高壓電力電纜護(hù)層電流在線監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)
    摘要：通過(guò)監(jiān)測(cè)護(hù)層電流可及早發(fā)現(xiàn)高壓電力電纜線路的潛在故障,有效避免非計(jì)劃性停電。為此,提出了1種可用于診斷故障與非故障情況下3相交叉互聯(lián)高壓電力電纜中護(hù)層電流的研究方案。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型詳細(xì)分析了2種典型的電纜故障,并基于1條線路長(zhǎng)度為1.5km、電壓等級(jí)為110kV的隧道電纜的仿真計(jì)算,提出了1套適用于12種電纜故障的診斷及定位標(biāo)準(zhǔn)。仿真分析結(jié)果顯示:當(dāng)電纜接地系統(tǒng)中存在開(kāi)路故障時(shí),故障回路中的護(hù)層電流會(huì)降低;而當(dāng)電纜交叉互聯(lián)箱進(jìn)水或電纜接頭內(nèi)環(huán)氧預(yù)制件擊穿時(shí),故障護(hù)層回路中將產(chǎn)生高于正常水平的護(hù)層電流值。基于故障仿真,所提出的故障診斷標(biāo)準(zhǔn)可準(zhǔn)識(shí)別并定位指定的3種電纜故障:接頭松動(dòng)導(dǎo)致護(hù)層開(kāi)路、交叉互聯(lián)箱進(jìn)水和接頭內(nèi)環(huán)氧預(yù)制件擊穿。仿真表明地電阻的大幅度變化會(huì)導(dǎo)致診斷標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化。

    關(guān)鍵詞：高壓電力電纜;狀態(tài)監(jiān)測(cè);護(hù)層電流;仿真計(jì)算;故障分析;故障診斷

    故障情況下護(hù)層電流的分析計(jì)算
    交叉互聯(lián)接線方式下的護(hù)層電流圖4(a)給出了1種常見(jiàn)的電纜交叉互聯(lián)的接線方式。在J2、J3接頭處分別安裝了交叉互聯(lián)接地箱和同軸電纜，用來(lái)實(shí)現(xiàn)三相電纜護(hù)層的交叉換位。
    同軸電纜是由2根同軸心且相互絕緣的圓柱形金屬導(dǎo)體所構(gòu)成的基本單元(同軸對(duì))，通常被用作交叉互聯(lián)箱和電纜接頭的連接線。使用同軸電纜的目的是為了減小連接線的波阻抗，以降低沖擊電流沿保護(hù)器連接線的壓降[21]。同時(shí)，使用同軸電纜能夠使此連接線具有更加良好的防水性能。圖4(a)中：
    為負(fù)荷電流；6個(gè)可用于檢測(cè)護(hù)層電流I1、I2、I3、、I5、I6的工頻電流傳感器分別安裝在2個(gè)交叉互聯(lián)箱的進(jìn)線口處。電容電流在該圖中并未標(biāo)注。圖顯示了交叉互聯(lián)接地箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2個(gè)相鄰電纜段的護(hù)層分別通過(guò)同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)體層，被接入到交叉互聯(lián)箱內(nèi)部，并通過(guò)金屬片實(shí)現(xiàn)交叉換位。對(duì)于這種實(shí)際接線情況下的護(hù)層電流的分析，尚未見(jiàn)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行過(guò)報(bào)道。
    電容電流始終存在于每1條運(yùn)行的電纜中。
    個(gè)交叉互聯(lián)循環(huán)段中的各電纜分段的電容電流分布如圖5所示。圖5中：Ic1、Ic2、Ic3、Ic4、Ic5、表示6個(gè)電流傳感器所測(cè)得的電容電流。
    以電纜段A1為例，如前文所述，對(duì)110kV的電纜，每500m長(zhǎng)的電纜段大約產(chǎn)生3.68A的電容電流Ica1。電容電流Ica1產(chǎn)生的左(L)、右(R)這2個(gè)方向的分量Ica1L、Ica1R分別流經(jīng)的回路阻抗為、Zca1R=0.5Za1+Zc2+Zb3=0.224?。
    因此，A1段電纜所產(chǎn)生的電容電流Ica1被分成了以下2個(gè)部分：向左(J1)方向流動(dòng)的分量和向右(J4)方向流動(dòng)的分量Ica1R=0.67A。同理可推導(dǎo)出其他8段電纜中產(chǎn)生的2個(gè)方向的電容電流分量。由于傳感器安裝在同軸電纜上，所以電容電流的測(cè)量值應(yīng)該是3個(gè)電容電流分量之和，其數(shù)值可通過(guò)以下計(jì)算式獲得。

