CN110596538B - 电力电缆电气参数的计算方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力电缆电气参数的计算方法和系统。电力电缆电气参数的计算方法包括：获取电力电缆首端电压、首端电流、末端电压和末端电流；根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电导和单位长度的等效电容，以及电缆线芯单位长度的等效电阻和单位长度的等效电感。根据本发明技术方案，通过对电力电缆两终端电压信号和电流信号的在线监测，可以得到电缆正常运行下的电气参数，与传统计算方法相比不需要电缆的尺寸参数，并且得到的电缆电气参数的实际运行参数，比传统理论计算得到的电气参数准确度要高。

Description

电力电缆电气参数的计算方法和系统

技术领域

本发明涉及电力电缆技术领域，尤其涉及一种电力电缆电气参数的计算方法和系统。

背景技术

电力电缆承担着电能输送的重任，在电缆投入使用后，会受到电场、机械、热以及环境等因素的影响，这些因素的共同作用，容易引起电缆绝缘的故障。一旦电缆绝缘发生故障，电力能源的正常供应将会出现极大的安全隐患。大量的电缆运行经验表明，电缆线路故障是引发电网事故的重要原因。如何快速准确地发现故障、确定故障位置是电力电缆维护所面临的重要课题。传统的电缆故障定位，常采用的是停电检查和单端信息测距的方式，利用电缆线路本身的保护系统来判断故障区域，然后由运维人员通过试验设备进行电缆故障性质的判断和定位，这不仅增加了运行维护人员的工作流程和难度，也延长了电缆故障定位所需要的时间。

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)电力电缆凭借具有良好的绝缘性能、机械性能、热性能及供电可靠性高等优点，已被广泛地应用于电力系统的各个电压等级输配电网络中，成为构成城市供电和主网架的重要环节，并在逐渐向高压、超高压的领域发展。XLPE电缆在投入运行的不同时期会发生不同类型的线路故障，例如因受到外力破坏而导致电缆绝缘受损、电缆附件界面处发生放电、电缆绝缘老化等引起的线路故障等。高电压、长距离的电力电缆采用的是单芯电缆，电缆线芯与金属护层之间可看作是一个空心变压器，线芯相当于变压器的一次绕组，金属护层相当于变压器的二次绕组。当交流电流通过电缆线芯时，会在线芯周围产生交变的磁场，由电磁感应定律可知，金属导体在交变磁场中产生感应电流和感应电动势，因此金属护层中会感应出电压，当其与大地之间构成回路时，护层中就会有感应电流流过。金属护层中的感应电压与电缆长度成正比，当母线上的电流很大时，电缆的金属护层上感应出的电压值也会很大，这样高数值的电压对电缆绝缘的正常工作带来了极大的风险。因此，当电力电缆长度在1000米以上时，常采用金属护层交叉互联的连接方式来抵消金属护层中的感应电压，如图1XLPE电缆N个金属护层交叉互联单元标准接线示意图所示。

目前，电力电缆绝缘的在线监测方法主要有直流分量法、直流叠加法、交流叠加法、接地电流法、局部放电法和损耗因数法等。直流分量法是指在外加交流电源的情况下，如果在运行中的XLPE电缆绝缘产生了水树枝，由于水树枝具有“整流作用”，使得流过电缆绝缘的电流中含有一个微弱的直流电流分量(一般为nA级以上)，通过检测这一微弱的直流电流分量对电缆绝缘状况进行评估；由于现制造工艺上的改进，目前XLPE电缆均采用干式交联法，在高电压等级的电缆线路中，水树枝而引起的绝缘故障已不多见，只有在长期潮湿环境下的电缆会在其半导体层的缺陷处引发水树枝，该方法不适用于初期投运的电缆，对运行较长时间的电缆仍然适用。

直流叠加法是指在电缆所接电压互感器的中性点，或是使用其他方法将一低压直流电源叠加到正在运行的电缆线芯上，用灵敏度较高的电流表测量流过电缆绝缘的直流泄漏电流或是测量电缆的绝缘电阻来对电缆绝缘状况进行评估。

交流叠加法是指将一个频率为工频频率2倍加1Hz的交流电压叠加到正在运行的电缆上，通过检测此时电缆中±1Hz劣化信号的强弱来判断电缆绝缘的状况。由于在高压线路中三相中性点通常是直接接地，无法在电缆线芯上叠加直流、交流电源，因此直流叠加法、低频叠加法和交流叠加法也不适用。

