賀景亮,王洪新．交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜在線監(jiān)測方法的探討[J]． 高電壓技術(shù),2001,27(4):26-28．

[2] 王立,杜伯學(xué),任志剛．高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣劣化試驗(yàn)分析[J]．高電壓技術(shù)，2014(1)：111-116．

[3] 李在友,電力電纜的在線檢測技術(shù)綜述[J]．神華北電勝利能源,2011(3)．

[4] 卞佳音．高壓電力電纜故障監(jiān)測技術(shù)的研究[D]． 廣州：華南理工大學(xué)，2012．

[5] 羅晨．城網(wǎng)電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D]．重慶:重慶大學(xué),2016．

[6] 劉蓉．基于超聲法的XLPE電力電纜絕緣缺陷檢測診斷技術(shù)研究[D]．西安:西北工業(yè)大學(xué),2015．

[7] 鞏彥江．基于金屬護(hù)套接地電流高壓電纜故障診斷[D]．哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2016．

[8] 董環(huán)宇．高壓電纜接地環(huán)流在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]．沈陽:沈陽工程學(xué)院,2017 ．

[9] 周志成．電氣設(shè)備的故障檢測研究-電纜金屬護(hù)套多點(diǎn)接地在線監(jiān)測-變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障定位檢測[D]．武漢:華中科技大學(xué),2003 ．

[10] 朱博．長距離電力電纜絕緣在線監(jiān)測及故障定位技術(shù)研究[D]．哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2015．