長距離三相電力電纜絕緣在線監測方法

曾乾君

摘要：目前，電力電纜絕緣在線監測方法主要有DC分量法、DC疊加法、交流疊加法、接地電流法、局部放電法和損耗因數法。DC分量法是指在外加交流電源的作用下，運行中的XLPE電纜絕緣若產生水分支，由于水分支的“整流效應”，流過電纜絕緣的電流中含有微弱的DC電流分量（一般在nA級以上），通過檢測這種微弱的DC電流分量可以評估電纜絕緣狀況;由于制造技術的提高，目前XLPE電纜全部采用干交聯法制造。在高壓電纜線路中，由水樹枝引起的絕緣故障很少見。

關鍵詞：絕緣在線監測;長距離電纜;交叉互聯;介質損耗因數;

長距離電纜存在金屬護層交叉互聯和負載電流造成電壓降的問題，因而與短距離電纜絕緣的在線監測存在很多不同。提出了一種新的在線監測方法，即雙端同步測量損耗因數（tanδ）法，對該方法的原理進行了分析，給出了計算tanδ值的理論依據;對存在同步誤差、電壓誤差時該方法可行性進行了論證，運用Matlab軟件對三相電纜等效電路進行了仿真。

一、雙CT法的基本原理

雖然三相電纜金屬護層在各個小段分段處是交叉互聯的，但三相電纜的線芯并沒有交叉互聯，而流過各相電纜主絕緣的電流是從電纜線芯經過主絕緣流向電纜金屬護層的。據此提出了一種新的方法：假設把電纜的輸電端定義為電纜的首端，而把電纜的受電端定義為電纜的末端，如果能將某相電纜首端線芯的電流和末端線芯的電流同時測量出來，根據電流連續原理，并考慮到電纜本身的無源性，則流過電纜主絕緣的電流（泄漏電流）等于電纜首端線芯電流與電纜末端線芯電流的差。因此，只需要在每相電纜的兩端分別加裝一個電流互感器（CT）用于測量流過電纜首端、末端線芯的電流，然后用測量得到電纜首端線芯電流的瞬時值減去電纜末端線芯電流的瞬時值，就可以得到泄漏電流的瞬時值。在每相電纜本體的首、末端分別安裝全球定位系統（GPS）模塊可以實現對電流瞬時值的測量。由于在每相電纜的首末端要分別加裝1個CT，所以稱這種方法為雙CT法。

二、金屬護層交叉互聯下三相電纜絕緣tanδ仿真

1.三相電纜仿真模型的建立。長距離電纜都會存在金屬護層交叉互聯和電壓降的問題。因此，將雙CT法與解決電壓降的策略相結合，構成了解決長距離電纜在線監測的方法，稱這種方法為雙端同步測量tanδ在線監測法。運用Matlab軟件的動態仿真平臺Simulink，主要是利用SimPowerSystem工具箱建立三相電纜絕緣tanδ仿真模型。Z1—Z9分別為A、B、C相電纜絕緣的等效阻抗;RL1—RL18代表三相電纜線芯等效電阻和等效電感的串聯;Ua、Ub、Uc為電網的三相電壓源;負載為RLC并聯負載。文中利用諧波分析法對電壓、電流的基波分量進行提取及運算，利用Fourier模塊實現基波幅值、相角的測量。A1、A2分別為A相兩端的電流測量模塊，V1、V2分別為兩端的電壓測量模塊，同理B相A3、A4模塊和V3、V4模塊，C相A5、A6模塊和V5、V6模塊。

2.選取參考電壓對tanδ值的影響。研究選取不同參考電壓對電纜絕緣tanδ值的影響。為了便于分析，設定負載類型為阻性負載，通過改變負載阻值的大小來改變流過負載電流。以A相為例，分別取電纜首端電壓、末端電壓和兩端電壓相量和的一半作為基準相量，tanδ1、tanδ2、tanδ3分別為以首端、末端及兩端電壓相量和的一半作為基準相量得到的測量值，可知tanδ1、tanδ2值會隨著負載阻值的變化而變化，而tanδ3值保持不變。因此選取兩端電壓的相量和的一半為基準相量計算tanδ值不受負載電流的影響。

3.同步誤差、電壓誤差的影響。同步誤差仿真是通過在圖3電纜模型A相末端電流測量模塊A2、電壓測量模塊V2后分別加一個Transport Delay延時模塊，延時時間設為10μs，B、C相設置不變。仿真結果表明：存在同步誤差時，tanδ值為0.022 63%，差異為0.17%，可知選用同步誤差較小的GPS模塊對監測電纜絕緣的可行性沒有影響。電壓誤差仿真是通過負載Load1與地之間串入阻值為0.001Ω的電阻，以這種方式模擬首末端電壓的地電位存在電位差，B、C相設置不變。仿真結果表明電壓存在誤差對tanδ值沒有影響，證明了方法的可行性。

4.不同故障情況下對tanδ值的仿真。當電纜絕緣處于正常、受潮、損壞及故障狀態時，對電纜絕緣tanδ值的影響。對各段電纜絕緣參數分別進行如下設置：1）設置A相電纜的a3段等值電阻為100MΩ，等值電容為80nF，用以表征電纜絕緣的輕微受潮;2）設置B相電纜的b2段等值電阻為10MΩ，等值電容為100nF，用以表征電纜絕緣的嚴重受潮;3）設置C相電纜的c1段等值電阻為1 MΩ，等值電容為120 nF，用以表征電纜絕緣發生故障;4）設置A相的a3段等值電阻為30 MΩ，等值電容為85 nF，設置B相的b2段等值電阻為5 MΩ，等值電容為150 nF，c1段設置為電纜絕緣正常值，用以表征A、B相電纜絕緣同時發生故障;5）設置A相的a3段等值電阻為20MΩ，等值電容為85 nF，設置B相的b2段等值電阻為10 MΩ，等值電容為90 nF，設置C相的c1段等值電阻為1MΩ，等值電容為100nF，用以表征A、B、C三相電纜絕緣同時發生故障。利用圖3仿真模型進行仿真，設置電纜絕緣出現故障相的tanδ值明顯增大，可以通過tanδ值的變化來判斷電纜絕緣狀況。表明了所提方法能夠準確地反映出各段絕緣的狀況，不論是單相絕緣問題還是多相絕緣故障。利用雙端測量tanδ在線監測法判斷電纜絕緣狀況是可行的。

總之，當存在電網諧波、頻率波動、同步誤差及地電位不同引起的電壓誤差時對在線監測電纜絕緣tanδ值的影響較小，能夠準確反映出電纜絕緣的狀況。

參考文獻

[1]劉輝.基于長距離三相電力電纜絕緣在線監測方法.2020.

[2]鄭雄.XLPE電纜絕緣在線檢測直流疊加法的接地.2019.