CN101825657B

CN101825657B - 中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测方法及装置

Info

Publication number: CN101825657B
Application number: CN2010101703010A
Authority: CN
Inventors: 夏荣; 罗俊华; 蒙绍新; 李文杰; 章红军
Original assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Current assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: CN101825657A

Abstract

本发明公开了一种中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测方法及装置，该方法通过在带电运行情况下的电缆本体上套装负载电流传感器来耦合电缆负载电流；通过在电缆金属护层接地引出线上套装接地电流传感器来耦合电缆金属护层接地电流；通过夹在电缆金属护层接地引出线断口和接地极之间或夹在电缆线路保护接地侧金属护层引出线和接地极之间的感应电压拾取探头来获取电缆金属护层感应电压。通过光纤、上位机和下位机可以获取带电运行情况下中高压单芯交联电缆金属护层感应电压与环流数值，从而为诊断、评估电缆金属护层和外护层的健康状况提供有效参考，为电缆运行单位调整优化电缆线路接地方式和护层保护器选型提供技术依据。

Description

中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测方法及装置

技术领域

本发明属于在线检测领域，涉及一种中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测方法及装置，适用于10(6)kV～35kV电压等级。

背景技术

交联聚乙烯(XLPE，以下简称交联)电缆由于具有制造工艺简单，安装敷设容易，电气性能优良，传输容量大，运行维护方便，无漏油隐患等诸多优点已成为电缆发展和工程应用的主流。

随着城市现代化的发展，城市配网线路大量采用地下交联电缆线路代替架空输电线，其中大截面、大长度的中高压单芯交联电缆投运比重日益增多。应用大截面单芯交联电缆，能够提高单回电缆线路的输电能力，可减少中间接头使用数量，方便电缆敷设和附件安装，节省运行维护费用，但同时也带来了电缆金属护层感应电压与感应环流对电缆线路安全、可靠、稳定、经济运行的影响问题。

由于单芯电缆专用金属护层，则电缆导体相当于变压器的初级，金属护层相当于变压器的次级，形成电磁耦合链。当单芯电缆线芯通过电流时就会有磁力线交链金属护层，使它的两端出现感应电压。感应电压幅值大小与电缆线路长度和流过导体的电流成正比，电缆线路很长时，金属护层上的感应电压幅值可达到危及人身安全的程度；特别是当电缆线路发生短路故障，或遭受操作过电压或雷电过电压时，金属护层上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘或引发电缆线路运行事故。此外，若接地方式选择不合适(例如长距离线路金属护层两端直接接地)，感应电压将引起金属护层中产生环流，造成能量损耗、产生大量焦耳热，严重影响电缆的载流能力，降低电缆安全运行寿命。

国内电缆运行和试验部门长期以来基本上采用手工测量金属护层感应电压和感应环流的传统方式来评估电缆护层运行状态和接地可靠情况，存在耗费人力、效率低下、测量精度不高、自动化程度低等问题，缺乏有效手段来实现真正在线检测。

发明内容

本发明的目的是克服传统方式的不足，填补国内中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测的技术空白，提出一种中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测方法及装置，可在线路带电运行条件下现场自动检测出电缆的感应电压与环流幅值，适用于10(6)kV～35kV电压等级。

中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测方法，技术核心包括感应电压在线检测方法和感应环流在线检测方法，其特征在于：

感应电压在线检测方法：若线路采用两端直接接地方式，依次断开线路一侧的A、B、C三相电缆终端金属护层接地引出线，直接测量金属护层引出线断点与接地极之间的电压差，即金属护层非接地侧感应电压幅值，为保护检测装置并考虑到不影响电缆线路的安全可靠运行，在电缆终端金属护层接地引出线断开之前，在金属护层与接地极之间并联辅助接地线与断路器组件；在电缆终端金属护层接地引出线断开之后，借助辅助接地线与断路器组件实现金属护层引出线与接地极之间电气连接的断开和闭合；若线路采用一端直接接地、一端经护层保护器接地的方式，在线路保护接地侧直接测量A、B、C三相电缆终端金属护层引出线和接地极之间的电压差；

感应环流在线检测方法：由于接地线电流为容性电流、感应环流和阻性泄漏电流的时域叠加，再加之现场无法测量电缆导体相电压的实际波形，不能获知容性电流和感应环流的相位差，导致感应环流无法精确分解出，采取同步测量线路A、B、C三相每一相电缆的负载电流和接地电流的方法，根据被测电缆结构参数计算出电缆线路的容性电流幅值大小(圆形导体单位长度电容计算公式为C₀＝2πε₀ε/ln(D_ins/d_c)，电容电流假设接地电流与容性电流之间相位差为180°关系，阻性泄漏电流忽略不计，从而可求出感应环流的最大幅值；假设接地电流与容性电流之间相位差为0°关系，阻性泄漏电流忽略不计，从而可求出感应环流的最小幅值，该方法的有益效果是效率高、测量精度高、自动化程度高，真正实现了中高压单芯交联电缆感应电压与环流的在线检测。