局部放电法是评价电力电缆绝缘状况的最佳方法，电缆绝缘老化的起点是由杂质、气隙、凸起毛刺等缺陷引起的，在电场、热、机械、化学等因素的共同作用下以局部放电、树枝老化等形式表现出来，但最终以电树枝的形式导致电缆绝缘的击穿，XLPE电缆绝缘在树枝老化过程中会产生不同频率的局部放电信号，但是电缆的局部放电信号微弱、波形复杂多变难以区分，因此工程中难以实现现场的在线监测。

接地电流法是指利用电流互感器测量流过电缆接地线的电流，通过接地线中电流是否呈增大趋势来判断电缆绝缘状态，但在金属护层交叉互联下接电线上的电流几乎为零，因此接地电流法也不适用。

损耗因数(tanδ)法是利用电流互感器和电压互感器分别将流过电缆绝缘的电流和施加于电缆上的电压测量出来，再通过数字化测量装置测出电缆绝缘tanδ值；但由于XLPE绝缘tanδ值一般都很小，使得方法不易被采用。

传统计算电力电缆电气参数是通过电缆尺寸参数(如横截面积、导体直径以及绝缘厚度等)根据经验公式进行计算，计算时存在较大的误差。此外，现如今社会经济高速发展，即便停电检查时间很短，也可能造成极大的经济损失。若能够尽可能早地发现电缆故障点，并及时对故障点采取措施，将会大大降低故障所造成的损失，为电力系统安全可靠运行提供保障。因此，实现电力电缆的实时在线监测和故障定位意义重大。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不意图确定本发明的关键或重要部分，也不意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种电力电缆电气参数的计算方法和系统。具体地，电力电缆电气参数的计算方法包括：获取电力电缆首端电压、首端电流、末端电压和末端电流；根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电导和单位长度的等效电容，以及电缆线芯单位长度的等效电阻和单位长度的等效电感。

进一步地，根据下式计算单位长度的等效电导和等效电容：

根据下式计算单位长度的等效电阻和等效电感：

其中，G₀是电力电缆主绝缘单位长度的等效电导，C₀是单位长度的等效电容，R₀是电缆线芯单位长度的等效电阻，且L₀是单位长度的等效电感，

分别表示电缆首端的电压值和电流值，

分别表示电缆末端的电压值和电流值，l是电缆长度的一半。

根据本发明另一方面，还提供一种电力电缆电气参数的计算系统，包括：数据获取模块，用于获取电力电缆首端电压、首端电流、末端电压和末端电流；等效电导计算模块，用于根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电导；等效电容计算模块，用于根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电容；等效电阻计算模块，用于根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电缆线芯单位长度的等效电阻；等效电感计算模块，用于根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电缆线芯单位长度的等效电感。

进一步地，等效电导计算模块和等效电容计算模块根据下式计算单位长度的等效电导和等效电容：

等效电阻计算模块和等效电感计算模块根据下式计算单位长度的等效电阻和等效电感：

其中，G₀是电力电缆主绝缘单位长度的等效电导，C₀是单位长度的等效电容，R₀是电缆线芯单位长度的等效电阻，且L₀是单位长度的等效电感，

分别表示电缆首端的电压值和电流值，

分别表示电缆末端的电压值和电流值，l是电缆长度的一半。

进一步地，数据获取模块包括：布置在电力电缆首端和末端的电流互感器，布置在电力电缆首端和末端接地箱中的同轴电缆上的电流互感器；布置在电力电缆本体的首端和末端的电压互感器。

进一步地，等效电导计算模块、等效电容计算模块、等效电阻计算模块和等效电感计算模块集成在上位机中。

本发明方案提出了一种电力电缆电气参数的计算方法和系统，其通过对电力电缆两终端电压信号和电流信号的在线监测，可以得到电缆正常运行下的电气参数，与传统计算方法相比不需要电缆的尺寸参数，并且得到的电缆电气参数的实际运行参数，比传统理论计算得到的电气参数准确度要高(传统理论计算电缆电气参数需要电缆的尺寸参数信息，并且存在计算误差。)。根据电缆主绝缘电气参数的变化可以实现对电缆运行状态的在线监测，对保证电力电缆的安全运行对整个电力系统、国民经济的发展具有着重要意义。

