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      XLPE電力電纜接地環流監測方案

      四川桂豐源科技 2019-07-15 技術論文 2638 ℃ 0 評論

      摘要:交聯聚乙烯(XLPE)性能穩定,工程質量良好,始終是電力電纜的主要絕緣構成材質。文中根據電纜主絕緣故障較少,而護層和插件層故障層出不窮的工程現狀,提出了針對金屬護層的一種XLPE接地環流監測方案。旨在電纜護層狀態分析的基礎上,建立護層感應電勢模型,并對常規狀態下電壓作用、短路、異常進行核算,從而整合推出XLPE接地感應環流電路模型。在此基礎上建立接地環流公式,可方便診斷出金屬護層的各類損傷、故障及異常接地環流。經過實驗測試結果表明,此監測方案可靈敏反應絕緣狀況,實時反饋電纜狀態。其數據表征穩定,具備極高的研究、開發價值。
      關鍵詞:XLPE電力電纜;金屬護層;感應、接地環流;靈敏檢測中圖分類號:TM274文獻標識碼:A文章編號:1674-6236(2018)20-0128-05

      交聯聚乙烯XLPE是國內主流的電力電纜,內部結構包含:主電纜芯線、絕緣層和保護層。其中,保護層的材質又分為:金屬型、塑膠型以及混合型[1-3]。護層能有效防止大部分的電纜侵蝕,但常規電纜監測主要集中在絕緣層。卻忽略了護層的監測,這在護層感應環流故障中暴露出了極大的弊端。由于主絕緣層的品質變化會造成護層狀態的改變,故對護層的監測可一次識別絕緣層和金屬護層的故障異常,技術意義重大。
      對于電力電纜的金屬護層缺陷、故障和異常監測,工程上通常采用電橋法進行故障源定位。然后根據不同環境狀態與需求,適配選擇音頻法、跨步電壓法、直流沖擊法中的一種進行二次精確定位[4-6]。此外,故障統計是維持電力電纜長久正常運行的管理基礎,也是在線監測的重點工作。通過故障統計可分析出故障原因,為方案決策提供數據支持。本文在現有監測研究成果上,提出了一種基于接地環流的XLPE監測方案,建模實現電力電纜絕緣狀態評價體系和故障評價指標,來構建接地感應環流的在線監測系統。

      1XLPE接地系統
      在高壓交流電纜上,隨著磁場增強金屬類護層將會產生感應電壓,電壓達到一定閾值將會擊穿絕緣層造成短路故障[7-10]。因此,通常需要對線路進行保護接地。此時,地回路接地電阻設計成為重要影響指標。指標不達標將會造成多點接地、地電壓反擊等故障,常用的接地法有一端接地、交叉互聯、多點接地等。具體施工時會根據線路長度劃定分段接地,以維持護層環流在一定的安全閾值內。但交叉互聯過程中,較易出現隱性失誤,導致不完全換位,從而使護層環流激增。
      在三芯電纜線中,金屬護層相當于和三相芯平行的一導體P。中心距離表示,如圖1所示




      其中,GMRS為金屬護層幾何平均距離。通過公式(12),相應改變p、q、r值,調整相位角即可獲得A、B的護層感應電壓。而在實際輸電工作環境中,電纜各參數為:平均護層直徑DS=77.8mm,電纜中心軸距離S=250mm,電纜每相負載電流為I=500A。在等邊三角敷設下,金屬護層感應電壓分別為[6]:USa=USb=USc=IXS=500×1.1690×10-4=0.0545(V/m)(13)
      因此,在單芯電纜設計搭建過程,需充分考慮金屬護層的感應電壓影響,動態監測避免環流故障,才能實現經濟、穩定的電纜運行系統。