中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测装置，按照信号与数据流从前到后的关系，依次包括：辅助接地线与断路器组件、感应电压拾取探头、负载电流传感器、接地电流传感器、下位机、光纤、USB/光纤转换器与上位机，其特征在于：辅助接地线与断路器组件串联在电缆线路金属护层接地线引出端和接地极之间；感应电压拾取探头中一只与金属护层接地引出线相连，另一只与接地极相连，上述两只感应电压拾取探头分别通过传输导线与下位机相连；负载电流传感器和接地电流传感器分别套装在电缆本体和电缆金属护层接地引出线上，分别通过传输导线与下位机相连；USB/光纤转换器一侧与光纤相连，另一侧通过USB接头与上位机相连，该装置效率高、测量精度高、自动化程度高，真正实现了中高压单芯交联电缆感应电压与环流的在线检测。

使用本发明，为中高压单芯交联电缆线路运行情况下在线检测其金属护层的感应电压与环流提供了有效技术手段。以实现对电缆金属护层和外护层的健康状况进行诊断、评估，及时发现潜在故障隐患，为电缆运行单位调整优化电缆线路接地方式和护层保护器选型提供技术依据和参考，可有效预防运行事故发生，延长中高压交联电缆线路运行寿命。

附图说明

图1为本发明中在线检测装置的结构示意图。

图2为本发明中电缆线路两端直接接地方式下感应电压在线检测方法示意图。

图3为本发明中电缆线路一端直接接地，一端经护层保护器接地方式下感应电压在线检测示意图。

图4为本发明中感应环流在线检测方法示意图。

图5为本发明中在线检测装置功能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1中标记说明，1-辅助接地线与断路器组件，2-感应电压拾取探头，3-负载电流传感器，4-接地电流传感器，5-下位机，6-光纤，7-USB/光纤转换器，8-上位机。

在图1中，中高压单芯交联电缆金属护层感应电压与环流在线检测装置按照信号与数据流从前到后的关系，依次包括：辅助接地线与断路器组件1、感应电压拾取探头2、负载电流传感器3、接地电流传感器4、下位机5、光纤6、USB/光纤转换器7与上位机8。

辅助接地线与断路器组件1主要功能是为保护检测装置，保障电缆线路安全运行，代替完成电缆终端主接地线的断开与闭合动作。组件包含由辅助接地线和断路器；辅助接地线采用铜质编织带，用透明绝缘外护套包裹，首端焊接有鳄鱼夹，尾端焊接有自锁式接头，中间串接一个断路器；断路器为三相式，每相额定工作电压为400V，额定工作电流为600A；A、B、C三相辅助接地线两端的鳄鱼夹与自锁式接头的标识色分别为黄、绿、红。

感应电压拾取探头2主要功能是实现电缆金属护层引出线上感应电压的信号拾取，并通过传输导线将输出信号传递至下位机。探头为2只，1只拾取感应电压，另1只拾取参考地电位；采用鳄鱼夹结构，由铜材制成；2只探头根部分别牢固焊接1根铜质编织带，用透明绝缘外护套包裹，构成传输导线；A、B、C三相感应电压拾取探头的标识色分别为黄、绿、红，地电位拾取探头的标识色为黑色。

负载电流传感器3主要功能是实现被测电缆导体负载电流的信号传感，并通过传输导线将输出信号传递至下位机。采用卡钳式精密实芯交流电流互感器；互感器的磁芯采用铁-镍合金材料，由两个半圆环状磁芯经定位销和压力弹簧连接成一个带气隙圆环，采用高强度工程塑料外壳封装；次级绕组绕制在环状磁芯上，绕组铜线两端从传感器外壳把手的底部引出，延伸成传输导线；负载电流传感器内环直径为110mm，电流变比为1500A∶1A，精度等级为0.2级；A、B、C三相负载电流传感器外壳标识色分别为黄、绿、红。

接地电流传感器4主要功能是实现被测电缆金属护层接地引出线上接地电流的信号传感，并通过传输导线将输出信号传递至下位机。采用卡钳式结构的精密实芯交流电流互感器；互感器的磁芯采用铁-镍合金材料，由两个半圆环状磁芯经定位销和压力弹簧连接成一个带气隙圆环，采用高强度工程塑料外壳封装；次级绕组绕制在环状磁芯上，绕组铜线两端从传感器外壳把手的底部引出，延伸成传输导线；负载电流传感器内环直径为50mm，电流变比为100A∶1A，精度等级为0.1级；A、B、C三相负载电流传感器外壳标识色分别为黄、绿、红。

