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                高壓電力電纜護層電流在線監測及故障診斷技術

                文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019/2/21     瀏覽次數:    
                    高壓電力電纜護層電流在線監測及故障診斷技術
                    摘要:通過監測護層電流可及早發現高壓電力電纜線路的潛在故障,有效避免非計劃性停電。為此,提出了1種可用于診斷故障與非故障情況下3相交叉互聯高壓電力電纜中護層電流的研究方案。通過建立數學模型詳細分析了2種典型的電纜故障,并基于1條線路長度為1.5km、電壓等級為110kV的隧道電纜的仿真計算,提出了1套適用于12種電纜故障的診斷及定位標準。仿真分析結果顯示:當電纜接地系統中存在開路故障時,故障回路中的護層電流會降低;而當電纜交叉互聯箱進水或電纜接頭內環氧預制件擊穿時,故障護層回路中將產生高于正常水平的護層電流值?;诠收戏抡?所提出的故障診斷標準可準確識別并定位指定的3種電纜故障:接頭松動導致護層開路、交叉互聯箱進水和接頭內環氧預制件擊穿。仿真表明地電阻的大幅度變化會導致診斷標準發生變化。

                    關鍵詞:高壓電力電纜;狀態監測;護層電流;仿真計算;故障分析;故障診斷


                    故障情況下護層電流的分析計算
                    交叉互聯接線方式下的護層電流圖4(a)給出了1種常見的電纜交叉互聯的接線方式。在J2、J3接頭處分別安裝了交叉互聯接地箱和同軸電纜,用來實現三相電纜護層的交叉換位。
                    同軸電纜是由2根同軸心且相互絕緣的圓柱形金屬導體所構成的基本單元(同軸對),通常被用作交叉互聯箱和電纜接頭的連接線。使用同軸電纜的目的是為了減小連接線的波阻抗,以降低沖擊電流沿保護器連接線的壓降[21]。同時,使用同軸電纜能夠使此連接線具有更加良好的防水性能。圖4(a)中:
                    為負荷電流;6個可用于檢測護層電流I1、I2、I3、、I5、I6的工頻電流傳感器分別安裝在2個交叉互聯箱的進線口處。電容電流在該圖中并未標注。圖顯示了交叉互聯接地箱的內部結構。2個相鄰電纜段的護層分別通過同軸電纜的內外導體層,被接入到交叉互聯箱內部,并通過金屬片實現交叉換位。對于這種實際接線情況下的護層電流的分析,尚未見公開發表的文獻進行過報道。
                    電容電流始終存在于每1條運行的電纜中。
                    個交叉互聯循環段中的各電纜分段的電容電流分布如圖5所示。圖5中:Ic1、Ic2、Ic3、Ic4、Ic5、表示6個電流傳感器所測得的電容電流。
                    以電纜段A1為例,如前文所述,對110kV的電纜,每500m長的電纜段大約產生3.68A的電容電流Ica1。電容電流Ica1產生的左(L)、右(R)這2個方向的分量Ica1L、Ica1R分別流經的回路阻抗為、Zca1R=0.5Za1+Zc2+Zb3=0.224?。
                    因此,A1段電纜所產生的電容電流Ica1被分成了以下2個部分:向左(J1)方向流動的分量和向右(J4)方向流動的分量Ica1R=0.67A。同理可推導出其他8段電纜中產生的2個方向的電容電流分量。由于傳感器安裝在同軸電纜上,所以電容電流的測量值應該是3個電容電流分量之和,其數值可通過以下計算式獲得。

