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高压电力电缆护层电流在线监测及故障诊断技术

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/21     浏览次数:    
    高压电力电缆护层电流在线监测及故障诊断技术
    摘要:通过监测护层电流可及早发现高压电力电缆线路的潜在故障,有效避免非计划性停电。为此,提出了1种可用于诊断故障与非故障情况下3相交叉互联高压电力电缆中护层电流的研究方案。通过建立数学模型详细分析了2种典型的电缆故障,并基于1条线路长度为1.5km、电压等级为110kV的隧道电缆的仿真计算,提出了1套适用于12种电缆故障的诊断及定位标准。仿真分析结果显示:当电缆接地系统中存在开路故障时,故障回路中的护层电流会降低;而当电缆交叉互联箱进水或电缆接头内环氧预制件击穿时,故障护层回路中将产生高于正常水平的护层电流值。基于故障仿真,所提出的故障诊断标准可准确识别并定位指定的3种电缆故障:接头松动导致护层开路、交叉互联箱进水和接头内环氧预制件击穿。仿真表明地电阻的大幅度变化会导致诊断标准发生变化。

    关键词:高压电力电缆;状态监测;护层电流;仿真计算;故障分析;故障诊断


    故障情况下护层电流的分析计算
    交叉互联接线方式下的护层电流图4(a)给出了1种常见的电缆交叉互联的接线方式。在J2、J3接头处分别安装了交叉互联接地箱和同轴电缆,用来实现三相电缆护层的交叉换位。
    同轴电缆是由2根同轴心且相互绝缘的圆柱形金属导体所构成的基本单元(同轴对),通常被用作交叉互联箱和电缆接头的连接线。使用同轴电缆的目的是为了减小连接线的波阻抗,以降低冲击电流沿保护器连接线的压降[21]。同时,使用同轴电缆能够使此连接线具有更加良好的防水性能。图4(a)中:
    为负荷电流;6个可用于检测护层电流I1、I2、I3、、I5、I6的工频电流传感器分别安装在2个交叉互联箱的进线口处。电容电流在该图中并未标注。图显示了交叉互联接地箱的内部结构。2个相邻电缆段的护层分别通过同轴电缆的内外导体层,被接入到交叉互联箱内部,并通过金属片实现交叉换位。对于这种实际接线情况下的护层电流的分析,尚未见公开发表的文献进行过报道。
    电容电流始终存在于每1条运行的电缆中。
    个交叉互联循环段中的各电缆分段的电容电流分布如图5所示。图5中:Ic1、Ic2、Ic3、Ic4、Ic5、表示6个电流传感器所测得的电容电流。
    以电缆段A1为例,如前文所述,对110kV的电缆,每500m长的电缆段大约产生3.68A的电容电流Ica1。电容电流Ica1产生的左(L)、右(R)这2个方向的分量Ica1L、Ica1R分别流经的回路阻抗为、Zca1R=0.5Za1+Zc2+Zb3=0.224?。
    因此,A1段电缆所产生的电容电流Ica1被分成了以下2个部分:向左(J1)方向流动的分量和向右(J4)方向流动的分量Ica1R=0.67A。同理可推导出其他8段电缆中产生的2个方向的电容电流分量。由于传感器安装在同轴电缆上,所以电容电流的测量值应该是3个电容电流分量之和,其数值可通过以下计算式获得。