另外，根据本发明技术方案，选取电缆两端电压的相量和的一半作为参考电压计算电缆的电气参数时，计算结果不受负载电流的影响。

本发明的技术方案适用于任何电压等级、任意长度的电力电缆，且不论金属护层交叉互联与否均适用。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。其中：

图1示出了XLPE电缆N个金属护层交叉互联单元的标准接线示意图。

图2示出了根据本发明实施方式的电力电缆电气参数的计算方法的示意性流程图。

图3示出了三相电缆标准交叉互联单元接线示意图。

图4示出了三相电缆交叉互联的等效分布参数模型。

图5示出了根据本发明实施方式的电力电缆电气参数的计算系统的示意性框图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

根据本发明技术方案，提供一种电力电缆参数的计算方法，该方法通过对电缆首末端电压和首末端线芯电流的瞬时值进行监测，通过公式推导得到电缆正常运行情况下的电气参数，包括电力电缆主绝缘单位长度的等效电导G₀和单位长度的等效电容C₀，电缆线芯单位长度的等效电阻R₀和单位长度的等效电感L₀，再根据电缆长度得到整个电缆的电气参数，即电缆主绝缘的等效电导G和等效电容C，电缆线芯的等效电阻R和等效电感L。

具体地，该方法包括：获取电力电缆首端电压、首端电流、末端电压和末端电流；根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电导和单位长度的等效电容，以及电缆线芯单位长度的等效电阻和单位长度的等效电感。

图2示出了该方法的示意性流程图。如图2所示，该方法包括步骤：

S210，获取电力电缆首端电压、首端电流、末端电压和末端电流。

图3示出了三相电缆标准交叉互联单元的接线示意图。以图3所示为例来描述本发明。在电缆首端和末端、以及在两终端的接地箱中的同轴电缆上安装有电流互感器(current transformer，CT)，在电缆终端安装有电压互感器(potential transformer，PT)。以A相电缆为例，设电流参考方向如图3所示，四个电流传感器的电流值与电缆首端线芯电流

末端线芯电流

有如下关系式：

则A相电缆首、末端线芯电流可表示为：

这样，通过安装4个电流传感器，经由上式可得到A相电缆首、末端线芯电流

和

而电缆首末段的电压可通过安装在线缆终端的电压互感器来得到。

S220，根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电导和单位长度的等效电容，以及电缆线芯单位长度的等效电阻和单位长度的等效电感。

根据本发明实施方式，对电缆电气参数的公式推导过程如下。

如图4所示建立三相电缆交叉互联等效分布参数模型。图4中：R₀为电缆线芯单位长度的等效电阻，单位为Ω/m；L₀为电缆线芯单位长度的等效电感，单位为H/m；G₀为电缆主绝缘单位长度的等效电导，单位为S/m；C₀为单位长度电缆主绝缘的等效电容，单位为F/m。

以三相电缆的A相为例，假设电缆全长为2l，γ表示电缆的传播系数，Z_c表示波阻抗，在电缆长度内的任意一点x的电压和电流为

和

对于x点任意一点根据基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律，在不考虑同步误差和电压误差的情况下，可推导出：

γ为电缆的传播系数；Z_c为波阻抗，

将式(2)代入式(1)可得：

若已知电缆首端的电压和线芯电流，解(3)式并利用双曲线函数改写可得：

同理，若已知电缆末端的电压和线芯电流，解(3)式并利用双曲线函数改写可得：

根据式(4)，电缆长度为2l，可得到用电缆首端电压、电流表示的电缆末端电压、电流。此时，电缆首、末两端的电压差可表示为：

根据式(5)，令x＝0，可得到用电缆末端电压、电流表示电缆首端的电压、电流。此时可得到电缆首、末两端的电压差可表示为：

联立式(6)和式(7)可得：

同理可以得到用电缆首端电压和电流表示首、末两端的电流差为：

以及得到用电缆末端电压和电流表示首、末两端的电流差为：

联立式(9)和式(10)可得：

将式(8)与(11)相乘并整理可得到电缆波阻抗Z_c的表达式为：

由式(12)可以看出，电缆波阻抗Z_c可以根据首末端电压和首末端线芯电流值计算得到。再将式(12)代入到式(8)中，可得电缆传播系数γ的表达式为：

由式(13)可以看出，电缆的传播系数γ亦可通过电缆首、末两端电压和电流的测量值计算得到，l为电缆总长度的一半。

根据式(2)，可得电力电缆单位长度线芯阻抗Z₀及电缆主绝缘的导纳Y₀：

进而可以得到电力电缆主绝缘单位长度的等效电导G₀和单位长度的等效电容C₀，见式(15)；电缆线芯单位长度的等效电阻R₀和单位长度的等效电感L₀，见式(16)：

再根据电缆长度得到整个电缆的电气参数，即电力电缆主绝缘的等效电导：G＝2l·G₀，等效电容C＝2l·C₀，电缆线芯的等效电阻R＝2l·R₀，等效电感L＝2l·L₀。同理根据以上叙述可获得B、C相电缆的电气参数。

