CN113296020A - 一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统和方法,涉及电缆监测技术领域,电缆上设置有电缆护层和接头,接头数量≥0且为整数,当所述接头为零时,电缆护层的一端通过接地开关接地,另一端通过一电流传感器后接地;当电缆护层上的接头为1时,所述电缆护层的两端接地,所述接头通过电流传感器后接地;当电缆护层上的接头>1时,电缆护层的一端通过接地开关接地,另一端通过电流传感器后接地,所有接头均通过电流传感器后接地。本发明能够实时监测电缆中的泄漏电流,计算介质损耗,成本较低,且能够避免停电。
Description
技术领域
本发明涉及电缆监测技术领域,具体涉及一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统和方法。
背景技术
XLPE(Cross-linked Polyethylene,交联聚乙烯)电缆由于具有绝缘强度高、介电损耗系数小、敷设容易、运行维护简单的优点,被广泛应用于电力系统的输电线路和配电网,成为未来电缆发展的主流。
电缆在使用中,由于电场产生的热效应、机械应力、化学腐蚀和环境条件等多重因素的影响,导致电缆的绝缘质量逐渐下降,严重时绝缘性能被损坏,出现漏电、放电等情况,绝缘性能被损坏后的电缆在使用时比较危险,难以正常运行。
目前为了提高电缆运行的安全可靠性,通常定期对电缆进行绝缘预防性试验,即在断电的情况下对电缆进行高电压试验,该试验存在以下局限性:a、预防性试验一般是在断电情况下进行,但是,断电不仅会影响电力用户,而且会损坏电力系统,是电力系统极力避免的现象;b、预防性试验需要对全部电缆进行高电压试验,对电缆进行高电压试验会加速电缆绝缘的老化,缩短电缆的使用寿命;c、检修需要大量的专业人员来完成,成本较高。
随着XLPE电力电缆的广泛使用,XLPE电力电缆绝缘在线监测技术获得了快速发展,目前投入的在线运行监测系统为XLPE电力电缆的老化发展过程提供了大量的监测结果,丰富了对电缆缺陷和老化的判据,并且针对交联电缆系统劣化发展趋势,结合监测结果的综合分析,尝试开展了对XLPE电力电缆本体绝缘及其附件老化的残余寿命评估。
介质损耗不仅可以反映电缆绝缘整体老化情况,还可以作为电缆绝缘状态监测的重要参量,目前主要采用离线方式测量电缆介质损耗:包括利用固体绝缘介质中外加直流电压后产生的充电电流来推导介质损耗、利用改进的西林电桥法来测量介质损耗角或者用可忽略损耗角的已知电容作为参考电容,但是离线测量精度高,但停电、拆卸安装等过程会增加运维成本。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统和方法,能够实时监测电缆中的泄漏电流,计算介质损耗,成本较低,且能够避免停电。
为达到以上目的,本发明采取的技术方案是:
一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统,电缆上设置有电缆护层和接头,接头数量≥0且为整数,
当所述接头为零时,电缆护层的一端通过接地开关接地,另一端通过一电流传感器后接地;
当电缆护层上的接头为1时,所述电缆护层的两端接地,所述接头通过电流传感器后接地;
当电缆护层上的接头>1时,电缆护层的一端通过接地开关接地,另一端通过电流传感器后接地,所有接头均通过电流传感器后接地。
进一步的,当所述电缆长度小于100m时,所述电缆护层的一端通过相互并联的第一接地开关和第一接地保护器接地,另一端通过第一接地箱接地,所述接地电缆护层位于第一接地箱内的一端设置有三个第一电流传感器,所述第一电流传感器用于检测三相电缆的泄漏电流:I1a、I1b、I1c。
进一步的,当100m≤电缆长度≤500m时,所述电缆护层的一端通过第二接地保护器接地,另一端通过第二接地箱接地,所述接地电缆护层位于第二接地箱内的一端设置有三个第二电流传感器,所述第二电流传感器用于检测三相电缆的泄漏电流:I2a、I2b、I2c。
