长距离三相电力电缆绝缘在线监测方法

长距离三相电力电缆绝缘在线监测方法

张晓梦

内蒙古乌兰察布市集宁区新区聚景花园  内蒙古乌兰察布市   012000

摘要：长距离的电力电缆的金属护层都会进行交叉互联，目的是降低电缆的金属护层中的感应电压，这种接线方式具有接地回路环流小、经济安全等优点，但由于无法对流经各段电缆主绝缘的电流直接测量给其绝缘的在线监测技术带来了很大的困难。对于长距离的电力电缆，金属护层都是交叉互联的，并且长距离电缆线芯的电阻和残余电感都不等于零，电缆中的负载电流便会在电缆的线芯电阻和残余电感上形成电压降，导致电缆两端的对地电压出现比较大的差异，而且这种差异还会随着电缆负载电流的变化而变化。在这种情况下，选取电缆位置对地电压作为基准相量进行电缆绝缘tanδ在线监测时，测量结果将会是不相同的，并且监测结果还会随电缆负载电流的变化而变化，这就给长距离电缆绝缘tanδ在线监测及绝缘状态评估带来了困惑。鉴于目前金属护层交叉互联下电缆绝缘的在线监测一直没有找到合适的方法，该方法不仅实现了交叉互联方式下电缆绝缘的在线监测，而且给出了长距离电缆线芯存在电压降时参考电压的选取方法，通过仿真可以证明该方法的有效性。

关键词：长距离三相；电力电缆绝缘；线监测  

长距离电力电缆存在金属护层交叉互联和负载电流造成电压降的问题，因而与短距离电力电缆绝缘的在线监测存在很多不同。根据长距离电缆金属护层交叉互联的结构特点，基于长距离电缆绝缘介质损耗因数（tan）在线监测技术，长距离电缆故障定位技术及长距离电缆护套绝缘在线监测技术。

一、长距离电缆绝缘在线监测存在的问题

1、电缆金属护层交叉互联的影响。对高电压长距离电缆金属护层交叉互联方式，通过电缆两端接地线上测量的电流并不是流过电缆主绝缘的电流，而是流过三相电缆主绝缘的电流的叠加之和，并且该值几乎为零，这种互联方式使得无法对流过电缆主绝缘的电流进行测量，也就无法对电缆绝缘电阻、tanδ 值等参数进行测量，从而无法实现对高电压长距离电缆绝缘的在线监测。同时，对于较低电压等级的长距离电缆绝缘在线监测中，由于三相电缆的金属护层在电缆的整个长度范围内始终完全相连，无法对电缆的绝缘进行分相监测，也是无法对流过每相电缆绝缘的电流进行测量，从而无法实施对每相电缆绝缘的监测。

2、负载电流的影响。对于长距离的电力电缆，由于电缆长度很长，而电缆线芯的电阻和残余电感都不等于零，电缆中的负载电流便会在电缆的线芯电阻和残余电感上形成电压降，导致电缆两端的对地电压出现比较大的差异，而且这种差异还会随着电力电缆负载电流的变化而变化。在这种情况下，选取电缆不同端头处的对地电压作为参考进行电力电缆绝缘的 tanδ 值在线监测，测量结果将是不相同的，并且检测结果还会随电缆负载电流的变化而变化。这就给长距离电缆绝缘的介质损耗因数在线监测及评估带来了困惑。

二、三相电缆模型

单芯电缆金属护层中的感应电压与电缆的长度及流过电缆线芯的电流成正比，若电缆线芯中的电流很大、电缆长度很长时，电缆的金属护层所感应出的电压将会达到很高的数值，这不仅影响电缆的使用寿命，而且可能会直接造成电缆金属护层对地绝缘的破坏[2]。因此，对于110 kV 及其以上电压等级、长度在1 km 以上的三相电缆通常都采用金属护层交叉互联的连接方式，即将整条电缆分成若干大段(标准单元)，每大段两端的金属护层连接后再接地，在每个大段内，每相电缆的金属护层再分成长度相等，在每个小段的分段处将三相电缆的金属护层(或换位箱)进行交叉换位。当三相电缆对称敷设时，三相电缆上的感应电压幅值相等相位互差120o，假设三相电缆的每一小段的长度和电缆参数完全相同，则三相电缆每一相感应电压的幅值都相等，位于不同相电缆的各段之间相位相差120o，相叠加后总的感应电压为零。图为三相电缆交叉互联接线方式的一个标准单元。

