嚴(yán)有祥
高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的研制與應(yīng)用
嚴(yán)有祥
福建省廈門電業(yè)局
分析了高壓電纜線路護(hù)層絕緣狀況與護(hù)層循環(huán)電流之間的關(guān)系,提出了監(jiān)測護(hù)層循環(huán)電流變化情況可以有效監(jiān)測高壓電纜線路絕緣變化情況的論點。在理論分析和實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了判斷護(hù)層絕緣狀況的判據(jù)。以上述理論為基礎(chǔ),研制了一套護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng),安裝在220KV電纜線路上,實現(xiàn)對電纜護(hù)層絕緣、電纜金屬護(hù)層接地箱和接地電纜的在線監(jiān)測。
高壓電纜 護(hù)層絕緣 監(jiān)測系統(tǒng)
110kV及以上電纜主要是單芯電纜。因單芯電纜金屬護(hù)層與芯線中交流電流產(chǎn)生的磁力線相鉸鏈,使其兩端出現(xiàn)較高的感應(yīng)電壓,故需采取合適的接地措施,使感應(yīng)電壓處在安全電壓范圍內(nèi)(通常不超過50V,有安全措施時不超過100V)。
通常短線路單芯電纜的金屬護(hù)層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護(hù)電阻接地的方式;長線路單芯電纜金屬護(hù)層則采用三相分段交叉互聯(lián)兩端接地的方式。不論采用哪種接地方式,良好的護(hù)層絕緣都是必要的,護(hù)層絕緣的損傷將使金屬護(hù)套多點接地,從而產(chǎn)生護(hù)層循環(huán)電流,增加護(hù)套損耗,影響電纜載流能力,嚴(yán)重時甚至?xí)闺娎|嚴(yán)重發(fā)熱而燒毀。此外,保證高壓電纜線路每金屬護(hù)套至少有一處良好的接地點也十分重要。若直接接地點由于各種原因未能有效接地,那么電纜金屬護(hù)套的電位就會急劇升高到幾千伏甚至一萬伏,很容易把電纜外護(hù)套擊穿并在擊穿點持續(xù)放電,造成電纜外護(hù)套溫度升高甚至著火燃燒,國內(nèi)外這樣的事故案例已有很多。
傳統(tǒng)的監(jiān)測手段主要是通過停電測量護(hù)層絕緣電阻或帶電用鉗型電流表測量護(hù)層循環(huán)電流。近年來,為了提高輸電線路的可靠性指標(biāo),高壓電纜停電檢修的機會越來越少。由于地下電纜所處的環(huán)境復(fù)雜,采用傳統(tǒng)的手工測量護(hù)層循環(huán)電流越來越困難。以廈門電業(yè)局為例,目前共有70回路電纜,其中直接接地箱120個,交叉互聯(lián)接地箱80個,這些箱子要么在桿塔上,要么在接頭工井內(nèi),要去測量他們的護(hù)層循環(huán)電流、測量電纜接頭及附屬設(shè)施的溫度需要花費大量的人力物力。所以,有必要研制出一套智能化的高壓電纜護(hù)層絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng),以提高工作效率和防止電力事故發(fā)生。
通常短線路單芯電纜的金屬護(hù)層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護(hù)電阻接地的方式(如圖1示);長線路單芯電纜金屬護(hù)層則采用三相分段交叉互聯(lián)兩端接地的方式(如圖2示)。但當(dāng)線路單芯電纜的金屬護(hù)層出現(xiàn)兩點或多點接地時就會在金屬護(hù)層中形成環(huán)流,環(huán)流的大小與電纜相應(yīng)的長度,導(dǎo)體中電流大小有關(guān)。當(dāng)金屬護(hù)層中環(huán)流較大時(嚴(yán)重時可能會達(dá)到主電流的50%以上),環(huán)流損耗會使金屬護(hù)層發(fā)熱,破壞電纜的主絕緣,威脅電纜運行安全。
所以,在高壓電纜的實際運行中,電纜芯線運行電流是否超負(fù)荷、主絕緣及護(hù)層絕緣是否存在缺陷,都可以從電纜金屬護(hù)層循環(huán)電流的變化反映出來。若能實時監(jiān)測運行電纜金屬護(hù)層的循環(huán)電流指標(biāo),對于避免電纜長期過載運行,負(fù)荷調(diào)節(jié),安全運行維護(hù)等方面都具有重要意義。