进一步的,当500m≤电缆长度≤1000m时,所述电缆上设置有一接头,所述电缆护层的两端分别通过相应的第三接地保护器接地,所述接头通过第三接地箱接地,第三接地箱内设置有三个第三电流传感器。
进一步的,当所述电缆长度>1000m时,为XLPE电缆,每根电缆均通过两个中间接头均分为三段:每段分别为Ai、Bi、Ci相,i=1,2,3,,共9段,电缆护层的一端通过相互并联的第二接地开关和第四接地保护器接地,另一端通过第四接地箱接地,所述第四接地箱内设置有三个第四电流传感器,位于交叉点的接头通过第五电流传感器和第四接头保护器后接地,第五电流传感器和第四接头保护器均设置在相应的交叉互联箱内。
一种系统实时监测电缆中泄漏电流的方法,包括以下步骤:
当所述电缆长度小于100m时:选择电路负荷较小的情况下,断开所有第一接地开关,此时,电缆护层一端通过第一接地箱接地,不能与大地构成回路,电缆护层中只有泄漏电流流过,第一电流传感器的测量值等于泄漏电流,该接地方式下,泄漏电流的计算公式一为:
IA=I1a、IB=I1b、IC=I1c……公式一
当所述100m≤电缆长度≤500m时,电缆护层通过第二接地箱的一端接地,此时,电缆护层一端通过第二接地箱接地,不能与大地构成回路,电缆护层中只有泄漏电流流过,第二电流传感器的测量值就等于泄漏电流,该接地方式下,泄漏电流的计算公式二为:
IA=I2a、IB=I2b、IC=I2c……公式二
当500m≤电缆长度≤1000m时,电缆护层(2)两端分别通过第三接地保护器(10)接地,直通接头通过第三电流传感器接地,所采集的电流为相应泄漏电流I3a、I3b、I3c,该接地方式下,泄漏电流的计算公式三为:
IA=IA1+IA2=I3a、IB=IB1+IB2=I3b、IC=IC1+IC2=I3c……公式三
当电缆长度>1000m时,选择电路负荷较小的情况下,断开第二接地开关,电缆护层中的环流因不能与大地构成回路,电缆的电缆护层中只有泄漏电流流过,所以当用第四电流传感器、第五电流传感器测量的电流值就等于泄漏电流:I4a、I4b、I4c、I4d、I4e、I4f;I5a、I5b、I5c;
A1、B1、C1相中的泄漏电流IA1=I4a、IB1=I4b、IC1=I4c……公式四;
A2、B2、C2相中的泄漏电流IA2=I4d-I4c、IB2=I4e-I4a、IC2=I4f-I4b……公式五;
A3、B3、C3相中的泄漏电流IA3=I5c-I4f、IB3=I5b-I4d、IC3=I5a-I4e……公式六。
进一步的,通过电压相位与电流相位的角度差计算得到,具体参见公式七:
其中,δ表示电缆的介质损耗角,θU表示电缆的参考电压相位,θI表示电缆所测量的电流相位,γ表示测量误差;
在电缆实际运行的过程中,电力电缆的三相电压可视为三相对称,设UA=U∠0°,则此时有UB=U∠-120°,UC=U∠120°,此时三相电压的相角差满足│θUi-θUj│=120°,i,j=A,B,C;i≠j;
γA=γB=γC时,相间相对介损角差满足公式八:
其中,电压相角差为定值,满足公式九:
故电流相角差满足公式十:
当δi>δj时,i相比j相电缆的老化程度大;当δi=δj时,i相与j相电缆老化程度相同;当δi<δj时,i相比j相电缆的老化程度小。
一种实时监测电缆中介质损耗的方法,其特征在于:
通过电压相位与电流相位的角度差计算得到,具体参见公式七:
其中,δ表示电缆的介质损耗角,θU表示电缆的参考电压相位,θI表示电缆所测量的电流相位,γ表示测量误差;
在电缆实际运行的过程中,电力电缆的三相电压可视为三相对称,设UA=U∠0°,则此时有UB=U∠-120°,UC=U∠120°,此时三相电压的相角差满足│θUi-θUj│=120°,i,j=A,B,C;i≠j;
γA=γB=γC时,相间相对介损角差满足公式八:
