XLPE電力電纜接地環流監測方案

葛少偉，侯建峰，蘇菲，牟澤剛，李德泉

（濟南供電公司山東濟南250000）

交聯聚乙烯XLPE是國內主流的電力電纜，內部結構包含：主電纜芯線、絕緣層和保護層。其中，保護層的材質又分為：金屬型、塑膠型以及混合型[1-3]。護層能有效防止大部分的電纜侵蝕，但常規電纜監測主要集中在絕緣層。卻忽略了護層的監測，這在護層感應環流故障中暴露出了極大的弊端。由于主絕緣層的品質變化會造成護層狀態的改變，故對護層的監測可一次識別絕緣層和金屬護層的故障異常，技術意義重大。

對于電力電纜的金屬護層缺陷、故障和異常監測，工程上通常采用電橋法進行故障源定位。然后根據不同環境狀態與需求，適配選擇音頻法、跨步電壓法、直流沖擊法中的一種進行二次精確定位[4-6]。此外，故障統計是維持電力電纜長久正常運行的管理基礎，也是在線監測的重點工作。通過故障統計可分析出故障原因，為方案決策提供數據支持。本文在現有監測研究成果上，提出了一種基于接地環流的XLPE監測方案，建模實現電力電纜絕緣狀態評價體系和故障評價指標，來構建接地感應環流的在線監測系統。

1 XLPE接地系統

在高壓交流電纜上，隨著磁場增強金屬類護層將會產生感應電壓，電壓達到一定閾值將會擊穿絕緣層造成短路故障[7-10]。因此，通常需要對線路進行保護接地。此時，地回路接地電阻設計成為重要影響指標。指標不達標將會造成多點接地、地電壓反擊等故障，常用的接地法有一端接地、交叉互聯、多點接地等。具體施工時會根據線路長度劃定分段接地，以維持護層環流在一定的安全閾值內。但交叉互聯過程中，較易出現隱性失誤，導致不完全換位，從而使護層環流激增。

在三芯電纜線中，金屬護層相當于和三相芯平行的一導體P。中心距離表示，如圖1所示[11-13]。

圖1 電纜芯線與金屬護層中心距示意圖

導體P與A、B、C三芯線的磁通分別為：

高壓電纜芯線主要排列采用等邊三角形，因此護層感應電壓可近似參考圖2計算。

圖2 三相回路金屬護層感應電勢

電感計算有：

各電纜金屬護層單位長度感應電勢為：

而對于諸如平行回路等多回路電纜，感應電流排列遵循圖3模式[5]。

圖3 雙回路任意排列電纜中心距表示

總回路C相護層感應電壓為：

其中，GMRS為金屬護層幾何平均距離。通過公式（12），相應改變p、q、r值，調整相位角即可獲得A、B的護層感應電壓。而在實際輸電工作環境中，電纜各參數為：平均護層直徑DS=77.8 mm，電纜中心軸距離S=250 mm，電纜每相負載電流為I=500 A。在等邊三角敷設下，金屬護層感應電壓分別為[6]：

因此，在單芯電纜設計搭建過程，需充分考慮金屬護層的感應電壓影響，動態監測避免環流故障，才能實現經濟、穩定的電纜運行系統。

2 XLPE接地環流分析與監測方案

2.1 金屬護層環流建模

基于金屬護層感應電勢，在接地回路中將會產生不平衡波動或接地故障時均會導致感應環流。此外，由于長期的電纜敷設環境損傷、破壞也會致使金屬護層多點接地，熱損耗增加，環流消耗嚴重[7]。

環流的大小取決于電纜感應電勢、回路阻抗，還會受到排列方式和線路長度及地理環境的影響。為此，文中定義E1、E2、E3分別為三相電纜A、B、C感應電勢；R0、R2為接地阻抗；R3為大地阻抗；R為屏蔽層阻抗；X為電纜金屬屏蔽層自感抗；X1為單位長度中、邊相屏蔽層互感抗；X2為單位長度邊相互感抗，電纜長度為n。回路電壓方程組模型，如公式（14）。

