电子设计工程zw

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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 :