其中,电压相角差为定值,满足公式九:
故电流相角差满足公式十:
当δi>δj时,i相比j相电缆的老化程度大;当δi=δj时,i相与j相电缆老化程度相同;当δi<δj时,i相比j相电缆的老化程度小。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明中的一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统,通过在电缆护层接地一端加装接地开关和电缆护层接地保护器,在测量电缆泄漏电流时,断开接地开关,测量得到泄漏电流,并通过相间泄漏电流矢量差即可判断电缆的相对介质损耗变化情况;采用这种通过接地开关的泄漏电流分离测量及相对介损的判定方式,规避了电流传感器的测量误差、电缆护层接地环流以及环境的影响,能有效判断出各相电缆绝缘的相对老化程度,保障电缆的安全可靠运行。
附图说明
图1为本发明实施例中短电缆线路的实时监测系统结构示意图;
图2为本发明实施例中长度小于500m电缆线路的实时监测系统结构示意图;
图3为本发明实施例中长度为500~1000m电缆线路的实时监测系统结构示意图;
图4为本发明实施例中长度大于1000m电缆线路的实时监测系统结构示意图;
图5为本发明实施例中电缆三相电流电压向量图。
图中:1-芯体,2-电缆护层,3-第一接地开关,4-第一接地保护器,5-第一接地箱,6-第一电流传感器,7-第二接地保护器,8-第二接地箱,9-第二电流传感器,10-第三接地保护器,11-第三接地箱,12-第三电流传感器,13-第二接地开关,14-第四接地保护器,15-第四接地箱,16-第四电流传感器,17-第五电流传感器,18-第四接头保护器,19-交叉互联箱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
在进行电压输送时,通常由三相电缆(A、B、C)输送,每根电缆均包括芯体1,芯体1的外部包覆有电缆护层2,电缆护层2具有导电性能。
由于应用场合不相同,电缆的长度和接地方式不同:a、针对利用小时低、裕度大、负载小,长度小于100米的短电缆线路,电缆护层2的一端通过接地开关并联接地保护器的形式接地,另一端直接接地;b、当电缆长度为100~500m,且感应电压值在安全限值范围内时(≤50V),电缆护层2的一端通过接地保护器接地直接接地,另一端直接接地;c、当电缆长度为500~1000m时,电缆中间部位直接接地,且接地点需安装一个直通接头;d、当电缆长度大于1000m时,电缆采用交叉互联的连接方式,每根电缆被划分为3段(共3根电缆),每段分别为Ai、Bi、Ci相(i=1,2,3),共9段,位于端部的电缆护层2一端直接接地,另一端通过接地开关并联接地保护器的形式接地,位于交叉点的电缆护层2交叉互联并通过接地保护器接地。
本发明实施例提供一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统,与电缆护层2和接头配合,接头数量≥0且为整数,电缆护层2的一端通过接地开关并联接地保护器后接地;
参见图1和图2所示,当电缆护层2上的接头为零时,电缆护层2的一端通过接地箱接地,且接地箱内每相电缆护层2均加装有电流传感器;
当电缆护层2上的接头为1时,电缆护层2的两端通过接地保护器接地,接头通过直接接地箱接地,接地箱中每相电缆护层2都加装有电流传感器。
当电缆护层2上的接头>1时,电缆护层2的一端通过接地开关接地,另一端通过电流传感器后接地,所有接头均通过电流传感器后接地。
具体的:
参见图1所示,针对短电缆线路(≤100m),所述电缆护层2的一端通过相互并联的第一接地开关3和第一接地保护器4接地,另一端通过第一接地箱5接地,所述接地电缆护层2位于第一接地箱5内的一端设置有三个第一电流传感器6,所述第一电流传感器6用于检测三相电缆的泄漏电流:I1a、I1b、I1c。