下位机5主要功能是现场完成负载电流、接地电流与感应电压的模拟信号调理与采集，并通过光纤和USB/光纤转换器将转换后数字信号传输至上位机。下位机由传感器接口、多通道信号同步采集单元、信号调理单元、光纤通讯控制单元、锂电池电源模块、保护电路、充电电源接口、控制开关、状态指示灯和机箱外壳组成；采集单元采用6通道同步采样模式，每通道A/D分辨率为12位，每通道采样速率为1kS/s，每通道存储深度为2MB；信号调理单元包括容性分压器、反相比例放大电路和低通滤波器；容性分压器的电压变比为40V∶1V；反相比例放大电路放大倍数范围为1～10；低通滤波器的上限频率为100Hz；锂电池电源模块充电后可供下位机在现场不依赖220V交流电源长时间工作。

光纤6主要功能是实现上位机与下位机之间的通信、数据传输和电气绝缘隔离。采用多模光纤，纤芯直径为62.5μm，包层外径为125μm。

USB/光纤转换器7主要功能是实现光纤与上位机之间光电信号转换，以便通信和数据传输。采用光纤ST插座和B型USB接头，支持RS-232/485/422模式通信，通信速率最高为115.2kbps。

上位机8主要功能是实现整个在线检测过程中参数设置、测试数据处理分析、波形显示、数据记录、报告生成和人机交互。采用工业笔记本电脑架构；安装有测试软件，采用图形化编程软件LabVIEW编写；内置有大容量锂电池，充电后可在现场不依赖220V交流电源长时间工作。

参见图1、2、4，辅助接地线与断路器组件1串联在电缆线路金属护层接地线引出端和接地极之间；感应电压拾取探头2中的1只与金属护层接地引出线相连，另1只与接地极相连，分别通过传输导线与下位机5相连；负载电流传感器3和接地电流传感器4分别套装在电缆本体和电缆金属护层接地引出线上，通过传输导线分别与下位机5相连；下位机5将负载电流传感器1和接地电流传感器2耦合到的电流信号转换为电压信号，先进行调理放大；将感应电压拾取探头3检测到的电压信号先进行线性衰减，然后将三种信号进行模数转换，接着进行光电转换，最后通过光纤6与USB/光纤转换器7输出至上位机8；USB/光纤转换器7一侧通过光纤ST插座与光纤6相连，另一侧通过USB接头与上位机8相连。

参见图2，当线路采用两端直接接地方式，感应电压在线检测方法为：依次断开线路一侧的A、B、C三相电缆终端金属护层接地引出线，测量金属护层引出线断点与接地极之间的电压差，即金属护层非接地侧感应电压值。将感应电压拾取探头2通过传输导线与下位机5相连，将下位机5通过光纤6、USB/光纤转换器7与上位机8相连；依次在A、B、C三相电缆终端金属护层接地引出线断开之前，在金属护层与接地极之间并联辅助接地线与断路器组件1，并保持断路器闭合；将感应电压拾取探头2依次夹在A、B、C三相电缆金属护层接地引出线和接地极上，断开金属护层接地引出线与接地极之间的连接，将断路器由闭合状态切换到断开状态；用上位机5中测试软件控制下位机6依次进行A、B、C三相电缆金属护层感应电压在线检测，以及数据记录。

参见图3，当线路采用一端直接接地，一端经护层保护器接地的方式，感应电压在线检测方法为：在线路保护接地端依次直接测量的A、B、C三相电缆终端金属护层引出线和接地极之间的电压差。将感应电压拾取探头2通过传输导线与下位机5相连，将下位机5通过光纤6、USB/光纤转换器7与上位机8相连；将感应电压拾取探头2依次夹在A、B、C三相电缆金属护层接地引出线和接地极上；用上位机8中测试软件控制下位机5依次进行A、B、C三相电缆金属护层感应电压在线检测，以及数据记录。

参加图4，感应环流在线检测方法为：同步测量线路A、B、C三相每一相电缆的负载电流和接地电流，根据被测电缆结构参数计算出电缆线路的容性电流幅值大小(圆形导体单位长度电容计算公式为C₀＝2πε₀ε/ln(D_ins/d_c)，电容电流假设接地电流与容性电流之间相位差为180°关系，阻性泄漏电流忽略不计，从而可求出感应环流的最大幅值；假设接地电流与容性电流之间相位差为0°关系，阻性泄漏电流忽略不计，从而可求出感应环流的最小幅值。将负载电流传感器3与接地电流传感器4分别通过传输导线与下位机5相连，将下位机5通过光纤6、USB/光纤转换器7与上位机8相连；将3只负载电流传感器3分别套装在A、B、C三相电缆本体上；将3只接地电流传感器4分别套装在A、B、C三相电缆金属护层接地引出线上；用上位机8中测试软件控制下位机进行感应环流在线检测，以及数据记录。

