接地電流監測在高壓電纜在線監測中的應用

楊宇峰，孫滿法，尤靈偉

（杭州交聯電氣工程有限公司，浙江 杭州 310011）

0 前言

交聯聚乙烯電纜因其性能優良、施工工藝簡單、安裝方便、載流量大、耐熱性能好等特點，取代了傳統的油紙絕緣電纜，在配電網、輸電線路中有著廣泛的應用。2005年后，全國電網再未投運過新的充油電纜線路，交聯聚乙烯電纜已構成城市供電和主網架的重要環節。相比架空線路，因交聯聚乙烯電纜敷設的隱蔽性，其運行性能狀況及缺陷等現象難以被直觀發現。為全面動態把握電纜運行狀況和缺陷，國內外專家已對電纜在線監測研究了20多年，并研發了多種電纜在線監測系統。

交聯聚乙烯電力電纜在正常環境中的使用壽命為20～30年，然而由于電纜一般都敷設在電纜溝中或直埋于地下，敷設環境及使用狀態會極大地影響電纜壽命。一旦地下電纜發生故障，將帶來很大損失。高壓電力電纜在線監測系統可隨時對電纜絕緣的老化狀態進行監視，對電力電纜的可靠運行、減少停電次數、實現狀態檢修等方面有著十分重要的意義。

1 電纜的劣化機理及在線監測方法

電纜絕緣材料的劣化主要有熱劣化、電氣劣化及化學性劣化等幾種類型。

(1) 熱劣化主要是指電纜在承載負荷電流時，在導體自身電阻損耗發熱、電纜絕緣部分泄漏電流損耗發熱等過程中引起的交聯聚乙烯材料劣化。

(2) 電氣劣化主要有電樹枝劣化和水樹枝劣化。由于電纜絕緣材料存在雜質、氣泡等缺陷，在電纜通電時會在絕緣介質中產生極不均勻的電場，形成電樹枝。電樹枝是引起局部放電的主要原因之一。在水分及交流電場作用下，電纜交聯聚乙烯材料會產生水樹枝劣化現象。水樹枝會造成電纜絕緣性能降低，介質損耗因素tanδ升高，這是電纜絕緣整體劣化的主要原因之一。

(3) 化學性劣化主要是在熱劣化、電氣劣化及環境化學因素作用下的綜合劣化過程。

根據電纜的物理屬性，以及在運行狀態下的劣化形成及發展過程中顯現的物理特性，研究人員提出的在線監測方法主要有：直流分量法、直流疊加法、損耗因素法、局部放電法、低頻疊加法、溫度分布測量法、接地電流測量法等。

2 電纜在線監測方法的市場應用

雖然電纜在線監測的手段和方法眾多，但隨著電纜制造工藝及絕緣材料性能的提高，直流分量法、直流疊加法、損耗因素法等傳統方法已不適用。由于諸多監測方法有其自身特點和實際工程應用的局限性，目前在現場應用的在線監測系統主要有：110 kV及以上單芯電纜的溫度在線監測系統、局放在線監測系統、接地電流在線監測系統等，110 kV等級以下電纜在線監測產品則比較少。

3 單芯、三芯電纜運行中的接地電流分析

110 kV及110 kV以上電纜以單芯電纜為主，35 kV及35 kV以下電纜以三芯電纜為主。運行電纜護層接地線上的電流，主要由感應電流、電容電流、泄漏電流3部分組成。

對于單芯電纜，接地方式有單端接地、兩端接地、交叉互聯接地等。對于兩端接地的單芯電纜，其接地電流以感應電流為主。單端接地的電纜，以電容電流為主。絕緣良好的運行電纜，其泄漏電流極小，正常運行時可忽略不計。

三芯電纜因三相電流的對稱性及大小幾近相等，在接地護層中的合成感應電勢接近于0。因此，三芯電纜采用兩端接地的方式。

流過電纜主絕緣的電容電流，在電纜老化過程中的變化比較明顯，呈增加趨勢。對單芯、三芯電纜來說，電容的變化都會使接地線電流增大。因此，通過在線監測單相電力電纜的接地電容電流或三相電力電纜的接地不平衡電流，就可實時監測電纜的運行狀態，防止電纜絕緣事故的發生。

單相電纜導體與金屬屏蔽層間的等效電路見圖1。當電纜整體老化或受潮，電纜局部故障或端部電纜頭臟污受潮時，分布參數C將均勻增大，R將均勻減小。對于同一電纜，接地線電容電流增加幅度對C的變化非常敏感。