    在仿真过程中,假设各电缆段具有相同的长度及工作电压,因此6个测量点处的电容电流均为。

    综上分析,测量的护层电流应为感应电流与电容电流之和。结合图4(a)和图5,6个测量点处测到的护层电流理论值为(Im1、Im2、Im3所表示的感应电流在图4(a)中标识接头处连接松动导致的开路故障接头处连接松动是1种交叉互联电缆系统中常见的故障情况,其原因可能是由于安装过程中操作不当或者外力破坏而引起。这种情况下由于原本正常情况下的电缆回路被断开而无法形成闭合回路,所以故障段的所在护层回路电流为0。仍然以A1段电缆为例,当A1段中出现开路故障时,感应电流的幅值降至0。则各测量点处的护层电流值应为2.3交叉互联箱进水在我国南方地区,由于夏天雨水较多,所以安装在电缆隧道内的高压电缆及其附件可能出现被积水淹没的现象。当交叉互联箱的外壳出现破损时,周围的污水会进入箱体内部,淹没护层保护器,从而导致短路现象。根据水体成分的不同,其电阻也有较大差别[22-23]。然而由于污水的电阻率低,且箱内外水体相连,使得水体的面积远远大于其深度,所以此时水电阻可忽略不计。在这种情况下,若保护器被水完全淹没,则会导致交叉互联箱中出现接地的情况,相当于护层两端直接接地,从而导致其中的感应电流大幅上升[24]。以J2接头处的交叉互联箱被水淹没为例,对6个测量点处的护层电流进行了理论计算。J2接头处交叉互联箱被水淹没如图所示。图6中:Ix1、Ix2、Ix3、Ix4、Ix5、Ix6代表个新形成的故障回路中的感应电流。
    当J2接头处的交叉互联箱被水淹没时,箱内的导体出现直接接地,因此原本的3条护层回路变为条故障情况下的回路。此时的6个测量点处的护层电流可以通过下列等式计算;;;;根据安培定律及图6(b)中的等效电路,故障情况下回路中的感应电流为;;;图6J2接头处交叉互联箱被水淹没电缆接头环氧预制件击穿若电缆接头中环氧预制件被击穿,则一方面将导致其左右两侧的金属护层相连,从而破坏交叉互联系统,使得运行中的护层电流迅速上升;另一方面增大的护层电流将引起接头内环氧预制件发热。
    由于接头内散热环境差,所以环氧预制件的长期发热也给接头的安全运行带来隐患[25]。当某个接头处的环氧预制件被击穿时,2条护层回路中的感应电流将受到影响,而另1条回路中的电流则保持不变。
    以J2接头处A相接头环氧预制件击穿为例,采用回路电流法对故障回路中的护层电流进行分析,可以推导环氧预制件击穿故障对护层电流造成的影响。

    其他接头处的故障分析与案例采用相同方法,即可推导出相关计算式。图7(a)是故障情况下的电缆线路示意图。故障点已在图7(a)中标识出来。考虑接头处A相接头环氧预制件击穿时原护层回路发生变化,所以会产生新的故障回路。为了方便说明,图7(a)对故障情况下线路中的所有护层回路进行了重新标识。图7(b)给出了该故障情况下的等效电路图。


    结论
    通过本文的讨论和分析,主要可得出以下结论:
    )建立了1种可用于计算三相交叉互联电缆护层电流的数学模型。
    通过等效电路图分析,提出了当电缆发生故障时护层电流的仿真计算方法。
    当电缆接头发生交叉互联箱进水或接头内环氧预制板击穿故障时,测量点处传感器测得的电缆护层电流可以上升至非故障情况下的数倍。
    根据故障情况护层电流数值与预期护层电流值的比值,可以制订出1套适用于隧道电缆的故障诊断及定位标准。这套标准可以准确地识别并定位本文中所列出的12种常见电缆故障。
    这套电力电缆故障诊断及定位标准的制订方法适用于敷设在电缆隧道内的交叉互联电力电缆。

    由于敷设在隧道内的电缆较少受到第3方破坏或化学腐蚀等外部因素影响,所以由外护套破损而引起多点接地故障在总故障中的比例相对较低。对于电缆隧道而言,故障发生率比较高的部件就是中间接头和终端。而采用直埋方式敷设的地下电缆,外护套会受到环境的侵蚀,也会受到白蚁蛀蚀的影响,所以外护套破损是1个常见的故障。这种类型故障的仿真将在未来的工作中进一步加以讨论和分析。


本文由 安徽电力电缆 整理编辑。

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