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圭曹
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1 第 26 卷 Vol.26 第 20 期 No.20 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2018 年 10 月 Oct 葛少伟侯建峰苏菲牟泽刚李德泉济南供电公司山东济南摘要交联聚乙烯 XLPE 性能稳定工程质量良好始终是电力电缆的主要绝缘构成材质文中根据电缆主绝缘故障较少而护层和插件层故障层出不穷的工程现状提出了针对金属护层的一种 XLPE 接地环流监测方案旨在电缆护层状态分析的基础上建立护层感应电势模型并对常规状态下电压作用短路异常进行核算从而整合推出 XLPE 接地感应环流电路模型在此基础上建立接地环流公式可方便诊断出金属护层的各类损伤故障及异常接地环流经过实验测试结果表明此监测方案可灵敏反应绝缘状况实时反馈电缆状态其数据表征稳定具备极高的研究开发价值关键词 XLPE 电力电缆金属护层感应接地环流灵敏检测中图分类号 TM274 文献标识码 A 文章编号 XLPE power cable grounding loop monitoring scheme GE Shao wei HOU Jian feng SU Fei MU Ze gang LI De quan Ji'nan Power Supply Company Ji'nan China Abstract: cross linked polyethylene XLPE has stable performance and good engineering quality. It has always been the main insulation material of power cable. According to the fact that the main insulation fault of cable is less and the failure situation of sheath and plug- in layer is not poor a monitoring scheme of XLPE grounding for metal protective layer is put forward. Based on the analysis of cable sheath state the induction potential model of the sheath is established and the voltage action short- circuit and abnormity in the normal state are calculated so as to integrate the XLPE earth induction loop circuit model. On this basis the ground circulation formula is established which can be used to diagnose all kinds of damage fault and abnormal grounding circulation of metal shield. The circulation comparison test before and after the cable grounding shows that the monitoring scheme can sensitively respond to the insulation condition real- time feedback the cable state and represent the data stably and has high research and development value. Key words: XLPE power cable metal shield induction and grounding circulation sensitive detection 交联聚乙烯 XLPE 是国内主流的电力电缆内部结构包含主电缆芯线绝缘层和保护层其中保护层的材质又分为金属型塑胶型以及混合型 [1-3] 