CN103698653B - 基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单芯电力电缆护套接地故障检测领域，特别涉及一种基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统及方法，将针对单端接地、双端接地和交叉互联接地三种接地方式下的电缆护套进行环流检测，首先对电缆各种接地箱进行加装开关元件的改造使得每种接地方式在测量时都能方便安全地转换为单端接地方式，然后在此状态下测量护套环流值，根据单端接地方式下的故障护套环流回路的电路理论模型和实验数据得到在不同故障接地点下的环流特性，进而进行故障判断并定位，整个过程检测简单，计算量小，可以在线检测。

Description

基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种单芯电力电缆护套接地故障检测领域，特别涉及一种基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统及方法。

背景技术

单芯结构的电缆，从电磁学原理上这将必然引起金属护套上出现感应电压，如果接地方式不当，此感应电压会在金属护套上形成很大的感应电流，将导致电缆输送电力的能力大大降低，并引起金属护套发热使主绝缘降低，缩短电缆的正常运行寿命。国内部分电力运行部门根据经验制定了各自控制环流的标准，通常需要将环流控制在负荷电流的10％以内或10A以下。

一般对于短线路，金属护套应采用一端直接接地，另一端经过电压保护器接地；若线路稍长，第一种接地方式感应电势无法满足规范要求，水下电缆、输送容量较小的电缆等可采取在线路两端直接接地；对于长线路，金属护套应在绝缘接头处按规定的规则通过电缆交叉互连箱交叉换位，两终端直接接地。

以上三种单芯电缆金属护套的接地方式在运行中须至少一点可靠接地，但因电缆金属屏蔽层的外绝缘在铺设时机械损伤或运行时间长后遭化学腐蚀、老鼠和蚁虫的咬坏等造成金属护套多点接地，导致其环流迅速增大以致威胁人身安全、损害电缆绝缘、缩短电缆寿命及降低电缆输电能力。电缆金属护套多点接地故障的监测方法有测金属护套绝缘电阻法、离线下的脉冲法、直流高压闪络法和冲击高压闪络法等，但都不很理想且不能在线测量。环流法是通过监测电缆金属护套环流的变化判断其是否出现接地故障并可对单点故障进行定位，是在线测量方法。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种可以克服上述缺陷，可以进行电缆接地故障检测及定位的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统，包括a、b、c三相，a、b、c三相上分别设置多个护套，a、b、c三相的首端和末端接地，a、b、c三相的相邻护套通过引出线交叉互联，相邻护套引出线和铜端子之间串联电力开关设备后接地。

进一步地优选，a、b、c三相的末端分别通过开关k_a3、开关k_b3、开关k_c3接地。

进一步地优选，a相护套包括护套l_a1、护套l_a2和护套l_a3，b相护套包括护套l_b1、护套l_b2和护套l_b3，c相护套包括护套l_c1、护套l_c2和护套l_c3，a相护套l_a1的引出线与b相护套l_b2的引出线连接，a相护套l_a1的引出线通过开关k_b1和铜端子串联后接地，b相护套l_b1的引出线与c相护套护套l_c2的引出线连接，b相护套l_b1的引出线通过开关k_c1和铜端子串联后接地，c相护套l_c1的引出线与a相护套l_a1的引出线连接，c相护套l_c1的引出线通过开关k_a1和铜端子串联后接地。

所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测方法，包括以下步骤：

步骤一，对两端直接接地和交叉互联接地方式下的电缆的一端直接接地箱做如下处理：在电缆护套引出线和接线箱铜端子间串联电力开关类设备，平时开关闭合，护套在此可靠接地，当检测单芯电力电缆护套接地故障时，断开所有开关，护套引出线在此悬空，对单端接地方式下的电缆不做类似处理；

步骤二，对所有交叉互联保护接地箱做如下处理：在每个互层保护器上并联一个开关元件，平时开关断开，在检测单芯电力电缆护套接地故障的过程中有需要时，闭合开关，使相应交叉互联引出线可靠接地；

步骤三，使两端直接接地和交叉互联接地的其中一端接地端悬空，即可以在步骤一的基础上断开加装有开关的接地端，如此可以将三种接地方式的电缆的两端分为接地端和非接地端，并令电缆接地端为首端，非接地端为末端；