三、金属护层交叉互联下三相电缆绝缘tanδ仿真

1、三相电缆仿真模型的建立。长距离电缆都会存在金属护层交叉互联和电压降的问题，运用Matlab 软件的动态仿真平台Simulink，主要是利用 SimPowerSystem 工具箱建立三相电缆绝缘tanδ 仿真模型分别为A、B、C 相电缆绝缘的等效阻抗；RL1—RL18 代表三相电缆线芯等效电阻和等效电感的串联；Ua、Ub、Uc 为电网的三相电压源；负载为RLC 并联负载。利用谐波分析法对电压、电流的基波分量进行提取及运算，利用Fourier 模块实现基波幅值、相角的测量。A1、A2 分别为A 相两端的电流测量模块，V1、V2 分别为两端的电压测量模块，同理B 相A3、A4 模块和V3、V4 模块，C 相A5、A6 模块和V5、V6 模块。为了使仿真的原理与结构简单明了，将三相电缆绝缘tanδ值计算过程封装在Dielectric Loss FactorCalculation Model 子模块中，在子模块中对首末端电流差和首末端电压和的基波分量进行提取，其相角差的余角即为介质损耗角，进而求得tanδ值，通过Display 模块进行显示。为了方便计算假设泄漏电流从每小段金属护层的中点流出。设系统电压为110 kV，电网频率为50 Hz。电缆长度为1 200 m，均分成三段后每小段长度为400 m，设每一段电缆的参数完全相同。表1 为110 kV 电压等级的XLPE电缆结构参数，通过表1 计算得到电缆单位长度主绝缘的等效电导为1.397×10−11S/m，其单位长度的等效电容为1.971×10−10 F/m，电缆线芯单位长度的等效电阻为3.28×10−5Ω/m，电缆线芯单位长度的等效电感为2.138×10−7H/m。XLPE 电缆绝缘良好时的tanδ值范围为0.000 2~0.000 5，绝缘模型为阻容并联，计算可得每一段电缆绝缘电阻为179 MΩ，等效电容为78.8 nF，电缆线芯等效电阻为6.56 mΩ，线芯等效电感为42.76 μF。

2、同步误差、电压误差的影响。同步误差仿真是通过在图3 电缆模型A相末端电流测量模块A2、电压测量模块V2 后分别加一个Transport Delay 延时模块，延时时间设为10 μs，B、C 相设置不变。仿真结果表明：存在同步误差时，tanδ值为0.022 63%，差异为0.17%，可知选用同步误差较小的GPS 模块对监测电缆绝缘的可行性没有影响。电压误差仿真是通过在图3 中的负载Load1 与地之间串入阻值为0.001 Ω的电阻，以这种方式模拟首末端电压的地电位存在电位差，B、C 相设置不变。仿真结果表明电压存在误差对tanδ值没有影响，证明了文中方法的可行性。

3、电网谐波、频率波动的影响。按照GB/T 14549《电能质量-公用电网谐波》的规定，110 kV 及其以下的电网电压总谐波畸变率限值为5%~2%。对电缆绝缘在线监测过程中，谐波对tanδ值的影响不容忽视。采用谐波分析法提取电缆线路中电压、电流的工频基波分量进行计算，因此双端tanδ在线监测不受电网谐波的影响。按照GB/T 15945《电能质量-电力系统频率允许偏差》的规定，电力系统正常频率偏差允许值为(50±0.2) Hz。频率波动会引起因非同步采样而带来的频率泄漏和栅栏效应，对tanδ值的测量产生误差设置电压在49.8~50.2 Hz 范围内变化，tanδ相对误差的变化情况可知，当电网频率出现波动时，tanδ 相对误差不超过0.25%，对监测电缆绝缘tanδ 值的影响较小。

结论

1）选取电缆两端电压的相量和的一半作为参考电压计算tanδ值保持不变，不受负载电流的影响，而选取电缆任一端电压计算时tanδ值是变化的，受负载电流的影响。

2）当存在电网谐波、频率波动、同步误差及地电位不同引起的电压误差时对在线监测电缆绝缘tanδ值的影响较小，能够准确反映出电缆绝缘的状况。

参考文献：

[1] 应迪生，张明，陈家荣．三相分布参数线路动态向量法的建模与仿真[J]．中国电机工程学报，2017，27(34)：46-51．

[2] 龙望成，高炎辉，关根志．交叉互联接线的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘在线监测理论分析[J]．电力自动化设备，2018，28(3)：59-62．

[3] 桂勋，刘志刚，韩旭东．基于高压输电线电压沿线分布规律的故障双端测距算法[J]．中国电机工程学报，2019，29(19)：63-69．