在實際工作環境中，敷設深度常為1000 mm，電纜長度＞1000 m，接地電阻約為 0.6 Ω，S=220 mm，RS=0.274×10-3Ω/m，DC=510370 mm，環境溫度約為25℃。代入式（14）中，可得接地環流公式（15）：

得到IS=0.017 mA，若回路接地電阻R1+R2=1 MΩ（即沒有接地電阻）情況下，護層環流IS1=0.017 mA。由此也可得出，金屬護層環流受接地電阻影響，且在多點接地時波動顯著。

2.2 XLPE環流監測方案設計

總結電纜護層常規缺陷或故障大致有：外力護層損壞、電纜附件質量缺陷、輻射質量缺陷等。故障外在表征有：感應接地環流、局部放電，且以環流為主要表現，異常狀態下接地電流將瞬間增大一個量級[8]。

基于以上故障特征，文中將感應環流作為XLPE護層接地異常的判斷依據。監測系統構架示意，如圖4所示。

圖4 金屬護層環流監測系統結構

2.2.1 內部傳感器設計

傳感器基于電流互感，取正常環流值的10～12倍為有效范圍進行信號出發，可保證較好的線性關系和飽和性能。傳感器特性測試，見表1和圖5所示。在22 A以下，U/I呈線性關系；22 A以上時電流趨于飽和，電壓緩增至7 V，滿足基礎設計需求[9]。

2.2.2 外部系統及接口電路

金屬護層外部系統設計需要加入一個信號調制器，對激增電流、電壓進行限制并提升電纜抗干擾能力，設定UR=±9 V，結構如圖6所示。此外，為了保障A/D轉換電路的安全性，采用逐次逼近式原理工作，單通道輸入。芯片核使用ADS7805，工作溫度-25℃～85℃[10，11-16]。A/D轉換及DSP接口電路，如圖7所示。

表1 一次電流與二次電壓關系

圖5 一次電流與二次電壓關系曲線圖

圖6 信號調制器基本電路

圖7 ADS7805與DSP接口電路

系統采用DSP最小模塊設計思想，通過外圍控制板實現基于DSP的監控系統，以RS-232串口RXD、CTS、TXD、RTS作為IO引腳串行通信的“sign”信號，通過“握手”實現數據接收、清除、存儲與請求信號的發送。其系統相關電路，分別如圖8～10所示。

圖8 電源接口原理圖

圖9 控制時鐘芯片接口原理

2.2.3 護層環流實驗

隨后，為檢驗系統對環流監測的效果，本文對單芯電纜進行了護層接地環流測試，實驗電路如圖11所示。實驗條件為：長度l=269 m，總電容C=456 μF，總電感L=22.57 mH，護層電阻R=0.56 Ω，纜芯直徑D1=0.55 cm，護層直徑D1=2.34 cm，電阻率ρ=100 Ω·m。測試數據統計：纜芯電壓峰值Up-pA、纜芯電流峰值Ip-pA、護層電壓峰值Up-pB、護層電流峰值IppB等，繪制成表2。

圖10 TMS320F206與數據存儲器的接口連接

圖11 電壓、電流實驗電路

實驗結果表明：金屬護層環流為主要電纜故障原因，各類因素導致的多點接地會使環流激增。再將實驗數據帶入環流模型計算公式，得到環流I=687.5A，與實驗數據基本符合。

表2 單芯電纜實驗參數統計表

3 結束語

文中在XLPE電力電纜在線監測研究基礎上，提出了接地環流進行故障判定法，建立數學模型來監測電纜異常。并從金屬護層狀態分析出發，推導感應電勢和接地環流公式，通過ADS7805和PSD接口電路通信反饋金屬護層參數狀態。從而實現實時監測異常狀態，及時的進行電力檢修，降低引起短路故障等電力事故的發生概率。該方法具備極高的技術研究價值和深度開發前景。