步骤四，在电缆接地端处测量各回各相首端护套环流值，并同时测量各回各相运行电流值；

步骤五，观察各相环流值，正常情况下，各相环流应接近于0，若某相出现环流较大情况，设该相为第n回x相，即该相首端护套环流I_snx1>0，可以判断该相护套及与其串联的护套存在接地故障，可以进而判断其故障位置，判断方式如下：

1)对于单端接地方式，包括一接地端悬空的双端接地方式，可以直接通过实验或仿真计算的方法找到在当前运行电流下的I_snx1与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置；

2)对于交叉互联接地方式需要做进一步的检测判断，对故障相护套及其串联护套共三段护套按由接地端到非接地端的顺序分别编号为l_nx1，l_nx2，l_nx3，其检测判断步骤如下：

A、在l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点测量l_nx2的环流I_snx2，若I_snx2≈0，则可判断故障点在l_nx1上，将护套l_nx1等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx1与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置，若I_snx2>0进入步骤B；

B、短接l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点的护套引出线和接地铜端子，使其可靠接地，设为新的接地端，重新测量此时l_nx2的环流I_snx2，并作记录，然后在l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点测量l_nx3的环流I_snx3，若I_snx3≈0，则可判断故障点在l_nx2上，将护套l_nx2等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx2与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置，若I_snx3>0进入步骤C；

C、此时以确定故障点在l_nx3上，短接l_nx2与l_nx3的交叉互联保护接地点的护套引出线和接地铜端子，使其可靠接地，设为新的接地端，重新测量此时l_nx3的环流I_snx3，并作记录，将护套l_nx3等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx3与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置。

所述的步骤五中所述的判断方式1)中的仿真计算方法如下：

A、先求出各回路电缆线芯运行电流在故障护套单位长度上产生的总的感应电动势E_s；

先求出某一编号为m的回路的线芯运行电流在故障护套单位长度上的感应电动势E_sm，设每回三相负载平衡，即I_ma+I_mb+I_mc＝0，该回各相线芯中心到故障护套中心的距离分别为D_sma、D_smb、D_smc，若a(或b、c)相线芯中心到故障护套中心的距离为0，则令D_sma(或D_smb、D_smc)＝R_S，其中R_S为护套外半径，那么E_sm求解方程如下：

E_sm＝jωμ/(2π)*[ln(D_sma/D_smb)I_mb+ln(D_sma/D_smc)I_mc]

同理，按上述方法可求出各回线芯运行电流在故障护套单位长度上的感应电动势，设总的回路数为M，则各回路电缆线芯运行电流在故障护套单位长度上产生的总的感应电动势：

$E_s=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{E}_{sm}$

B、测量并计算得到护套单位长度电阻值ρ_s和自电感L_s、大地等效单位长度漏阻ρ_e、接地端接地电阻值r₀、故障接地电阻值r_f；

C、设接地端到故障点的距离为l_f，通过如下关系式：

1/I_s＝(r₀+r_f)/E_s*l_f+(ρ_s+jωL_s+ρ_e)/E_s

得到l_f随故障护套环流I_s的变化规律，进而根据I_s求出l_f。

所述的步骤五中所述的判断方式1)中的实验方法如下：

A、选取具有代表性的实验护套，测量该护套上某稳定运行时段的线芯运行电流，进而求得线芯运行电流在故障护套单位长度上的感应电动势E_s值；

B、在该稳定运行时段，结合工程实际人为制造故障点处于不同l_f的护套接地故障情况，并采样其环流值I_s；

C、在测得不同的l_f及其对应的I_s后，对下式做参数估计：

1/I_s＝α/E_s*l_f+β/E_s

求得参数α与β后，已知I_s和E_s便可通过上式求得l_f。

本发明所具有的有益效果是：

所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统及方法将针对单端接地、双端接地和交叉互联接地三种接地方式下的电缆护套进行环流检测，首先对电缆各种接地箱进行加装开关元件的改造使得每种接地方式在测量时都能方便安全地转换为单端接地方式，然后在此状态下测量护套环流值，根据单端接地方式下的故障护套环流回路的电路理论模型和实验数据得到在不同故障接地点下的环流特性，进而进行故障判断并定位。整个过程检测简单，计算量小，属于在线检测，如果对该方法中所用的开关设备和CT进行“三遥”改造，可以实现单芯电力电缆护套接地故障状态的远程实时在线监测与定位。