    在仿真過(guò)程中,假設(shè)各電纜段具有相同的長(zhǎng)度及工作電壓，因此6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的電容電流均為。

    綜上分析，測(cè)量的護(hù)層電流應(yīng)為感應(yīng)電流與電容電流之和。結(jié)合圖4(a)和圖5，6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處測(cè)到的護(hù)層電流理論值為(Im1、Im2、Im3所表示的感應(yīng)電流在圖4(a)中標(biāo)識(shí)接頭處連接松動(dòng)導(dǎo)致的開(kāi)路故障接頭處連接松動(dòng)是1種交叉互聯(lián)電纜系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障情況，其原因可能是由于安裝過(guò)程中操作不當(dāng)或者外力破壞而引起。這種情況下由于原本正常情況下的電纜回路被斷開(kāi)而無(wú)法形成閉合回路，所以故障段的所在護(hù)層回路電流為0。仍然以A1段電纜為例，當(dāng)A1段中出現(xiàn)開(kāi)路故障時(shí)，感應(yīng)電流的幅值降至0。則各測(cè)量點(diǎn)處的護(hù)層電流值應(yīng)為2.3交叉互聯(lián)箱進(jìn)水在我國(guó)南方地區(qū)，由于夏天雨水較多，所以安裝在電纜隧道內(nèi)的高壓電纜及其附件可能出現(xiàn)被積水淹沒(méi)的現(xiàn)象。當(dāng)交叉互聯(lián)箱的外殼出現(xiàn)破損時(shí)，周圍的污水會(huì)進(jìn)入箱體內(nèi)部，淹沒(méi)護(hù)層保護(hù)器，從而導(dǎo)致短路現(xiàn)象。根據(jù)水體成分的不同，其電阻也有較大差別[22-23]。然而由于污水的電阻率低，且箱內(nèi)外水體相連，使得水體的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其深度，所以此時(shí)水電阻可忽略不計(jì)。在這種情況下，若保護(hù)器被水保持淹沒(méi)，則會(huì)導(dǎo)致交叉互聯(lián)箱中出現(xiàn)接地的情況，相當(dāng)于護(hù)層兩端直接接地，從而導(dǎo)致其中的感應(yīng)電流大幅上升[24]。以J2接頭處的交叉互聯(lián)箱被水淹沒(méi)為例，對(duì)6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的護(hù)層電流進(jìn)行了理論計(jì)算。J2接頭處交叉互聯(lián)箱被水淹沒(méi)如圖所示。圖6中：Ix1、Ix2、Ix3、Ix4、Ix5、Ix6代表個(gè)新形成的故障回路中的感應(yīng)電流。
    當(dāng)J2接頭處的交叉互聯(lián)箱被水淹沒(méi)時(shí)，箱內(nèi)的導(dǎo)體出現(xiàn)直接接地，因此原本的3條護(hù)層回路變?yōu)闂l故障情況下的回路。此時(shí)的6個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的護(hù)層電流可以通過(guò)下列等式計(jì)算；；；；根據(jù)安培定律及圖6(b)中的等效電路，故障情況下回路中的感應(yīng)電流為；；；圖6J2接頭處交叉互聯(lián)箱被水淹沒(méi)電纜接頭環(huán)氧預(yù)制件擊穿若電纜接頭中環(huán)氧預(yù)制件被擊穿，則一方面將導(dǎo)致其左右兩側(cè)的金屬護(hù)層相連，從而破壞交叉互聯(lián)系統(tǒng)，使得運(yùn)行中的護(hù)層電流迅速上升；另一方面增大的護(hù)層電流將引起接頭內(nèi)環(huán)氧預(yù)制件發(fā)熱。
    由于接頭內(nèi)散熱環(huán)境差，所以環(huán)氧預(yù)制件的長(zhǎng)期發(fā)熱也給接頭的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患[25]。當(dāng)某個(gè)接頭處的環(huán)氧預(yù)制件被擊穿時(shí)，2條護(hù)層回路中的感應(yīng)電流將受到影響，而另1條回路中的電流則保持不變。
    以J2接頭處A相接頭環(huán)氧預(yù)制件擊穿為例，采用回路電流法對(duì)故障回路中的護(hù)層電流進(jìn)行分析，可以推導(dǎo)環(huán)氧預(yù)制件擊穿故障對(duì)護(hù)層電流造成的影響。