对于电力电缆的金属护层缺陷故障和异常监测工程上通常采用电桥法进行故障源定位然后根据不同环境状态与需求适配选择音频法跨步电护层能有效防止大部分的电缆侵蚀但常规电缆监压法直流冲击法中的一种进行二次精确定位 [4-6] 测主要集中在绝缘层却忽略了护层的监测这在此外故障统计是维持电力电缆长久正常运行的管护层感应环流故障中暴露出了极大的弊端由于主理基础也是在线监测的重点工作通过故障统计绝缘层的品质变化会造成护层状态的改变故对护可分析出故障原因为方案决策提供数据支持本层的监测可一次识别绝缘层和金属护层的故障异文在现有监测研究成果上提出了一种基于接地环常技术意义重大流的 XLPE 监测方案建模实现电力电缆绝缘状态评收稿日期稿件编号价体系和故障评价指标来构建接地感应环流的在作者简介葛少伟 1984 男山东聊城人硕士工程师研究方向电缆运检

2 葛少伟, 等线监测系统 1 XLPE 接地系统在高压交流电缆上, 随着磁场增强金属类护层将会产生感应电压, 电压达到一定阈值将会击穿绝 [7-10] 缘层造成短路故障因此, 通常需要对线路进行保护接地此时, 地回路接地电阻设计成为重要影响指标指标不达标将会造成多点接地地电压反击等故障, 常用的接地法有一端接地交叉互联多点接地等具体施工时会根据线路长度划定分段接地, 以维持护层环流在一定的安全阈值内但交叉互联过程中, 较易出现隐性失误, 导致不完全换位, 从而使护层环流激增在三芯电缆线中, 金属护层相当于和三相芯平 [11-13] 行的一导体 P 中心距离表示, 如图 1 所示 M Sij = 2(ln 1 S 2 ) 10-7 ( 亨 / 米 ) (7) L S11 = L S22 = L S33 = 2(ln 1 Ds/2 ) 10-7 ( 亨 / 米 ) (8) 各电缆金属护层单位长度感应电势为 : U S1 = -jωl S1 I 1 ( 伏 / 米 ) (9) U S2 = -jωl S2 I 2 ( 伏 / 米 ) (10) U S3 = -jωl S3 I 3 ( 伏 / 米 ) (11) 而对于诸如平行回路等多回路电缆, 感应电流排列遵循图 3 模式 [5] 图 1 电缆芯线与金属护层中心距示意图导体 P 与 A B C 三芯线的磁通分别为 : φ PA = I A ln D 韦 / 米 (1) φ PB = I B ln βd 韦 / 米 (2) φ PC = I C ln γd 韦 / 米 (3) 高压电缆芯线主要排列采用等边三角形, 因此护层感应电压可近似参考图 2 计算图 2 电感计算有 : 三相回路金属护层感应电势 L S1 = L S11I 1 + M S21 I 2 + M S31 I 3 I 1 (4) L S2 = L S12I 1 + M S22 I 2 + M S32 I 3 I 2 (5) L S3 = L S13I 1 + M S23 I 2 + M S33 I 3 I 3 (6) 图 3 双回路任意排列电缆中心距表示总回路 C 相护层感应电压为 : U SC = 2ωI 10-7 [- 3 msy ln - j 1 2 z GMR S 2 ln n 2 r 2 S ]( 伏 / 米 ) my zgmr s (12) 其中,GMR S 为金属护层几何平均距离通过公式 (12), 相应改变 p q r 值, 调整相位角即可获得 A B 的护层感应电压而在实际输电工作环境中, 电缆各参数为 : 平均护层直径 D S=77.8 mm, 电缆中心轴距离 S=250 mm, 电缆每相负载电流为 I=500 A 在 [6] 等边三角敷设下, 金属护层感应电压分别为 : U Sa = U Sb = U Sc = IX S (13) = = (V/m) 因此, 在单芯电缆设计搭建过程, 需充分考虑金属护层的感应电压影响, 动态监测避免环流故障, 才能实现经济稳定的电缆运行系统 2 XLPE 接地环流分析与监测方案 2.1 金属护层环流建模基于金属护层感应电势, 在接地回路中将会产生不平衡波动或接地故障时均会导致感应环流此外, 由于长期的电缆敷设环境损伤破坏也会致使金属护层多点接地, 热损耗增加, 环流消耗严重 [7] 环流的大小取决于电缆感应电势回路阻抗, 还会受到排列方式和线路长度及地理环境的影 -129-