选择线路负荷较小时进行检测:断开所有第一接地开关3,此时,电缆护层2一端通过第一接地箱5接地,不能与大地构成回路,电缆护层2中只有泄漏电流流过,第一电流传感器6的测量值等于泄漏电流,该接地方式下,泄漏电流的计算公式一为:
IA=I1a、IB=I1b、IC=I1c……公式一
参见图2所示,针对长度大于100m,小于500m的电缆线路,所述电缆护层2的一端通过第二接地保护器7接地,另一端通过第二接地箱8接地,所述接地电缆护层2位于第二接地箱8内的一端设置有三个第二电流传感器9,所述第二电流传感器9用于检测三相电缆的泄漏电流:I2a、I2b、I2c。
使通过第二接地箱8的一端接地,此时,电缆护层2一端通过第二接地箱8接地,不能与大地构成回路,电缆护层2中只有泄漏电流流过,第二电流传感器9的测量值就等于泄漏电流,该接地方式下,泄漏电流的计算公式二为:
IA=I2a、IB=I2b、IC=I2c……公式二
参见图3所示,针对长度为500~1000m,所述电缆护层2的两端分别通过相应的第三接地保护器10接地,直通接头通过第三接地箱11接地,第三接地箱11内设置有三个第三电流传感器12,所述第三电流传感器12用于直通接头与大地之间的电流。
电缆护层2两端与地面断开,直通接头通过第三电流传感器12接地,所采集的电流为相应泄漏电流I3a、I3b、I3c。
该接地方式下,泄漏电流的计算公式三为:
IA=IA1+IA2=I3a、IB=IB1+IB2=I3b、IC=IC1+IC2=I3c……公式三
参见图4所示,针对交叉互联电缆(电缆长度>1000)
由于XLPE电缆采用交叉互联的连接方式,因此电缆护层2中的电流包含交叉互联各小段电缆的泄漏电流以及3段长度不同时感应电压所产生的环流,由于中间接头引出线为同轴电缆,同轴电缆的芯线和护层分别连接接头两端高压电缆的金属护层,因此同轴电缆上测量的电流信号是2个不同护层回路的电流矢量叠加信号。
本实施例中,每根电缆均通过两个中间接头均分为三段:每段分别为Ai、Bi、Ci相(i=1,2,3),共9段,位于端部的电缆护层2直接接地,电缆一端的电缆护层2通过相互并联的第二接地开关13和第四接地保护器14接地,另一端通过第四接地箱15接地,第四接地箱15内设置有三个第四电流传感器16,位于交叉点的接头通过第五电流传感器17和第四接头保护器18后接地,第五电流传感器17和第四接头保护器18均设置在相应的交叉互联箱19内接头处的金属护层通过同轴电缆连接到交叉互联箱19内并在交叉互联箱19内中完成金属护层交叉互联换位。
当线路负荷较小时,断开第二接地开关13,电缆护层2中的环流因不能与大地构成回路,电缆的电缆护层2中只有泄漏电流流过,所以当用第四电流传感器16、第五电流传感器17测量的电流值就等于泄漏电流:I4a、I4b、I4c、I4d、I4e、I4f;I5a、I5b、I5c。
A1、B1、C1相中的泄漏电流IA1=I4a、IB1=I4b、IC1=I4c……公式四
A2、B2、C2相中的泄漏电流IA2=I4d-I4c、IB2=I4e-I4a、IC2=I4f-I4b……公式五
A3、B3、C3相中的泄漏电流IA3=I5c-I4f、IB3=I5b-I4d、IC3=I5a-I4e……公式六
通过公式四至六的计算可以得到长距离交叉互联电缆接地系统中每小段电缆的泄漏电流,由于没有护层环流的干扰,可以得到高精确度的泄漏电流值。
本发明还提供一种实时监测电缆中介质损耗的方法,具体的:
根据每段电缆泄漏矢量值,计算比较三相电缆泄漏电流之间的相角关系,以此来判断电缆相间相对介损情况,判断电缆相间的相对老化关系,计算过程如下:
传统电缆的介质损耗角一般是通过电压相位与电流相位的角度差计算得到,具体参见公式七:
其中,δ表示电缆的介质损耗角,θU表示电缆的参考电压相位,θI表示电缆所测量的电流相位,γ表示测量误差,主要包含了电流传感器的测量误差以及电缆自身特性等硬件误差的影响。