      2。XLPE接地環流分析與監測方案。
      2.1金屬護層環流建模
      基于金屬護層感應電勢,在接地回路中將會產生不平衡波動或接地故障時均會導致感應環流。此外,由于長期的電纜敷設環境損傷、破壞也會致使金屬護層多點接地,熱損耗增加,環流消耗嚴重[7]。環流的大小取決于電纜感應電勢、回路阻抗,還會受到排列方式和線路長度及地理環境的影響。為此,文中定義E1、E2、E3分別為三相電纜A、B、C感應電勢;R0、R2為接地阻抗;R3為大地阻抗;R為屏蔽層阻抗;X為電纜金屬屏蔽層自感抗;X1為單位長度中、邊相屏蔽層互感抗;X2為單位長度邊相互感抗,電纜長度為n?;芈冯妷悍匠探M模型,如公式(14)。
      在實際工作環境中,敷設深度常為1000mm,電纜長度>1000m,接地電阻約為0.6Ω,S=220mm,RS=0.274×10-3Ω/m,DC=510370mm,環境溫度約為25℃。代入式(14)中,可得接地環流公式(15):


      公式1.jpg


      得到IS=0.017mA,若回路接地電阻R1+R2=1MΩ(即沒有接地電阻)情況下,護層環流IS1=0.017mA。由此也可得出,金屬護層環流受接地電阻影響,且在多點接地時波動顯著。
      2.2XLPE環流監測方案設計總結電纜護層常規缺陷或故障大致有:外力護層損壞、電纜附件質量缺陷、輻射質量缺陷等。故障外在表征有:感應接地環流、局部放電,且以環流為主要表現,異常狀態下接地電流將瞬間增大一個量級[8]。
      基于以上故障特征,文中將感應環流作為XLPE護層接地異常的判斷依據。監測系統構架示意,如圖4所示。


      圖4.jpg


      2.2.1內部傳感器設計
      傳感器基于電流互感,取正常環流值的10~12倍為有效范圍進行信號出發,可保證較好的線性關系和飽和性能。傳感器特性測試,見表1和圖5所示。在22A以下,U/I呈線性關系;22A以上時電流趨于飽和,電壓緩增至7V,滿足基礎設計需求[9]。

      2.2.2外部系統及接口電路金屬護層外部系統設計需要加入一個信號調制器,對激增電流、電壓進行限制并提升電纜抗干擾能


       

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      力,設定UR=±9V,結構如圖6所示。此外,為了保障A/D轉換電路的安全性,采用逐次逼近式原理工作,單通道輸入。芯片核使用ADS7805,工作溫度-25℃~85℃[10,11-16]。A/D轉換及DSP接口電路,如圖7所示。

       

      圖6圖7.jpg


      力,設定UR=±9V,結構如圖6所示。此外,為了保障A/D轉換電路的安全性,采用逐次逼近式原理工作,單通道入。芯片核使用ADS7805,工作溫度-25℃~85℃[10,11-16]。A/D轉換及DSP接口電路,如圖7所示。


       

      圖8圖9.jpg


      2.2.3護層環流實驗
      隨后,為檢驗系統對環流監測的效果,本文對單芯電纜進行了護層接地環流測試,實驗電路如圖11所示。實驗條件為:長度l=269m,總電容C=456μF,總電感L=22.57mH,護層電阻R=0.56Ω,纜芯直徑
       

      圖10.jpg


      D1=0.55cm,護層直徑D1=2.34cm,電阻率ρ=100Ω·m。測試數據統計:纜芯電壓峰值Up-pA、纜芯電流峰值Ip-pA、護層電壓峰值Up-pB、護層電流峰值IppB等,繪制成表2。


       

      圖11.jpg



      實驗結果表明:金屬護層環流為主要電纜故障原因,各類因素導致的多點接地會使環流激增。再將實驗數據帶入環流模型計算公式,得到環流I=687.5A,與實驗數據基本符合。



       

      圖13.jpg




      3結束語
      文中在XLPE電力電纜在線監測研究基礎上,提出了接地環流進行故障判定法,建立數學模型來監測電纜異常。并從金屬護層狀態分析出發,推導感應電勢和接地環流公式,通過ADS7805和PSD接口電路通信反饋金屬護層參數狀態。從而實現實時監測異常狀態,及時的進行電力檢修,降低引起短路故障等電力事故的發生概率。該方法具備極高的技術研究價值和深度開發前景。
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      文章出自葛少偉,侯建峰,蘇菲,牟澤剛,李德泉(濟南供電公司山東濟南250000)《電子設計工程》2018年第20期

      本文標簽:環流監測技術文章

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