根据本发明技术方案，利用阻性电流和泄漏电流之间的变化关系，对长距离交叉互联电力电缆各相任一小段电缆绝缘状况进行在线监测。该方法主要解决了三个问题：第一，从流过电缆绝缘的泄漏电流中分离阻性电流的问题；第二，长距离电力电缆存在电压降的问题。取施加在每相电缆两终端电压相量和的一半作为参考电压，对电缆绝缘阻抗进行计算时，其结果不受流过电缆负载电流变化的影响；证明了从流过长距离电缆主绝缘的泄漏电流中分离出阻性电流的可行性。

根据本发明另一实施方式，还提供一种电力电缆电气参数的计算系统，如图5所示，该系统包括：

数据获取模块510，用于获取电力电缆首端电压、首端电流、末端电压和末端电流；

等效电导计算模块520，用于根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电导；

等效电容计算模块530，用于根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电容；

等效电阻计算模块540，用于根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电缆线芯单位长度的等效电阻；

等效电感计算模块550，用于根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流计算电缆线芯单位长度的等效电感。

图3示出了本发明的电力电缆电气参数的计算系统的一个具体实现方式。如图3所示，分别在每相电缆的两终端及两终端接地箱中的同轴电缆上安装电流互感器(currenttransformer，CT)CT1-12，在电缆终端安装有电压互感器(potential transformer，PT)，作为数据获取模块510的具体示例。

将采集得到的电流、电压信号通过无线数据传输(GPRS)传输给上位机，在上位机中集成有等效电导计算模块、等效电容计算模块、等效电阻计算模块和等效电感计算模块。在图3中为求简洁未示出该部件。上位机中各模块进行计算的步骤可参考以上关于方法实施方式的描述。

还可以在电缆本体的首末端及两端接地箱内分别安装GPS模块，这样能够实现对电流、电压信号瞬时值的测量，具体如下：通过GPS天线接收卫星发送的时间信息，并将同步秒脉冲信号传送给微处理器，由微处理器产生同步采样信号启动电力电缆两端的A/D转换芯片同时进行采样，然后再将采集到的数据通过无线数据传输GPRS进行无线信号传输。

这样就可以使本发明所提出的方法得到具体实施，从而实现了对电力电缆电气参数的计算及掌握对电缆运行状况。

故此，根据本发明又一实施方式，还提供一种电力电缆电气参数的计算系统，其包括如上所述的数据获取模块(比如电流互感器、电压互感器)、GPS模块、微处理器、A/D转换单元、上位机。

最后应说明的是：以上实施例仅用以示例性说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明及本发明带来的有益效果进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求的范围。

Claims (1)

1.一种电力电缆电气参数的计算方法，其特征在于，包括：

步骤210获取电力电缆首端电压、首端电流、末端电压和末端电流

在电缆首端和末端、以及在两终端的接地箱中的同轴电缆上安装电流互感器，在电缆终端安装电压互感器，四个电流传感器的电流值与电缆首端线芯电流

末端线芯电流

有如下关系式：

则A相电缆首、末端线芯电流可表示为：

通过安装四个电流传感器，经由上式可得到电缆首、末端线芯电流

和

电缆首末段的电压可通过安装在线缆终端的电压互感器来得到；

步骤220根据获取的首端电压、首端电流、末端电压和末端电流，计算电力电缆主绝缘单位长度的等效电导和单位长度的等效电容，以及电缆线芯单位长度的等效电阻和单位长度的等效电感；

根据下式计算单位长度的等效电导和等效电容：

根据下式计算单位长度的等效电阻和等效电感：

其中，G₀是电力电缆主绝缘单位长度的等效电导，C₀是单位长度的等效电容，R₀是电缆线芯单位长度的等效电阻，且L₀是单位长度的等效电感，

分别表示电缆首端的电压值和电流值，

分别表示电缆末端的电压值和电流值，l是电缆长度的一半。

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