高压电缆接地电流在线监测系统的设计与研究

高压电缆接地电流在线监测系统的设计与研究

范海同

中国电建集团青海省电力设计院有限公司 青海省西宁市 81008

摘要：近年来，随着城市化的发展，电力电缆在电力系统中，尤其是高压电缆受到广泛的应用。高压电缆外护套绝缘状态差、接地不良、接地方式不正确等因素引起接地电流异常，造成电缆局部发热、绝缘老化加速、绝缘击穿等故障，实施接地电流在线监测可在故障前及时发现电缆缺陷。该系统对电缆运行状态进行实时监测，准确发现电缆故障，对提高输电可靠性具有重要意义。

关键词：高压电缆；接地电流；在线监测；系统设计

引言

随着国家和社会的高速发展，对电力能源的需求日益剧增。负责电能输送的电网电路的安全保护措施也显得尤为重要。高压电缆安全监测措施是通过分析电缆运行电流、接地电流、环境温湿度等数据，及时发现高压电缆的安全隐患，并对高压电缆进行维修保养，避免高压电缆出现安全事故，造成重大经济损失。传统的高压电缆安全监测的主要方式为运维人员抵达高压电缆接地箱现场，对接地箱进行现场接地环流检测。但是对接地箱实践操作测量中存在安全隐患，如电缆接地箱安装在电缆井下时，电缆井内可能存在对人体有害的气体，以及运维人员下井可能被划伤与磕伤，而电缆接地箱安装在高压电线塔上时，也会有高空坠物或人员坠落的风险，并且由于需要人工对接线箱的环流进行单独检测，因此不能满足实时监测高压电缆运行情况的需求。为此，本文提出一种高压电缆运行参数在线监测报警系统，通过对高压电缆进行实时在线监测，免除传统运维人员现场检测工作，在时刻监测高压电缆运行情况，降低高压电缆发生事故风险的同时，也可保证运维检测人员人身安全，提高工作效率。

1电缆概况与接地环流理论分析

1.1电缆概况

高压单芯电缆结构由内到外分别是线芯、绝缘层、屏蔽层、保护层。电缆线芯是电缆用来传输电能的部分。绝缘层包覆在导体外，其作用是隔绝导体，保证电能的安全输送。屏蔽层位于绝缘层和外护层中间，起到了限制电场和电磁干扰的作用。对于不同类型的电缆，屏蔽材料也不一样，主要有铜丝编织、铝丝（铝镁合金丝）编织、钢丝、铜带、钢带等。保护层是在电缆绝缘层外所施加的保护覆盖层，其关键功能是避免电缆绝缘层在运输过程中遭受机械损伤和破坏并防止电缆运行时水分及其他有害物质进入其内部。

1.2电缆护层环流原理

在电力电缆运行过程中，保证其安全性和稳定性是非常重要的。由于电缆外部的护层是金属的，因此当电缆进行电能传输时，电缆内部线芯中的电流产生的交变磁场将在金属护层上产生感应电压。感应电压与电流成正比，当电流增大时，电压也增大，当电流减小时，电压也随之减小，因此当电缆传输的电流过大时，其产生的感应电压会很大并且容易对金属护层造成破坏，严重时还可能击穿电缆。为了使电缆长时间正常运行，通常在安装电缆时每间隔一段距离必须接一条地线来释放金属护层上累积的感应电压，使金属护层与大地形成一条通路，并在感应电压的影响下形成回流电流，这个电流被称为电缆护层环流。电缆护层环流可作为判断电缆绝缘故障的一个重要因素，实时监测金属护套环流及其变化量，即可及时发现电缆产生的故障以免造成更严重的后果。

