CN103792467A - 一种高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，主要包括：对交叉互联接地方式连线图进行建模，建立电缆交叉互联接地电流计算的数学模型：利用电缆交叉互联接地电流计算的数学模型进行编程后，对电缆护套接地电流进行计算；基于电缆护套接地电流的计算结果，分析高压电缆护套接地电流；基于高压电缆护套接地电流的分析结果，分析接地电流系统故障。本发明所述高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，可以克服现有技术中适用范围小、精度低和使用不方便等缺陷，以实现适用范围大、精度高和使用方便的优点。

Description

一种高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法

技术领域

本发明涉及电缆维护技术领域，具体地，涉及一种高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法。

背景技术

随着城市的发展，110 kV 及以上单芯高压电力电缆应用的数量急剧增加，电缆负荷日益增大，大量单芯电缆的运行所带来的电缆金属护套接地电流问题越来越受到人们的关注。为了降低电缆护套上的感应电压，使之不会过大，工程中要将电缆护套分段接地，以限制感应电压的大小。但是，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接地电流，这将对电缆输电线路带来两大主要危害，因此，高压电缆金属护套必须采用正确的接地方式，确保将环流减至最小，满足正常运行要求。

通过研究分析高压电缆金属护套接地电流与其接地方式、排列方式、负荷状态以及运行状态的关系，建立单芯电缆护套接地电流计算的数学模型，使用 Visual Basic 编制相应程序，从而根据已知的电缆基本参数和排列情况就可以计算出电缆护套接地电流的大小，为高压电缆的运行监测提供理论依据和参考数据。因此，单芯高压电缆接地系统状态评价策略研究的软件实现也是非常可行的。

目前，抑制电缆护套感应电压的方法主要为电缆护套接地。常见的接地方式主要有三种，即单端接地、双端接地和交叉互联接地。目前，国内外的单芯高压电力电缆均广泛采用三段式交叉互联接地方式。

同时，根据以上三种连接方式又衍生出来许多改进型的连接方式，如分段交叉互联、改进型分段交叉互联、连续型交叉互联和混合型系统，这些都是基于交叉互联接地方式的连接。 

现阶段对于交联聚乙烯电缆的研究，特别是对其金属护套接地电流的研究还很不深入，存在着许多局限性：电力电缆线路长度较短，一般都在1公里左右；金属护层感应电压和环流的计算主要用于电缆施工而不是电缆故障的判别；双端接地和单端接地系统研究较多，对常用的交叉互联接地的数学模型建立和分析较少。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在适用范围小、精度低和使用不方便等缺陷。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，以实现适用范围大、精度高和使用方便的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，主要包括：

a、对交叉互联接地方式连线图进行建模，建立电缆交叉互联接地电流计算的数学模型：

b、利用电缆交叉互联接地电流计算的数学模型进行编程后，对电缆护套接地电流进行计算；

c、基于电缆护套接地电流的计算结果，分析高压电缆护套接地电流；

d、基于高压电缆护套接地电流的分析结果，分析接地电流系统故障。

进一步地，在步骤d之后，还包括：

e、基于接地电流系统故障的分析结果，建立状态评价策略。

进一步地，在步骤e中，所述状态评价策略具体包括：

在A、B、C相接地电流之间的大小趋势与软件的电流计算值相对应，断定该电缆的接地系统处于正常工作状态。

进一步地，在步骤a中，进行建模时，需全面考虑所有影响单芯电缆金属护套接地电流的主要因素，主要包括电缆护套的首末端接地电阻、三相护套各自的自阻抗、大地漏电阻、电缆线芯负荷电流引起的护套感应电压以及护套接地电流和大地漏电流引起的护套感应电压，忽略不重要因素；确立数学模型中等值电路的各个参数及其影响因素和物理意义；

建立不同类型电缆故障、接地方式、线路类型情况下接地电流监测分析的关联模型，其中电缆故障主要分析了电缆单相短路故障、电缆外绝缘破损、交叉互联换位失败故障以及交叉互联箱进水故障，接地方式包括单端接地、双端接地和交叉互联接地。