3 电子设计工程 2018 年第 20 期响为此文中定义 E1 E2 E3 分别为三相电缆 A B 式 14 屏蔽层阻抗 X 为电缆金属屏蔽层自感抗 X1 为单位缆长度 >1 000 m 接地电阻约为 0.6 Ω S=220 mm C 感应电势 R0 R2 为接地阻抗 R3 为大地阻抗 R 为长度中边相屏蔽层互感抗 X2 为单位长度边相互感抗电缆长度为 n回路电压方程组模型如公在实际工作环境中敷设深度常为 mm 电 RS= Ω/m DC= mm 环境温度约为 25 代入式 14 中可得接地环流公式 15 ìi S1(R + jx) +(I S1 + I S2 + I S3) +(R 0 + R 2 + R3) + I S2 jx1n + I S3 jx 2 n = E S1n ï íi S2 (R + jx) +(I S1 + I S2 + I S3) +(R 0 + R 2 + R3) + I S1 jx1n + I S3 jx1n = E S2 n ï îi S3(R + jx) +(I S1 + I S2 + I S3) +(R 0 + R 2 + R3) + I S2 jx1n + I S1 jx 2 n = E S3 n I S1(R + jχ) +(R1 + R 2 + R3) = E S1n 15 得到 IS=0.017 ma 若回路接地电阻 R1 +R2=1 MΩ 即没有接地电阻情况下护层环流 IS1=0.017 ma 由此也可得出金属护层环流受接地电阻影响且在多点接地时波动显著 2.2 表1 一次电流与二次电压关系 2.0 一次电流/A 二次电压/V 二次电压/V 一次电流/A XLPE 环流监测方案设计总结电缆护层常规缺陷或故障大致有外力护层损坏电缆附件质量缺陷辐射质量缺陷等故障外在表征有感应接地环流局部放电且以环流为主要表现异常状态下接地电流将瞬间增大一个量级 [8] 基于以上故障特征文中将感应环流作为 XLPE 护层接地异常的判断依据监测系统构架示意如图 4 所示图 5 一次电流与二次电压关系曲线图力设定 UR=±9 V 结构如图 6 所示此外为了保障 A/D 转换电路的安全性采用逐次逼近式原理工作单通道输入芯片核使用 ADS7805 工作温度-25 ~85 [ ]A/D 转换及 DSP 接口电路如图 7 所示图 4 金属护层环流监测系统结构图 6 信号调制器基本电路内部传感器设计传感器基于电流互感取正常环流值的倍为有效范围进行信号出发可保证较好的线性关系和饱和性能传感器特性测试见表 1 和图 5 所示在 22 A 以下 U/I 呈线性关系 22 A 以上时电流趋于饱和电压缓增至 7 V 满足基础设计需求 [9] 外部系统及接口电路金属护层外部系统设计需要加入一个信号调制器对激增电流电压进行限制并提升电缆抗干扰能图 7 ADS7805 与 DSP 接口电路

4 葛少伟等系统采用 DSP 最小模块设计思想通过外围控制板实现基于 DSP 的监控系统以 RS- 232 串口 RXD CTS TXD RTS 作为 IO 引脚串行通信的 sign 信号通过握手实现数据接收清除存储与请求信号的发送其系统相关电路分别如图 8 10 所示图 10 TMS320F206 与数据存储器的接口连接 D1=0.55 cm 护层直径 D1=2.34 cm 电阻率 ρ=100 Ω 图 8 电源接口原理图 m测试数据统计缆芯电压峰值 Up-pA 缆芯电流峰值 Ip-pA 护层电压峰值 Up-pB 护层电流峰值 IppB 等绘制成表图9 控制时钟芯片接口原理图 11 护层环流实验电压电流实验电路随后为检验系统对环流监测的效果本文对单实验结果表明金属护层环流为主要电缆故障芯电缆进行了护层接地环流测试实验电路如图 11 原因各类因素导致的多点接地会使环流激增再总电感 L=22.57 mh 护层电阻 R=0.56 Ω 缆芯直径 687.5A 与实验数据基本符合所示实验条件为长度 l=269 m 总电容 C=456 μf 表2 将实验数据带入环流模型计算公式得到环流 I= 单芯电缆实验参数统计表电缆芯充电金属护层电压/V Up-pA/mV Ip-pA/A Up-pB/mV Ip-pB/A ①护层一端户外接 ②护层两端共户外地地另一端悬空一点 % % ④改变护层两端分接户外接地点重复③ ③护层两端分接户外地两点 816 Ip - pb Ip - pa 结束语文中在 XLPE 电力电缆在线监测研究基础上提出了接地环流进行故障判定法建立数学模型来 % 49% 8.1% 4.6% 监测电缆异常并从金属护层状态分析出发推导感应电势和接地环流公式通过 ADS7805 和 PSD 接口电路通信反馈金属护层参数状态从而实现实时监测异常状态及时的进行电力检修降低引起短路