如前所述高壓電纜金屬護(hù)層接地方式主要有單端接地和交叉互聯(lián)接地。對于長電纜線路,有時也采用這兩種接地方式的組合,如圖1及圖2所示,他們的等值電路如圖3所示。
圖1 金屬護(hù)層單端接地系統(tǒng)
圖2 金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)
圖3 電纜護(hù)層環(huán)流等值電路
圖3中E1、E2、E3分別為三相電纜芯線電流在A、B、C三相金屬護(hù)套上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢,E1/、E2/、E3/ 分別為三相電纜護(hù)層上的環(huán)流Ⅰs1、Ⅰs2、ⅠS3在A、B、C三相金屬護(hù)層上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢,R1、R2為電纜護(hù)層兩端接地電阻,Re為大地的漏電阻,R為金屬護(hù)層的電阻,X為金屬護(hù)層的自感抗。
對于圖3,假設(shè)電纜線路長度為L,其電壓方程為:
其中R=Rsn,Rs為單位長度電纜金屬護(hù)層的電阻;Rc=Rgn,Rg為單位長度的大地的漏電阻;X=2ω㏑(2Dc/Ds),Dc為金屬護(hù)層以大地為回路時回路等值深度;Ds為金屬護(hù)層的直徑;X1=2ωln(Dc/S)為單位長度中相和邊相金屬護(hù)層的互感抗;X2=2ωln(Dc/2S)為單位長度邊相與邊相金屬護(hù)層的互感抗;Es1、Es2、Es3分別為三相金屬護(hù)層上單位長度的感應(yīng)電勢。因電纜是平行敷設(shè)且金屬護(hù)層是不交叉兩端接地,故有如下感應(yīng)電勢計算公式:
2.2.1若電纜平行敷設(shè),電纜單端接地,另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地,則相當(dāng)于R1無窮大,另一端流入大地的只有電容電流,則經(jīng)直接接地端流入大地的電容電流:
式中C是電纜線路對地電容,U是相電壓,對于400mm2,110kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,C≈0.17μF/km,如果電纜長度為1000m,則電容電流
Ⅰ=314×0.17×10-6×1.0×110×103=5.8(A)
此時,流經(jīng)直接接地端的電流與線芯電流無關(guān)。
2.2.2若由于電纜護(hù)層絕緣被破壞,造成電纜的金屬護(hù)層發(fā)生多點接地(如圖4中的R1)。因R1為直接接地,阻值很小,故障將使金屬護(hù)層中形成很大的環(huán)流。其它兩相的金屬護(hù)套沒有形成多點接地,其環(huán)流可以不予考慮。這時不能按前述公式計算感應(yīng)電勢,只需考慮三相纜芯電流對故障相金屬護(hù)套的感應(yīng)電勢所引起的環(huán)流。
電纜的金屬護(hù)套可視為同心的套在纜芯周圍且其薄壁呈圓柱體,因其壁厚遠(yuǎn)小于其直徑,故可將金屬護(hù)套的自感視為零,見圖4。
圖4 電纜單回路磁場
此時,設(shè)三相纜芯電流分別為ia、ib、ic;介質(zhì)磁導(dǎo)率為μ,則距離A電纜中心x處的磁感應(yīng)強度Bx=μia/(2лx),故與護(hù)套相交鏈的磁通dψx=(μia/(2лx)dx,A電纜電流產(chǎn)生的磁通與A電纜自己護(hù)套交鏈ψAA在x∈[S,Db]范圍中表示為:
即有A電纜金屬護(hù)套的總磁通ψA=ψAA+ψBA。
將Ⅰs2=0,Ⅰs3=0和Us代入圖2回路電壓方程,則A相金屬護(hù)套環(huán)流。
其中, X=ψL; R為金屬護(hù)套直流電阻;Rc為大地的漏電阻與兩點接地電阻之和,Es為金屬護(hù)套的感應(yīng)電勢。護(hù)層故障相護(hù)層循環(huán)電流:
從上述理論分析可以得到以下結(jié)論
2.2.3對于護(hù)層絕緣良好的單端接地電纜線路,流入直接接地端的僅有電容電流,數(shù)值很小,與電纜結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),與電纜線芯電流無關(guān)。