圖1 單相電纜導體與金屬屏蔽層間的等效電路

對35 kV及35 kV以下三相電纜來說，三相電纜同時整體老化或受潮時，由理論分析可知：測量接地電流對故障現象的反應其實是不靈敏的，但實際運行中的電纜，同步老化或受潮的概率很低。由此，三相電力電纜接地不平衡電流同樣可反映電纜護層的絕緣狀況，并且其靈敏度明顯高于檢測單相電纜接地電容電流。三相電纜接地電流的監測也可有效反應電纜負載的情況，如果三相負載相差較大或某一相或兩相發生接地故障時，都能有效反應到接地電流上。

當單相電纜絕緣護套破損、金屬護層出現兩點或多點接地時，會產生環流，嚴重時可超過負荷電流的50 %以上。環流損耗使金屬護層發熱，加速電纜主絕緣老化，威脅電纜運行安全。因此，監測電纜的接地電流，也可獲取電纜外護套的完整信息。

由上述分析可知：實現運行電纜接地電流的細化分析和監測對電纜的安全運行意義重大。

電纜在線監測的應用，都是對電纜絕緣狀況的分析和跟蹤，但是絕緣狀況的變化都伴隨著接地電流狀態的變化。因此，在所有的監測手段中，接地電流監測最為基礎，也比較直觀。

4 接地電流在線監測與其他監測方法的比較

溫度在線監測、局放在線監測、介損在線監測等方法的實現，都是基于對運行電纜中電流變化發展為基礎的監測。電纜劣化，導致電纜整體或局部有損電流增加；有損電流增加，導致電纜整體或局部發熱，絕緣介質介損增大。運行中的局部缺陷，在最初階段為非貫穿性放電現象，但最終發展為貫穿性放電，引起接地電流異常。

從經濟角度分析，目前的溫度、局放在線監測系統技術要求高，經濟投入高，施工維護成本高。對于固體材料，其劣化損壞過程是一個不可逆轉的變化過程。電纜主絕緣在運行過程中流過電容電流，在劣化過程中其電容量呈增加趨勢，導致接地線電流增大。加速劣化試驗證明此種變化是明顯的，同時交流擊穿電壓與接地線電流增量有較強的相關性。在線接地電流監測的研究可排除掉與劣化信息關聯微弱的信號干擾，從接地線電流中提取出蘊含電纜絕緣劣化的容性電流變化、泄漏電流變化、局部放電信號等信息的參量，以此綜合評估絕緣的劣化狀況。由此得知，接地電流在線監測的研究和應用具有重大的現實意義。

通過接地電流在線監測分析，對運行電纜動態過程進行把握，當運行電纜接地電流發生異常變化時，可合理安排停電檢查，從而避免電纜事故的發生。相比其他在線監測手段，接地電流在線監測不僅實現了在線動態監控，還可對電纜故障趨勢有所預估，且因接地電流在線監測系統安裝應用更為方便，大大節省了經濟成本投入。

5 接地電流在線監測裝置應用開發思路

接地電流的監測手段已十分成熟。接地電流在線監測裝置設置時，在電纜兩個終端、中間連接處(或中間交叉互聯箱內)設置高精度電流互感器，通過互感器采樣，將接地電流信息傳輸至分析裝置進行分析。根據電纜不同使用方式(單芯或三芯)及其接地方式(一端、兩端或交叉互聯)下，電纜在老化或故障后接地電流各自特點的分析，開發智能型在線分析裝置，是接地電流在線監測的應用關鍵。另外，可進一步應用比較成熟的無線網絡傳輸技術，開發智能分析系統裝置無線傳輸功能及相關應用軟件，使缺陷或故障信息能夠在任意時刻及時傳送至運行人員的智能手機終端，確保運行人員對運行狀況的跟蹤不受空間限制，同時也可使運行人員通過手機終端隨時隨地上網了解電纜運行的實時數據、歷史數據及狀態分析結果等信息。

6 結束語

雖然市場有較多的電纜在線監測裝置，如光纖分布式感溫監測系統、電纜綜合在線監測系統，然而根據多年工程實踐統計并收集相關應用資料得知：電力系統內部及用戶在設備運行過程中，有關110 kV及110 kV以下的電纜運行維護，還是采取人工定期巡檢制度，以獲取電纜接地電流的相關信息;存在在線監測裝置使用一段時間后舍棄不用的現象。原因可能有2點：

(1) 目前電纜在線檢測裝置產品的市場適應性還不夠強；

(2) 電纜運行主體對運行電纜接地電流在線監測的意義認識還不夠充分。

本文旨在通過對運行中電纜接地電流特點的分析，總結比較電纜在線監測系統的應用，為專業人員在接地電流在線檢測系統更加深入的研究、開發、推廣和應用方面提供相關資料分析；使運行人員對運行中電纜接地電流動態監測重要性有更深入的認識。對接地電流在線監測特點的分析，對節省在線監測系統經濟成本及安裝維護成本，推進市場應用，都有著實際意義。