进一步地，在步骤b中，具体包括：

建立单端接地和交叉互联接地的电路模型；

采用Visual Basic对计算进行编程。

进一步地，所述采用Visual Basic对计算进行编程的操作，具体包括：

设置两种电缆护套材料，确定程序中所有已知参数以及其单位、取值范围；

在程序中设置一些中间变量，以观察已知参数变化时的各个中间变量的变化情况；

根据以下推导公式，利用 Visual Basic 编制高斯消元法的程序解，最后求得电缆护套接地电流的幅值：

和

；

其中，参数上角标为“'”的表示该参数的实部，参数上角标为“''”的表示该参数的虚部。

进一步地，电缆护套材质为铅护套，内外径分别为107mm、111mm；电缆为110KV和220KV电缆；试验电压频率45~65Hz；试验电压幅值768kV。

进一步地，在步骤c中，对高压电缆护套接地电流的分析结果，主要包括：

高压电缆采用交叉互联方式进行敷设时，金属护层上承受的电压小于等电缆长度下采用水平排列方式进行敷设时的电压值；

交叉互联方式下的感应电压最大值出现在交叉互联换位处；

如果采用品字形排列时，交叉互联三段长度相等，则三个交叉互联段上感应出来的电压向量合为零，金属护层上没有接地电流流过。

进一步地，在步骤d中，所述分析接地电流系统故障的操作，具体包括：

工程中电缆常常出现的故障主要有四种，分别为电缆单相短路故障、电缆绝缘护层破坏、交叉互联换位失败和交叉互联箱进水；

电缆单相短路主要分为两种情况，一种情况为电缆引出的架空线或者站内线路发生短路，另一种情况为电缆主绝缘击穿以后造成的电缆交叉互联段内的单相短路；

根据三相电缆护套接地电流的突然增大判断电缆在该线路上可能发生的单相短路故障；根据电缆线路某个交叉互联段内接地电流的增大情况来判断该交叉互联段内发生的外绝缘破坏故障。

本发明各实施例的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，由于主要包括：对交叉互联接地方式连线图进行建模，建立电缆交叉互联接地电流计算的数学模型：利用电缆交叉互联接地电流计算的数学模型进行编程后，对电缆护套接地电流进行计算；基于电缆护套接地电流的计算结果，分析高压电缆护套接地电流；基于高压电缆护套接地电流的分析结果，分析接地电流系统故障；可以对电缆故障及其种类进行检测，以便能及时采取相应措施，排除线路故障；从而可以克服现有技术中适用范围小、精度低和使用不方便的缺陷，以实现适用范围大、精度高和使用方便的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法中交叉互联接地示意图； 

图2为本发明高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法中接地保护电流计算程序图；

图3为本发明高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法中电缆护套接地的等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

传统方法研究的电力电缆线路长度较短，一般都在1公里左右；而电缆长度一般很长，需要研究出一种测量长线路电缆接地电流的方案；建立不同类型电缆故障、接地方式、线路类型情况下接地电流监测分析的关联模型；采用 Visual Basic编写工频状态下，故障状态下接地电流计算程序，完全开发出接地电流中所包含的信息量；通过理论计算，并与实际数据进行对比分析，确立接地系统状态评价策略。

根据本发明实施例，如图1-图3所示，提供了一种高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，可以对电缆故障及其种类进行检测，以便能及时采取相应措施，排除线路故障。

本实施例的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，主要包括：建立单芯电缆护套接地电流计算的数学模型；分析高压电缆金属护套感应接地电流与其接地方式、排列方式、负荷状态以及运行状态的关系；分析了当高压电缆采用单端接地方式的电压特性，双端接地方式下的电压和电流特性，水平排列与品字形排列下交叉互联接地方式的电压和电流特性；编制相应的程序，以实现护套接地电流的计算；分析了交叉互联换位失败、交叉互联箱进水、PVC护套破损和换位同轴电缆断裂四种故障状态下的接地电流特征，通过接地电流监测值与计算值的比较，实现对接地系统故障的诊断；确立接地电流绝对值和相对值（接地电流/负荷电流）相结合的接地系统状态评价策略，为高压电缆的运行监测提供理论依据和参考数据。