2.2.4對于有護(hù)層絕緣缺陷的電纜線路,由于護(hù)層循環(huán)電流的存在,流入直接接地端的電流將上升,具體電流值與護(hù)層的接地點和接地電阻有關(guān)。對于特定的電纜線路,在外部環(huán)境沒有發(fā)生變化的情況下,護(hù)層循環(huán)電流和線芯電流的比值應(yīng)該是一個常數(shù)。
為了驗證上述理論的分析結(jié)論,我們選取了110kV蘭江線、安枋Ⅰ、Ⅱ回、安縣Ⅰ、Ⅱ回、220kV禾半Ⅰ回等五回路電纜做實際測量,比較其在單端接地和兩端接地情況下,護(hù)層循環(huán)電流的理論值和實測值,結(jié)果如表1示。
表1 單端接地系統(tǒng)護(hù)層循環(huán)電流值理論計算和實測比較
從上表可以看出,在通常情況下,對于單端接地系統(tǒng),若電纜的護(hù)層絕緣良好,則其直接接地端對地電流很小,一般不超過線芯電流的10%。當(dāng)電纜護(hù)層受到破壞時,護(hù)層循環(huán)電流會增大,其值與電纜護(hù)層接地點的位置和護(hù)層故障電阻以及接地點接地電阻有關(guān)。故障點離直接接地端越遠(yuǎn),則護(hù)層循環(huán)電流越大,在極端情況下,故障點在護(hù)層保護(hù)器側(cè)時,達(dá)到最大值。
在實際運用中,對于特定的電纜線路,護(hù)層循環(huán)電流/線芯電流基本上是個恒定值,其波動很小。
在大量實測和理論計算的基礎(chǔ)上,本監(jiān)測系統(tǒng)提出了判斷高壓電纜護(hù)層絕緣異常狀況的判據(jù):
(1)護(hù)層循環(huán)電流值/線芯電流值≥10%
(2)相同時段內(nèi)護(hù)層循環(huán)電流變化率/線芯電流變化率≥1
利用計算機技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)和GPRS通訊技術(shù)研發(fā)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)拓?fù)鋱D
系統(tǒng)由監(jiān)測終端和監(jiān)測軟件組成。監(jiān)測終端,包括:系統(tǒng)供電電源模塊,各類采樣傳感器,數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備,GPRS通訊模塊。
實時測量運行電纜的金屬護(hù)層電流、運行電流、電纜表面溫度、接地箱溫度。通過對電纜頭或電纜本身的連續(xù)測量,能夠預(yù)測電纜頭或電纜本身的故障趨勢,及時提供電纜故障部位和檢修指導(dǎo),避免發(fā)生重大事故。實時顯示測量數(shù)據(jù)的曲線走勢圖、日最大和最小曲線圖,實時顯示測量數(shù)據(jù)變化速度的曲線圖,實時顯示測量數(shù)據(jù)之間的比值關(guān)系及其變化速度。
通過GPRS無線將測量數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控服務(wù)器。
數(shù)據(jù)實時采集,系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣頻率10秒至1分鐘可控。數(shù)據(jù)庫每間隔5至60分鐘保存實時數(shù)據(jù),可控。
服務(wù)器監(jiān)控軟件采用Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu),用戶可以使用WWW瀏覽器查看監(jiān)控數(shù)據(jù)。
服務(wù)器監(jiān)控軟件是多用戶軟件,所有變電站監(jiān)控單元共享同一服務(wù)器,最大限度地減少硬件投入和運行維護(hù)成本。
服務(wù)器監(jiān)控軟件采用同步技術(shù),可以實現(xiàn)任意臺服務(wù)器同時運行,只要有一臺服務(wù)器能正常運行,就能保證后臺系統(tǒng)正常運行。遠(yuǎn)程服務(wù)器的同步,采用加密UDP數(shù)據(jù)包實現(xiàn)。
被測設(shè)備發(fā)現(xiàn)異常時,服務(wù)器采用短信進(jìn)行遠(yuǎn)程報警。主要包括運行電流和護(hù)層循環(huán)電流變化速度超過設(shè)定值、護(hù)層循環(huán)電流/運行電流≥10%等。