在电缆实际运行的过程中,电力电缆的三相电压可视为三相对称,设UA=U∠0°,则此时有UB=U∠-120°,UC=U∠120°,此时三相电压的相角差满足│θUi-θUj│=120°(i,j=A,B,C;i≠j)。
参见图5所示,为电缆的三相电流电压向量图,针对某一段三相电缆,每相电缆的长度以及其绝缘材料均相同,故各相电缆的绝缘特性相同,且在同时进行传感器电流信号采集过程中,由于运行条件一致,故装置引起的测量误差一致,即此时有γA=γB=γC,当采用相间相对介损角差的方法进行测量时,能规避硬件误差γ的影响。
因此,相间相对介损角差满足公式八:
其中,电压相角差为定值,满足公式九:
故电流相角差满足公式十:
当δi>δj时,i相比j相电缆的老化程度大;当δi=δj时,i相与j相电缆老化程度相同;当δi<δj时,i相比j相电缆的老化程度小。
由此可知,利用相间泄漏电流的相角差确立的电缆老化程度如表1和表2所示。
表1基于泄漏电流相角差的相间相对老化程度判断
表2基于泄漏电流相角差的相间相对老化程度判断
在实际应用中,电缆电流的泄漏电流相角差的测量精度问题,在上述分析基础上建立基于泄漏电流矢量差的电缆相间相对老化程度的判断依据,即当│ΔIij│≥│ΔIik│≥│ΔIjk│(i,j,k=A,B,C;i≠j≠k)时,i相电缆相对老化程度最大。
通过在电缆护层接地一端加装接地开关和电缆护层接地保护器,在测量电缆泄漏电流时,断开接地开关,测量得到泄漏电流,并通过相间泄漏电流矢量差即可判断电缆的相对介质损耗变化情况。
采用这种通过接地开关的泄漏电流分离测量及相对介损的判定方式,规避了电流传感器的测量误差、电缆护层接地环流以及环境的影响,能有效判断出各相电缆绝缘的相对老化程度,保障电缆的安全可靠运行。
本发明不仅局限于上述最佳实施方式,任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品,但不论在其形状或结构上作任何变化,凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案,均在其保护范围之内。
Claims (7)
1.一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统,电缆上设置有电缆护层(2)和接头,接头数量≥0且为整数,其特征在于:
当所述接头为零时,电缆护层(2)的一端通过接地开关接地,另一端通过一电流传感器后接地;
当电缆护层(2)上的接头为1时,所述电缆护层(2)的两端接地,所述接头通过电流传感器后接地;
当电缆护层(2)上的接头>1时,电缆护层(2)的一端通过接地开关接地,另一端通过电流传感器后接地,所有接头均通过电流传感器后接地。
2.如权利要求1所述的一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统,其特征在于:当所述电缆长度小于100m时,所述电缆护层(2)的一端通过相互并联的第一接地开关(3)和第一接地保护器(4)接地,另一端通过第一接地箱(5)接地,所述接地电缆护层(2)位于第一接地箱(5)内的一端设置有三个第一电流传感器(6),所述第一电流传感器(6)用于检测三相电缆的泄漏电流:I1a、I1b、I1c。
3.如权利要求2所述的一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统,其特征在于:当100m≤电缆长度≤500m时,所述电缆护层(2)的一端通过第二接地保护器(7)接地,另一端通过第二接地箱(8)接地,所述接地电缆护层(2)位于第二接地箱(8)内的一端设置有三个第二电流传感器(9),所述第二电流传感器(9)用于检测三相电缆的泄漏电流:I2a、I2b、I2c。