具体地，本实施例的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，主要包括以下步骤：

⑴建立单芯高压电缆金属护套接地电流计算的数学模型；

进行建模时，需全面考虑所有影响单芯电缆金属护套接地电流的主要因素，忽略不重要因素，确立数学模型中等值电路的各个参数及其影响因素和物理意义；

建立不同类型电缆故障、接地方式、线路类型情况下接地电流监测分析的关联模型，其中电缆故障主要分析了电缆单相短路故障、电缆外绝缘破损、交叉互联换位失败故障以及交叉互联箱进水故障，接地方式包括单端接地、双端接地和交叉互联接地，本发明主要研究交叉互联接地方式，电缆线路排列主要有品字排列和水平排列；

⑵分析高压电缆金属护套接地电流与其接地方式、排列方式、负荷状态以及运行状态的关系；

分析高压电缆金属护套感应接地电流与其接地方式、排列方式、负荷状态以及运行状态的关系；分析了当高压电缆采用单端接地方式的电压特性，双端接地方式下的电压和电流特性，水平排列与品字形排列下交叉互联接地方式的电压和电流特性；

分析了交叉互联换位失败、交叉互联箱进水、PVC护套破损和换位同轴电缆断裂四种故障状态下的接地电流特征，通过接地电流监测值与计算值的比较，实现对接地系统故障的诊断；

分析典型故障状态下的接地电流的变化情况，其中交叉互联换位失败时某一相的接地电流值较小，另两相的接地电流值为最小相接地电流值的6倍以上，交叉互联箱进水情况下三相接地电流值趋于相等，均大于接地电流的计算值，若金属护层破损，破损相的接地电流值偏大5安培左右，其他相的接地电流值正常，同轴电缆断裂则某一相的接地电流值变小，另两相的接地电流值正常；

双端接地方式与采用单端接地相比，金属护层上的电压很小，但是电缆护套上的最大接地电流达到接近 200A，几乎达到负荷电流的 1/5；

三段交叉互联连接方式在每小段长度为 300m，负荷电流分别为 129A，253A，品字形排列交叉互联接地三段等长时，三相接地电流总和均为0，水平排列交叉互联三个小段单独作用下三相电流向量之和不再为零，A相电流的不平衡电流最大，B相和C相的不平衡电流相等，而且处于相当小的水平上；

⑶编制相应的程序，以实现金属护套接地电流的计算；

建立单端接地和交叉互联接地的电路模型；

采用 Visual Basic 对计算进行编程，程序具有友好的人机界面和操作简便、扩展性强等特点；

电缆护套材质为铅护套，内外径分别为 107 mm、111 mm；电缆为110KV和220KV电缆；使用 Visual Basic 编写软件；试验电压频率45~65Hz；试验电压幅值768kV；

⑷确立接地电流绝对值和相对值（接地电流/负荷电流）相结合的接地系统状态评价策略，如下面的表1所示，为高压电缆的运行监测提供理论依据和参考数据。

也就是说，上述实施例的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，主要包括以下几个方面：

⑴建立电缆交叉互联接地的数学模型：对交叉互联接地方式连线图进行建模，全面考虑所有影响单芯。

电缆金属护套接地电流的主要因素，忽略不重要因素，确立数学模型中等值电路的各个参数及其影响因素和物理意义。对各段的电势、电感、电阻进行数学上的简化，将分布参数简化为集总参数，绘制交出互联回路的等效电路图。在忽略了一些工程上的次要因素的前提下，等效电路与原实际模型是完全等效的，因此使用等效电路图进行计算出来的结果与原实际模型数据应基本相同，从而从定性和定量的角度来刻画实际模型，并为解决现实问题提供精确的数据或可靠的指导。