参加图5，中高压单芯交联电缆金属护层感应电压与环流在线检测装置中测试软件采用图形化编程开发工具LabVIEW编写，实现检测过程中参数设置、测试数据分析处理、波形显示、数据记录、报告生成和人机交互等功能。测试软件分为参数设置、信息录入、测量、数据保存、生成报告、理论计算6个功能模块。其中，参数设置模块主要是完成对数据采集单元的参数设置，譬如采样速率、采样长度、触发选择、输入量程、校准系数等；信息录入模块主要是完成测试前电缆线路相关信息的录入；测量模块主要是控制下位机5完成感应电压与感应环流在线检测全过程；数据保存模块主要是将在线检测过程中的有关数据及波形保存在上位机存储介质上；生成报告模块主要是检测完成后，生成基于word文档的检测报告，并将检测数据及波形嵌入到报告中相应位置；理论计算模块主要是完成综合被测电缆线路结构、长度、敷设方式等参数进行感应电压与环流理论计算分析，以便与实际检测值进行比对。

感应电压在线检测步骤：

第一步骤：将感应电压拾取探头通过传输导线与下位机相连，将下位机通过光纤、USB/光纤转换器与上位机相连；

第二步骤：对于线路采用两端直接接地方式，在A相电缆终端金属护层接地引出线断开之前，在金属护层与接地极之间并联辅助接地线与断路器组件，并保持断路器闭合；

第三步骤：对于线路采用两端直接接地方式，将感应电压拾取探头分别夹在A相电缆金属护层接地引出线和接地极上，断开金属护层接地引出线与接地极之间的连接，将断路器由闭合状态切换到断开状态；对于线路采用一端直接接地，一端经护层保护器接地方式，将感应电压拾取探头直接夹在A相电缆保护接地侧金属护层引出线和接地极上；

第四步骤：用上位机中测试软件控制下位机进行感应电压在线检测，及数据记录。

第五步骤：在B相与C相电缆上重复步骤二至四。

感应环流在线检测步骤：

第一步骤：将负载电流传感器与接地电流传感器分别通过传输导线与下位机相连，将下位机通过光纤、USB/光纤转换器与上位机相连；

第二步骤：将3只负载电流传感器分别套装在A、B、C三相电缆本体上；

第三步骤：将3只接地电流传感器分别套装在A、B、C三相电缆金属护层接地引出线上；

第四步骤：用上位机中测试软件控制下位机进行感应环流在线检测，以及数据记录。

本发明的现场验证：

将本发明的装置在上海市电力公司市东电缆工区管辖的6座变电站内9条35kV630mm²单芯交联电力电缆线路上进行金属护层感应电压和感应环流现场在线检测。通过现场在线检测发现，线路乙的A、C相金属护层环流值异常，存在多点接地的可能；导体负载电流达到载流量的30％至50％时，线路甲、乙、丙的金属护层感应电压将超过标准规定值50V。现场在线检测表明本发行装置可以有效地在现场检测中高压单芯交联电缆线路的金属护层感应电压与环流。

以上内容是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅局限于此，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测方法，技术核心包括感应电压在线检测方法和感应环流在线检测方法，其特征在于：

感应环流在线检测方法：采取同步测量线路A、B、C三相每一相电缆的负载电流和接地电流的方法，根据被测电缆结构参数计算出电缆线路的容性电流幅值大小，电容电流

假设接地电流与容性电流之间相位差为180°关系，阻性泄漏电流忽略不计，从而可求出感应环流的最大幅值；假设接地电流与容性电流之间相位差为0°关系，阻性泄漏电流忽略不计，从而可求出感应环流的最小幅值。

2.中高压单芯交联电缆感应电压与环流在线检测装置，按照信号与数据流从前到后的关系，依次包括：辅助接地线与断路器组件、感应电压拾取探头、负载电流传感器、接地电流传感器、下位机、光纤、USB/光纤转换器与上位机，其特征在于：辅助接地线与断路器组件串联在电缆线路金属护层接地线引出端和接地极之间；感应电压拾取探头中一只与金属护层接地引出线相连，另一只与接地极相连，上述两只感应电压拾取探头分别通过传输导线与下位机相连；负载电流传感器和接地电流传感器分别套装在电缆本体和电缆金属护层接地引出线上，分别通过传输导线与下位机相连；USB/光纤转换器一侧与光纤相连，另一侧通过USB接头与上位机相连。