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

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)重點實驗室）

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

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)重點實驗室）

護(hù)層循環(huán)電流和絕緣電阻作為高壓電纜安全運行的重要指標(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，并驗證了測量結(jié)果與理論計算的一致性。

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)?；ㄩ_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，要提高運行電纜維護(hù)水平，保障運行電纜安全指標(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)行實驗室模型創(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)展成正比原理實現(xiàn)，其缺點為當(dāng)電纜屏蔽接地化學(xué)電動勢較大而護(hù)套絕緣電阻較小時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現(xiàn)絕緣診斷[3]。

本設(shè)計利用接地電流法，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才為正常，任意一項條件滿足異常或者缺陷均視為異?；蛉毕?。

表1 電纜運行狀態(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)套采用一端接地時的一個標(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，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，可以實現(xiàn)大、小電流信號的準(zhǔn)確實時測量，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

3.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

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；差動放大電路對信號放大同時具有消除零點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

本設(shè)計涉及高壓取電為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)計中取電電源設(shè)計包括取電線圈設(shè)計和保護(hù)電路設(shè)計，如圖5所示。取電線圈通過理論計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

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)為實時連續(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，需要大量的模擬實驗，以便完成系統(tǒng)的調(diào)試和校對。實驗?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?，F(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。理論計算結(jié)果與實際結(jié)果相符，驗證了裝置的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

本研究依據(jù)國家電網(wǎng)公司帶電檢測運行規(guī)定，設(shè)計了一種通過監(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)可以實時傳輸至數(shù)據(jù)處理終端，實時監(jiān)控并發(fā)出異常報警，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。

為了驗證裝置設(shè)計的正確性，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)做了計算和分析，其結(jié)果與實際測量結(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)行實時監(jiān)測。

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