附图说明

图1为本发明的交叉互联接地方式下的待测电缆示例图；

图2为本发明的示例电缆的护套l_a2的环流回路等效电路模型；

其中，l_a1、l_a2、l_a3、l_b1、l_b2、l_b3、l_c1、l_c2、l_c3、护套；k_a1、k_b1、k_c1、k_a2、k_b2、k_c2、k_a3、k_b3、k_c3、开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

如图1所示，本发明所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统，包括a、b、c三相，a、b、c三相上分别设置多个护套，a、b、c三相的首端和末端接地，a、b、c三相的相邻护套通过引出线交叉互联，相邻护套引出线和铜端子之间串联电力开关设备后接地。其中，a、b、c三相的末端分别通过开关k_a3、开关k_b3、开关k_c3接地。a相护套包括护套l_a1、护套l_a2和护套l_a3，b相护套包括护套l_b1、护套l_b2和护套l_b3，c相护套包括护套l_c1、护套l_c2和护套l_c3，a相护套l_a1的引出线与b相护套l_b2的引出线连接，a相护套l_a1的引出线通过开关k_b1和铜端子串联后接地，b相护套l_b1的引出线与c相护套护套l_c2的引出线连接，b相护套l_b1的引出线通过开关k_c1和铜端子串联后接地，c相护套l_c1的引出线与a相护套l_a1的引出线连接，c相护套l_c1的引出线通过开关k_a1和铜端子串联后接地。

本发明所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测方法，包括以下步骤：

步骤一，对两端直接接地和交叉互联接地方式下的电缆的一端直接接地箱做如下处理：在电缆护套引出线和接线箱铜端子间串联电力开关类设备，平时开关闭合，护套在此可靠接地，当检测单芯电力电缆护套接地故障时，断开所有开关，护套引出线在此悬空，对单端接地方式下的电缆不做类似处理；

步骤二，对所有交叉互联保护接地箱做如下处理：在每个互层保护器上并联一个开关元件，平时开关断开，在检测单芯电力电缆护套接地故障的过程中有需要时，闭合开关，使相应交叉互联引出线可靠接地；

步骤三，使两端直接接地和交叉互联接地的其中一端接地端悬空，即可以在步骤一的基础上断开加装有开关的接地端，如此可以将三种接地方式的电缆的两端分为接地端和非接地端，并令电缆接地端为首端，非接地端为末端；

步骤四，在电缆接地端处测量各回各相首端护套环流值，并同时测量各回各相运行电流值；

步骤五，观察各相环流值，正常情况下，各相环流应接近于0，若某相出现环流较大情况，设该相为第n回x相，即该相首端护套环流I_snx1>0，可以判断该相护套及与其串联的护套存在接地故障，可以进而判断其故障位置，判断方式如下：

1)对于单端接地方式，包括一接地端悬空的双端接地方式，可以直接通过实验或仿真计算的方法找到在当前运行电流下的I_snx1与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置；

2)对于交叉互联接地方式需要做进一步的检测判断，对故障相护套及其串联护套共三段护套按由接地端到非接地端的顺序分别编号为l_nx1，l_nx2，l_nx3，其检测判断步骤如下：

A、在l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点测量l_nx2的环流I_snx2，若I_snx2≈0，则可判断故障点在l_nx1上，将护套l_nx1等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx1与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置，若I_snx2>0进入步骤B；

B、短接l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点的护套引出线和接地铜端子，使其可靠接地，设为新的接地端，重新测量此时l_nx2的环流I_snx2，并作记录，然后在l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点测量l_nx3的环流I_snx3，若I_snx3≈0，则可判断故障点在l_nx2上，将护套l_nx2等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx2与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置，若I_snx3>0进入步骤C；

C、此时以确定故障点在l_nx3上，短接l_nx2与l_nx3的交叉互联保护接地点的护套引出线和接地铜端子，使其可靠接地，设为新的接地端，重新测量此时l_nx3的环流I_snx3，并作记录，将护套l_nx3等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx3与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置。