⑵编写相应程序：

利用电缆护套接地电流的计算模型，对电缆护套接地电流进行理论计算，其工作量太大，而且变化参数众多，是计算更加繁琐，且不易对各个参数的变化进行对比。因此，必须编制相关程序，利用计算机进行计算是最好的方法。本发明使用 Visual Basic. NET 编制程序界面，具有操作简便以及性界面友好性的优点。

首先，设置两种电缆护套材料，确定程序中所有已知参数以及其单位、取值范围等；其次，程序设置了一些中间变量，以观察已知参数变化时的各个中间变量的变化情况；最后，根据推导公式，利用 Visual Basic 编制高斯消元法的程序解，最后求得电缆护套接地电流的幅值。

⑶高压电缆护套接地电流分析：

为了节约高压电缆敷设空间，我国主要采用金属护层换位，电缆线芯不换位的交叉互联方式。因此较单端接地和双端接地方式而言，交叉互联接地方式可以有效地减小和抑制金属护套接地电流、感应电压，减小电缆的附加损耗，延长电缆的使用寿命。

在三段等长的大品字形排列和小品字形排列下，A相、B 相和 C 相的电流总和为零。因为交叉换位达到了电流的平衡，从而能够抑制金属护层接地电流。

通过对高压电缆护套分析可得出以下结论：高压电缆采用交叉互联方式进行敷设时，金属护层上承受的电压小于等电缆长度下采用水平排列方式进行敷设时的电压值。交叉互联方式下的感应电压最大值出现在交叉互联换位处。如果采用品字形排列时，交叉互联三段长度相等，则三个交叉互联段上感应出来的电压向量合为零，金属护层上没有接地电流流过。

⑷接地电流系统故障分析：

上述实施例的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，基于电缆护套接地电流，针对工程中主要出现的故障问题，分析故障状态下电缆护套接地电流的变化情况。工程中电缆常常出现的故障主要有四种，分别为电缆单相短路故障、电缆绝缘护层破坏、交叉互联换位失败和交叉互联箱进水。

电缆单相短路主要分为两种情况，一种情况为电缆引出的架空线或者站内线路发生短路，另一种情况为电缆主绝缘击穿以后造成的电缆交叉互联段内的单相短路，可以根据三相电缆护套接地电流的突然增大判断电缆在该线路上有可能发生了单相短路故障；可以根据电缆线路某个交叉互联段内接地电流的增大情况来判断该交叉互联段内发生了外绝缘破坏故障；如出现一条线路内，一个交叉互联段内电缆护套接地电流偏大，而其余交出互联段的接地电流正常的情况，即有可能交叉互联接线错误；交叉互联箱进水故障等效为两端接地的连接方式，造成电缆护套接地电流的增大，增大了功率损耗。

⑸状态评价策略：

由于电缆排列方式参数采集过程中，电缆间距的变化、长度计算时的偏差，以及考虑到电容电流的因素，不能以绝对值的大小作为评价电缆接地系统正常的标准。只要在 ABC 相接地电流之间的大小趋势与软件的电流计算值相对应，基本就可以断定该电缆的接地系统是正常工作的。经过总结分析，得出不同的接地系统故障对应的接地电流特征，如表1所示。

表1：高压电缆接地电流评价策略

 。

上述实施例的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，主要通过建立单芯电缆护套接地电流计算的数学模型、分析四种故障状态下的接地电流特征、对接地电流监测值与计算值进行比较、实现对接地系统故障的诊断、以及接地系统状态评价策略，至少可以达到以下有益效果：

⑴该高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法对现在工程中应用最为广泛的交叉互联接地系统进行了深入的研究，系统介绍了交叉互联接地方式下电缆护套接地电流的计算模型及其中各个参数，逐步推导出电缆护套接地电流的计算求解方法，并编制相应的计算程序，从而大大减小了人工计算的计算量、缩短了计算时间；