服務(wù)器監(jiān)控軟件是按照標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件設(shè)計而成,可以任意擴(kuò)展功能模塊,具有強大的數(shù)據(jù)分析能力,能夠適應(yīng)特定用戶的各種需求。監(jiān)測終端數(shù)量擴(kuò)展時不需要修改系統(tǒng)軟件。
WEB瀏覽程序,沒有采用任何組件和控件,用戶無需安裝軟件,就可使用WWW瀏覽器查看監(jiān)控數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫采用ADO技術(shù)鏈接,不但數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)速度快,而且可以很容易移植到SQL Server 或者Oricle 數(shù)據(jù)庫。
監(jiān)測終端不需要外部提供電源,通過電流互感器獲取電纜運行電流并作為整個終端的電源。運行電流在50~1000A的范圍內(nèi)終端均可正常工作。
高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)于2007年6月20日安裝在廈門電業(yè)局220kV廈安Ⅰ回高壓電纜上,對A相、B相、C相三相電纜進(jìn)行護(hù)層循環(huán)電流和運行電流的實時監(jiān)測,同時監(jiān)測電纜表面溫度、接地箱溫度等指標(biāo)。
監(jiān)測系統(tǒng)具體試驗記錄如下:
圖6 主界面顯示當(dāng)前所有測試參數(shù)
圖7 護(hù)層循環(huán)電流曲線
圖8 護(hù)層循環(huán)電流與運行電流曲線
圖9 護(hù)層循環(huán)電流日最大值變化曲線
圖10 三相電纜溫度變化曲線
與傳統(tǒng)方法測試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對后,發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的。通過監(jiān)測電纜金屬護(hù)層循環(huán)電流,我們可以分析某日或一段時間內(nèi)電纜運行負(fù)荷的變化情況,便于及時調(diào)整,實現(xiàn)電纜安全運行。綜上所述,該系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的要求,可以滿足實際應(yīng)用。
高壓電纜線路是電網(wǎng)重要組成部分,確保電纜線路安全運行是電網(wǎng)企業(yè)重要職責(zé)。電纜護(hù)層絕緣良好是電纜運行必不可少的電氣條件之一,隨時報告電纜外護(hù)套絕緣情況具有重要的意義,可以有效防止主絕緣損壞,如白蟻咬傷,外力損壞等,甚至能夠立即報告對接地線的偷盜。通過連續(xù)監(jiān)測電纜金屬護(hù)層循環(huán)電流和電纜終端頭、接頭或本體表面溫度并分析比較來監(jiān)測護(hù)層絕緣情況,是目前不改變線路連接,不影響電纜運行可行有效的辦法。
利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和GPRS通訊技術(shù)研發(fā)的高壓電纜護(hù)層絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng),可實時監(jiān)測電纜金屬護(hù)層循環(huán)電流、運行電流和電纜表面溫度,并以GPRS通訊方式將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控服務(wù)器,監(jiān)控軟件永久的保存數(shù)據(jù),通過繪制各種參數(shù)的變化趨勢波形圖、記錄數(shù)據(jù)表等方法向用戶提供分析前提,并采用獨特的判據(jù)判斷電纜絕緣情況是否良好。若某個運行參數(shù)出現(xiàn)故障時可將故障信息以GSM短信方式發(fā)送給用戶,從根本上避免了電纜事故的發(fā)生,保證電纜安全、可靠的運行。
與傳統(tǒng)的停電測量護(hù)層絕緣電阻和手工測量護(hù)層循環(huán)電流比,利用該系統(tǒng)能提高工作效率,提高對護(hù)層絕緣狀況診斷分析質(zhì)量。
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