                    在仿真過程中,假設各電纜段具有相同的長度及工作電壓,因此6個測量點處的電容電流均為。

                    綜上分析,測量的護層電流應為感應電流與電容電流之和。結合圖4(a)和圖5,6個測量點處測到的護層電流理論值為(Im1、Im2、Im3所表示的感應電流在圖4(a)中標識接頭處連接松動導致的開路故障接頭處連接松動是1種交叉互聯電纜系統中常見的故障情況,其原因可能是由于安裝過程中操作不當或者外力破壞而引起。這種情況下由于原本正常情況下的電纜回路被斷開而無法形成閉合回路,所以故障段的所在護層回路電流為0。仍然以A1段電纜為例,當A1段中出現開路故障時,感應電流的幅值降至0。則各測量點處的護層電流值應為2.3交叉互聯箱進水在我國南方地區,由于夏天雨水較多,所以安裝在電纜隧道內的高壓電纜及其附件可能出現被積水淹沒的現象。當交叉互聯箱的外殼出現破損時,周圍的污水會進入箱體內部,淹沒護層保護器,從而導致短路現象。根據水體成分的不同,其電阻也有較大差別[22-23]。然而由于污水的電阻率低,且箱內外水體相連,使得水體的面積遠遠大于其深度,所以此時水電阻可忽略不計。在這種情況下,若保護器被水完全淹沒,則會導致交叉互聯箱中出現接地的情況,相當于護層兩端直接接地,從而導致其中的感應電流大幅上升[24]。以J2接頭處的交叉互聯箱被水淹沒為例,對6個測量點處的護層電流進行了理論計算。J2接頭處交叉互聯箱被水淹沒如圖所示。圖6中:Ix1、Ix2、Ix3、Ix4、Ix5、Ix6代表個新形成的故障回路中的感應電流。
                    當J2接頭處的交叉互聯箱被水淹沒時,箱內的導體出現直接接地,因此原本的3條護層回路變為條故障情況下的回路。此時的6個測量點處的護層電流可以通過下列等式計算;;;;根據安培定律及圖6(b)中的等效電路,故障情況下回路中的感應電流為;;;圖6J2接頭處交叉互聯箱被水淹沒電纜接頭環氧預制件擊穿若電纜接頭中環氧預制件被擊穿,則一方面將導致其左右兩側的金屬護層相連,從而破壞交叉互聯系統,使得運行中的護層電流迅速上升;另一方面增大的護層電流將引起接頭內環氧預制件發熱。
                    由于接頭內散熱環境差,所以環氧預制件的長期發熱也給接頭的安全運行帶來隱患[25]。當某個接頭處的環氧預制件被擊穿時,2條護層回路中的感應電流將受到影響,而另1條回路中的電流則保持不變。
                    以J2接頭處A相接頭環氧預制件擊穿為例,采用回路電流法對故障回路中的護層電流進行分析,可以推導環氧預制件擊穿故障對護層電流造成的影響。

                    其他接頭處的故障分析與案例采用相同方法,即可推導出相關計算式。圖7(a)是故障情況下的電纜線路示意圖。故障點已在圖7(a)中標識出來??紤]接頭處A相接頭環氧預制件擊穿時原護層回路發生變化,所以會產生新的故障回路。為了方便說明,圖7(a)對故障情況下線路中的所有護層回路進行了重新標識。圖7(b)給出了該故障情況下的等效電路圖。


                    結論
                    通過本文的討論和分析,主要可得出以下結論:
                    )建立了1種可用于計算三相交叉互聯電纜護層電流的數學模型。
                    通過等效電路圖分析,提出了當電纜發生故障時護層電流的仿真計算方法。
                    當電纜接頭發生交叉互聯箱進水或接頭內環氧預制板擊穿故障時,測量點處傳感器測得的電纜護層電流可以上升至非故障情況下的數倍。
                    根據故障情況護層電流數值與預期護層電流值的比值,可以制訂出1套適用于隧道電纜的故障診斷及定位標準。這套標準可以準確地識別并定位本文中所列出的12種常見電纜故障。
                    這套電力電纜故障診斷及定位標準的制訂方法適用于敷設在電纜隧道內的交叉互聯電力電纜。

                    由于敷設在隧道內的電纜較少受到第3方破壞或化學腐蝕等外部因素影響,所以由外護套破損而引起多點接地故障在總故障中的比例相對較低。對于電纜隧道而言,故障發生率比較高的部件就是中間接頭和終端。而采用直埋方式敷設的地下電纜,外護套會受到環境的侵蝕,也會受到白蟻蛀蝕的影響,所以外護套破損是1個常見的故障。這種類型故障的仿真將在未來的工作中進一步加以討論和分析。


                本文由 安徽電力電纜 整理編輯。

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