2接地环流机理

接地环流机理有如下5点。1）对于有护层绝缘缺陷的电缆线路，金属护套循环电流中会产生感性电流分量，导致流入电缆终端直接接地点的电流将变大，具有电流值与护层的接地点数量、接地电阻值及线芯电流等参数有关。2）在电缆较短线路中，通常采取一端直接接地，另一端通过保护器保护接地，该方式理论上由于电缆金属护套只有单点接地，没有形成闭合回路，不会形成环流。3）高压电缆在运行过程中金属护套外部绝缘如果受到破坏，出现超过两点接地故障时将发生环流的变化。4）不论是单端接地还是交叉互联接地系统，其因电缆金属护套与芯线中交流电流产生的磁力线相铰链，使其两端出现较高的感应电压，故需采取合适的接地措施，使感应电压处在安全电压范围内。5）当电缆较长时，采取的是交叉互联接地或两种接地方式组合，如果交叉互联单元内的三段电缆长度一致，则理论上金属护套基本没有环流。因此在运行的高压电缆中安装接地环流在线监测系统监测电缆金属护套的环流指标，通过各种环流突变信号反应出主电缆线芯运行电流是否超负荷、主绝缘及护套绝缘是否存在缺陷，对于避免电缆长期过载或绝缘缺陷运行等方面都具有重要意义。

3接地环流监测技术及系统构成

高压电缆接地环流检测主要是针对电缆线路各个接头部位进行，如中间接头的交叉互联箱、直接接地箱、终端接头的接地箱等，运行电缆的接地环流变化情况均可以通过在接头位置的接地线或者铠装引出线处进行检测到相应的电流值。另外，为了能够对接地电流的变化及时、准确的检测并分析展示以及电缆故障（本身运行故障或者外力破坏等）位置的实时确定，在研究接地环流监测技术的基础上，增加了电缆接头点温度的监测及接头故障振动参量的监测，从而实现高压电缆接地环流在线监测技术的多参量综合应用，为电缆运行的安全及稳定性提供更有效的数据基础。技术基本原理：通过环流传感器采集高压电缆接地环流信号，PT100传感器检测电缆接头的温度值，加速度传感器检测电缆接头的振动参量信号，并经过信号处理模块进行采样与滤波处理后利用通信光缆或者4G无线路由器进行数据通讯，将环流信号发送至后端分析展示平台进行分析处理。根据系统所检测到的金属护套环流信号来判断高压电缆的绝缘状况和线路运行状况，实现环流实时采样、数据实时更新、保存及超限报警功能，有效的预防高压电缆缺陷故障的发生，保障电力系统的安全可靠运行。

3高压电缆的监测报警系统

3.1系统组成设计

高压电缆运行参数在线监测报警系统箱包括普通接地箱系统和智能控制箱系统。智能控制箱系统模块包含了参数测量模块和数据处理模块。参数测量模块的主要功能是检测电缆环流、负荷电流、箱体温湿度；数据处理模块主要实现监测数据传送、判断与报警、自动除湿等功能。

3.2系统模块设计

高压智能接地箱内安装有各种传感器，传感器采集到的数据传输至数据采集模块后，再经数据线输送到通信模块，最后借助有线电缆远程传送方式上报终端数据服务器系统，通过数据分析报警系统记录并分析数据，判断数据是否异常并发出报警信号。高压电缆运行参数在线监测报警系统通过传感器组来采集６组不同的信号数据参数。这６组不同信号对应的传感器分别为运行电流传感器、接地环流传感器、接头温度传感器、护层电压传感器和温湿度传感器。在高压智能接地箱内，运行电流传感器安装在高压电缆接头附近电缆上；接地环流传感器安装在接地箱接地电缆上；接头温度传感器安装在接地箱内接地电缆上；护层电压传感器安装在护层保护器下部；温湿度传感器安装在接地箱内底部位置，并在附近安装了除潮器。当箱体内部出现结露、进水等情况时，通过箱体内部温湿度传感器采集的数据信息传输至数据分析报警系统，进行数据判断，启动除湿器。

结束语

高压电缆接地监测技术及相应的在线监测系统可及时检测发现电缆线路环流值突变并发出告警信号，实现运维人员及时掌握设备缺陷发生并予以消缺处理，是电力设备安全可靠运行的强有力保障。

参考文献

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［2］杨景波，吴鑫强，于建友，等．电缆接地环流在线监测设计研究［Ｊ］．通信电源技术，2017（1）：107-108．

［3］骆燕．高压电缆接地环流在线监测系统的前端设计与实现［Ｄ］．武汉：华中科技大学，2021（6）：133-134．