5 电子设计工程 2018 年第 20 期故障等电力事故的发生概率该方法具备极高的技术研究价值和深度开发前景参考文献 [1] Muto H Yamashia y maruyotoa Y et al A study [8] 张雄伟.DSP 芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社 [9] 王念旭.DSP 基础与应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社 of lineage current characteristics about field aged [10]彭启棕李玉柏.DSP 技术[M].成都:电子科技大学 ICPADM [11]章铭杰周雁.XLPE 电力电缆局部放电在线测试 Japan[J].IEEE Transactions on Power Delivery [12]胡春江王锋温定筠等.XLPE电缆局部放电在线 XLPE cable[c].boston:proceedings of the 3rd [2] Nakayam T. Online cable monitor developed in 199l 6 4 : [3] 张一鸣钱勇李嫣然等.分布式 XLPE 电缆局部放电在线监测系统的研制[J].电气自动化 : [4] 喻岩珑李晟孙辉等.XLPE 电缆绝缘老化与剩余寿命评估的试验方法[J]. 电网与清洁能源 : [5] 张海龙 kV XLPE 电缆绝缘在线检测技术研究[D].武汉:武汉大学 [6] 张赞斌.交联聚乙烯电缆局部放电检测方法研究 [D].保定:华北电力大学 [7] 徐丙垠李胜祥陈宗军.电力电缆故障探测技术 [M].北京:机械工业出版社出版社的现状与探讨[J].电线电缆 : 检测技术现状[J].电网技术 s1 : [13]陈瑞龙.XLPE 电缆局部放电在线监测系统的研制[D].上海:上海交通大学 [14]随慧斌李靖强杨晓娟等.XLPE 电缆局部放电在线监测系统研究[J].山东大学学报:工学版 : [15]宫黛孙静孔德武等.110kV XLPE 电缆局部放电在线监测的方向耦合器技术实验研究[J].高压电器 : [16]陈腾彪邬韬魏前虎等.基于三路脉冲信号极性鉴别技术的 110kV XLPE 电缆局放检测技术 [J].电线电缆 : 上接第 127 页 [10]丁雨.印制线路板化学镀铜活化剂胶体钯的研究[D].长沙长沙理工大学 [11]肖宁.EPE 系列镀铜抑制剂的填孔性能与作用机理研究[D].哈尔滨哈尔滨工业大学哈尔滨哈尔滨工业大学 [18]李元泰赵耀袁华等.移动线载荷板局部非线性响应的网格重划分数值方法[J].中国舰船研究 : [12]吴婧.次磷酸钠还原化学镀铜工艺研究[D].成都 [19]桂许龙.电子器件热可靠性及相关设备研究[D]. [13]刘佳.HDI 板通孔与盲孔同步填孔电镀工艺研究 [20]魏颖.某星载印制电路板的热设计与分析[J].科协 [14]黄云生.电子电路 PCB 的散热与分析[D].西安西 [21]胡广新.翅片式与微流道式散热器散热特性及应 [15]纪荣荣.组合楼板在防火措施下的抗火能力非线 [22]林长苓靳宝善.电子元器件的选用管理与控制 [16]王教品.高功率 LED 照明系统热设计与热-机械 [23]王自力.分析电子元器件质量及其可靠性管理[J]. 电子科技大学 [D].重庆重庆大学安电子科技大学性有限元分析[D].青岛青岛理工大学可靠性分析[D].桂林桂林电子科技大学 [17]黄祯光.航天电子仪器热分析及热测试研究[D] 武汉华中科技大学论坛 : 用研究[D].成都电子科技大学 [J].电子产品可靠性与环境试验 : 通讯世界 :

第 05 期董房等 : 一种卫星遥测在线状态监测及分析系统的设计 WEB 1 2 总体功能及组成 2.1 总体功能 1 2 3Web 2.2 结构组成 Web WEB WEB 2.3 系统各模块接口关系

第 05 期董房等 : 一种卫星遥测在线状态监测及分析系统的设计 WEB 1 2 总体功能及组成 2.1 总体功能 1 2 3Web 2.2 结构组成 Web WEB WEB 2.3 系统各模块接口关系电子科学技术 Electronic Science & Technology 电子科学技术第 02 卷第 05 期 2015 年 9 月 Electronic Science & Technology Vol.02 No.05 Sep.2015 年一种卫星遥测在线状态监测及分析系统的设计董房 1,2, 刘洋 2, 王储 2 2, 刘赞 (1. 上海交通大学, 上海,200240; 2. 上海卫星工程研究所,