⑵该高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法中的分析方法和计算程序及故障分析，对于今后电缆改扩建工程中验算设计的段长和排列情况是否合理、制定合理的电缆段长和排列方案、预先控制护套接地电流、及时判断故障类型、避免重大的安全隐患，将起到重要的指导作用。

本发明上述各实施例的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，经过甘肃电力公司的使用和试运行，能够及时发现线路运行故障，以便迅速采取措施，对电缆进行维修，通过对不同故障进行测试，验证本发明技术方案的有效性和可行性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，主要包括：

a、对交叉互联接地方式连线图进行建模，建立电缆交叉互联接地电流计算的数学模型：

b、利用电缆交叉互联接地电流计算的数学模型进行编程后，对电缆护套接地电流进行计算；

c、基于电缆护套接地电流的计算结果，分析高压电缆护套接地电流；

d、基于高压电缆护套接地电流的分析结果，分析接地电流系统故障。

2.根据权利要求1所述的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，在步骤d之后，还包括：

e、基于接地电流系统故障的分析结果，建立状态评价策略。

3.根据权利要求2所述的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，在步骤e中，所述状态评价策略具体包括：

在A、B、C相接地电流之间的大小趋势与软件的电流计算值相对应，断定该电缆的接地系统处于正常工作状态。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，在步骤a中，进行建模时，需全面考虑所有影响单芯电缆金属护套接地电流的主要因素，主要包括电缆护套的首末端接地电阻、三相护套各自的自阻抗、大地漏电阻、电缆线芯负荷电流引起的护套感应电压以及护套接地电流和大地漏电流引起的护套感应电压，确立数学模型中等值电路的各个参数及其影响因素和物理意义；

建立不同类型电缆故障、接地方式、线路类型情况下接地电流监测分析的关联模型，其中电缆故障主要分析了电缆单相短路故障、电缆外绝缘破损、交叉互联换位失败故障以及交叉互联箱进水故障，接地方式包括单端接地、双端接地和交叉互联接地。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，在步骤b中，具体包括：

建立单端接地和交叉互联接地的电路模型；

采用Visual Basic对计算进行编程。

6.根据权利要求5所述的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，所述采用Visual Basic对计算进行编程的操作，具体包括：

设置两种电缆护套材料，确定程序中所有已知参数以及其单位、取值范围；

在程序中设置一些中间变量，以观察已知参数变化时的各个中间变量的变化情况；

根据以下推导公式，利用 Visual Basic 编制高斯消元法的程序解，最后求得电缆护套接地电流的幅值：

和

；

其中，参数上角标为“'”的表示该参数的实部，参数上角标为“''”的表示该参数的虚部。

7.根据权利要求6所述的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，电缆护套材质为铅护套，内外径分别为107mm、111mm；电缆为110KV和220KV电缆；试验电压频率45~65Hz；试验电压幅值768kV。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，在步骤c中，对高压电缆护套接地电流的分析结果，主要包括：

高压电缆采用交叉互联方式进行敷设时，金属护层上承受的电压小于等电缆长度下采用水平排列方式进行敷设时的电压值；

交叉互联方式下的感应电压最大值出现在交叉互联换位处；

如果采用品字形排列时，交叉互联三段长度相等，则三个交叉互联段上感应出来的电压向量合为零，金属护层上没有接地电流流过。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的高压交联聚乙烯电缆接地电流机理与故障分析方法，其特征在于，在步骤d中，所述分析接地电流系统故障的操作，具体包括：

工程中电缆常常出现的故障主要有四种，分别为电缆单相短路故障、电缆绝缘护层破坏、交叉互联换位失败和交叉互联箱进水；

电缆单相短路主要分为两种情况，一种情况为电缆引出的架空线或者站内线路发生短路，另一种情况为电缆主绝缘击穿以后造成的电缆交叉互联段内的单相短路；

根据三相电缆护套接地电流的突然增大判断电缆在该线路上可能发生的单相短路故障；根据电缆线路某个交叉互联段内接地电流的增大情况来判断该交叉互联段内发生的外绝缘破坏故障。

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