所述的步骤五中所述的判断方式1)中的仿真计算方法如下：

A、先求出各回路电缆线芯运行电流在故障护套单位长度上产生的总的感应电动势E_s；

B、测量并计算得到护套单位长度电阻值ρ_s和自电感L_s、大地等效单位长度漏阻ρ_e、接地端接地电阻值r₀、故障接地电阻值r_f；

C、设接地端到故障点的距离为l_f，通过如下关系式：

1/I_s＝(r₀+r_f)/E_s*l_f+(ρ_s+jωL_s+ρ_e)/E_s

得到l_f随故障护套环流I_s的变化规律，进而根据I_s求出l_f。

所述的步骤五中所述的判断方式1)中的实验方法如下：

A、选取具有代表性的实验护套，测量该护套上某稳定运行时段的线芯运行电流，进而求得线芯运行电流在故障护套单位长度上的感应电动势E_s值；

B、在该稳定运行时段，结合工程实际人为制造故障点处于不同l_f的护套接地故障情况，并采样其环流值I_s；

C、在测得不同的l_f及其对应的I_s后，对下式做参数估计：

1/I_s＝α/E_s*l_f+β/E_s

求得参数α与β后，已知I_s和E_s便可通过上式求得l_f。

实施例1：

以某存在护套接地故障的单回三相单芯电缆为例，如图1所示，检测步骤如下：

1、为电缆末端接地串联开关，平时保持闭合，为电缆交叉互联保护接地并联开关，平时保持断开，所有开关的编号如图1所示。

2、断开开关k_a3、k_b3、k_c3，分别通过护套l_a1、l_b1、l_c1在首端的引出线测量在护套l_a1、l_b1、l_c1上的电流I_sa1、I_sb1、I_sc1，观察三个电流值大小，发现其中I_sb1、I_sa1几乎等于0，I_sc1明显大于0，则可判断护套l_c1、l_a2、l_b3上可能存在接地故障。

3、通过l_a2与l_c1相连的引出线测量l_a2上的电流I_sa2，I_sa2明显大于0，说明故障点不在l_c1上。

4、闭合开关k_a1，再次测量l_a2上的电流I_sa2，并覆盖原记录。通过l_b3与l_a2相连的引出线测量l_b3上的电流I_sb3，I_sb3几乎等于0，说明故障点在l_a2上。

5、对此时的护套l_a2环流回路建立等效电路模型如图2所示，其等效电路模型与单端接地护套相同。

其中：

E_sb＝jωμ/(2π)*[ln(R_s/D_sab)I_b+ln(R_s/D_sac)I_c]

E_Sb为b相护套单位长度感应动势，I_a、I_b、I_c分别为a、b、c三相线芯电流，且I_a+I_b+I_c＝0，R_S为护套外半径，D_Sab为a相护套中心到b相线芯中心的距离，D_Sac为a相护套中心到c相线芯中心的距离。ρ_s为护套单位长度电阻值，L_s为自电感，ρ_e为大地等效单位长度漏阻，r₀为接地端接地电阻值，r_f为故障接地电阻值。

最终求得故障点到开关k_a1的距离：

l_f＝E_sa/(r₀I_sa2+r_fI_sa2)-(ρ_s+jωL_s+ρ_e)/(r₀+r_f)

本发明对电缆各种接地箱进行加装开关元件的改造使得每种接地方式在测量时都能方便安全地转换为单端接地方式，然后在此状态下测量护套环流值，根据单端接地方式下的故障护套环流回路的电路理论模型和实验数据得到在不同故障接地点下的环流特性，进而进行故障判断并定位。整个过程检测简单，计算量小，属于在线检测。

Claims (6)

1.一种基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统，包括a、b、c三相，其特征在于：a、b、c三相上分别设置多个护套，a、b、c三相的首端和末端接地，a、b、c三相的相邻护套通过引出线交叉互联，相邻护套引出线和对应的铜端子之间串联电力开关设备后接地。

2.根据权利要求1所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统，其特征在于：所述的a、b、c三相的末端分别通过开关k_a3、开关k_b3、开关k_c3接地。

3.根据权利要求1所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测系统，其特征在于：所述的a相护套包括护套l_a1、护套l_a2和护套l_a3，b相护套包括护套l_b1、护套l_b2和护套l_b3，c相护套包括护套l_c1、护套l_c2和护套l_c3，a相护套l_a1的引出线与b相护套l_b2的引出线连接，a相护套l_a1的引出线通过开关k_b1和铜端子串联后接地，b相护套l_b1的引出线与c相护套护套l_c2的引出线连接，b相护套l_b1的引出线通过开关k_c1和铜端子串联后接地，c相护套l_c1的引出线与a相护套l_a1的引出线连接，c相护套l_c1的引出线通过开关k_a1和铜端子串联后接地。