4.如权利要求3所述的一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统,其特征在于:当500m≤电缆长度≤1000m时,所述电缆上设置有一接头,所述电缆护层(2)的两端分别通过相应的第三接地保护器(10)接地,所述接头通过第三接地箱(11)接地,第三接地箱(11)内设置有三个第三电流传感器(12)。
5.如权利要求4所述的一种实时监测电缆中泄漏电流及介质损耗的系统,其特征在于:当所述电缆长度>1000m时,为XLPE电缆,每根电缆均通过两个中间接头均分为三段:每段分别为Ai、Bi、Ci相,i=1,2,3,,共9段,电缆护层(2)的一端通过相互并联的第二接地开关(13)和第四接地保护器(14)接地,另一端通过第四接地箱(15)接地,所述第四接地箱(15)内设置有三个第四电流传感器(16),位于交叉点的接头通过第五电流传感器(17)和第四接头保护器(18)后接地,第五电流传感器(17)和第四接头保护器(18)均设置在相应的交叉互联箱(19)内。
6.一种基于权利要求5所述系统实时监测电缆中泄漏电流的方法,其特征在于,包括以下步骤:
当所述电缆长度小于100m时:选择电路负荷较小的情况下,断开所有第一接地开关(3),此时,电缆护层(2)一端通过第一接地箱(5)接地,不能与大地构成回路,电缆护层(2)中只有泄漏电流流过,第一电流传感器(6)的测量值等于泄漏电流,该接地方式下,泄漏电流的计算公式一为:
IA=I1a、IB=I1b、IC=I1c……公式一
当所述100m≤电缆长度≤500m时,电缆护层(2)通过第二接地箱(8)的一端接地,此时,电缆护层(2)一端通过第二接地箱(8)接地,不能与大地构成回路,电缆护层(2)中只有泄漏电流流过,第二电流传感器(9)的测量值就等于泄漏电流,该接地方式下,泄漏电流的计算公式二为:
IA=I2a、IB=I2b、IC=I2c……公式二
当500m≤电缆长度≤1000m时,电缆护层(2)两端分别通过第三接地保护器(10)接地,直通接头通过第三电流传感器(12)接地,所采集的电流为相应泄漏电流I3a、I3b、I3c,该接地方式下,泄漏电流的计算公式三为:
IA=IA1+IA2=I3a、IB=IB1+IB2=I3b、IC=IC1+IC2=I3c……公式三
当电缆长度>1000m时,选择电路负荷较小的情况下,断开第二接地开关(13),电缆护层(2)中的环流因不能与大地构成回路,电缆的电缆护层(2)中只有泄漏电流流过,所以当用第四电流传感器(16)、第五电流传感器(17)测量的电流值就等于泄漏电流:I4a、I4b、I4c、I4d、I4e、I4f;I5a、I5b、I5c;
A1、B1、C1相中的泄漏电流IA1=I4a、IB1=I4b、IC1=I4c……公式四;
A2、B2、C2相中的泄漏电流IA2=I4d-I4c、IB2=I4e-I4a、IC2=I4f-I4b……公式五;
A3、B3、C3相中的泄漏电流IA3=I5c-I4f、IB3=I5b-I4d、IC3=I5a-I4e……公式六。
7.一种基于权利要求5所述系统实时监测电缆中介质损耗的方法,其特征在于:
通过电压相位与电流相位的角度差计算得到,具体参见公式七:
其中,δ表示电缆的介质损耗角,θU表示电缆的参考电压相位,θI表示电缆所测量的电流相位,γ表示测量误差;
在电缆实际运行的过程中,电力电缆的三相电压可视为三相对称,设UA=U∠0°,则此时有UB=U∠-120°,UC=U∠120°,此时三相电压的相角差满足│θUi-θUj│=120°,i,j=A,B,C;i≠j;
γA=γB=γC时,相间相对介损角差满足公式八:
其中,电压相角差为定值,满足公式九:
故电流相角差满足公式十:
当δi>δj时,i相比j相电缆的老化程度大;当δi=δj时,i相与j相电缆老化程度相同;当δi<δj时,i相比j相电缆的老化程度小。
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