    其他接頭處的故障分析與案例采用相同方法，即可推導(dǎo)出相關(guān)計(jì)算式。圖7(a)是故障情況下的電纜線路示意圖。故障點(diǎn)已在圖7(a)中標(biāo)識(shí)出來(lái)。考慮接頭處A相接頭環(huán)氧預(yù)制件擊穿時(shí)原護(hù)層回路發(fā)生變化，所以會(huì)產(chǎn)生新的故障回路。為了方便說(shuō)明，圖7(a)對(duì)故障情況下線路中的.護(hù)層回路進(jìn)行了重新標(biāo)識(shí)。圖7(b)給出了該故障情況下的等效電路圖。

    結(jié)論
    通過(guò)本文的討論和分析，主要可得出以下結(jié)論：
    ）建立了1種可用于計(jì)算三相交叉互聯(lián)電纜護(hù)層電流的數(shù)學(xué)模型。
    通過(guò)等效電路圖分析，提出了當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)護(hù)層電流的仿真計(jì)算方法。
    當(dāng)電纜接頭發(fā)生交叉互聯(lián)箱進(jìn)水或接頭內(nèi)環(huán)氧預(yù)制板擊穿故障時(shí)，測(cè)量點(diǎn)處傳感器測(cè)得的電纜護(hù)層電流可以上升至非故障情況下的數(shù)倍。
    根據(jù)故障情況護(hù)層電流數(shù)值與預(yù)期護(hù)層電流值的比值，可以制訂出1套適用于隧道電纜的故障診斷及定位標(biāo)準(zhǔn)。這套標(biāo)準(zhǔn)可以準(zhǔn)地識(shí)別并定位本文中所列出的12種常見(jiàn)電纜故障。
    這套電力電纜故障診斷及定位標(biāo)準(zhǔn)的制訂方法適用于敷設(shè)在電纜隧道內(nèi)的交叉互聯(lián)電力電纜。

    由于敷設(shè)在隧道內(nèi)的電纜較少受到第3方破壞或化學(xué)腐蝕等外部因素影響，所以由外護(hù)套破損而引起多點(diǎn)接地故障在總故障中的比例相對(duì)較低。對(duì)于電纜隧道而言，故障發(fā)生率比較高的部件就是中間接頭和終端。而采用直埋方式敷設(shè)的地下電纜，外護(hù)套會(huì)受到環(huán)境的侵蝕，也會(huì)受到白蟻蛀蝕的影響，所以外護(hù)套破損是1個(gè)常見(jiàn)的故障。這種類型故障的仿真將在未來(lái)的工作中進(jìn)一步加以討論和分析。

本文由 安徽電力電纜 整理編輯。