4.一种基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，两端直接接地和交叉互联接地方式下，对电缆一端直接接地箱做如下处理：在电缆护套引出线和接线箱铜端子间串联电力开关类设备，平时开关闭合，护套在此可靠接地，当检测单芯电力电缆护套接地故障时，断开所有开关，护套引出线在此悬空，对单端接地方式下的电缆不做类似处理；

步骤二，对所有交叉互联保护接地箱做如下处理：在每个互层保护器上并联一个开关元件，平时开关断开，在检测单芯电力电缆护套接地故障的过程中有需要时，闭合开关，使相应交叉互联引出线可靠接地；

步骤三，使两端直接接地和交叉互联接地的其中一端接地端悬空，即可以在步骤一的基础上断开加装有开关的接地端，如此可以将三种接地方式的电缆的两端分为接地端和非接地端，并令电缆接地端为首端，非接地端为末端；

步骤四，在电缆接地端处测量各回各相首端护套环流值，并同时测量各回各相运行电流值；

步骤五，观察各相环流值，正常情况下，各相环流应接近于0，若某相出现环流较大情况，设该相为第n回x相，即该相首端护套环流I_snx1>0，可以判断该相护套及与其串联的护套存在接地故障，可以进而判断其故障位置，判断方式如下：

1)对于单端接地方式，包括一接地端悬空的双端接地方式，可以直接通过实验或仿真计算的方法找到在当前运行电流下的I_snx1与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置；

2)对于交叉互联接地方式需要做进一步的检测判断，对故障相护套及其串联护套共三段护套按由接地端到非接地端的顺序分别编号为l_nx1，l_nx2，l_nx3，其检测判断步骤如下：

A、在l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点测量l_nx2的环流I_snx2，若I_snx2≈0，则可判断故障点在l_nx1上，将护套l_nx1等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx1与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置，若I_snx2>0进入步骤B；

B、短接l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点的护套引出线和接地铜端子，使其可靠接地，设为新的接地端，重新测量此时l_nx2的环流I_snx2，并作记录，然后在l_nx1与l_nx2的交叉互联保护接地点测量l_nx3的环流I_snx3，若I_snx3≈0，则可判断故障点在l_nx2上，将护套l_nx2等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx2与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置，若I_snx3>0进入步骤C；

C、此时以确定故障点在l_nx3上，短接l_nx2与l_nx3的交叉互联保护接地点的护套引出线和接地铜端子，使其可靠接地，设为新的接地端，重新测量此时l_nx3的环流I_snx3，并作记录，将护套l_nx3等效视为单端接地方式，按照判断方式1)，找到I_snx3与故障点到接地端的距离的关系进而判断故障点位置。

5.根据权利要求4所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测方法，其特征在于：所述的步骤五中所述的判断方式1)中的仿真计算方法如下：

A、先求出各回路电缆线芯运行电流在故障护套单位长度上产生的总的感应电动势E_s；

B、测量并计算得到护套单位长度电阻值ρ_s和自电感L_s、大地等效单位长度漏阻ρ_e、接地端接地电阻值r₀、故障接地电阻值r_f；

C、设接地端到故障点的距离为l_f，通过如下关系式：

1/I_s＝(r₀+r_f)/E_s*l_f+(ρ_s+jωL_s+ρ_e)/E_s

得到l_f随故障护套环流I_s的变化规律，进而根据I_s求出l_f。

6.根据权利要求4所述的基于环流测量的单芯电力电缆护套接地故障检测方法，其特征在于：所述的步骤五中所述的判断方式1)中的实验方法如下：

A、选取具有代表性的实验护套，测量该护套上某稳定运行时段的线芯运行电流，进而求得线芯运行电流在故障护套单位长度上的感应电动势E_s值；

B、在该稳定运行时段，结合工程实际人为制造故障点处于不同l_f的护套接地故障情况，并采样其环流值I_s；l_f：为接地端到故障点的距离；

C、在结合工程实际人为制造故障点获得不同的l_f及其对应的I_s后，对下式做参数估计：

1/I_s＝α/E_s*l_f+β/E_s

求得参数α与β后，已知I_s和E_s便可通过上式求得l_f。