接地电流监测在高压电缆在线监测中的应用

杨宇峰，孙满法，尤灵伟

（杭州交联电气工程有限公司，浙江 杭州 310011）

0 前言

交联聚乙烯电缆因其性能优良、施工工艺简单、安装方便、载流量大、耐热性能好等特点，取代了传统的油纸绝缘电缆，在配电网、输电线路中有着广泛的应用。2005年后，全国电网再未投运过新的充油电缆线路，交联聚乙烯电缆已构成城市供电和主网架的重要环节。相比架空线路，因交联聚乙烯电缆敷设的隐蔽性，其运行性能状况及缺陷等现象难以被直观发现。为全面动态把握电缆运行状况和缺陷，国内外专家已对电缆在线监测研究了20多年，并研发了多种电缆在线监测系统。

交联聚乙烯电力电缆在正常环境中的使用寿命为20～30年，然而由于电缆一般都敷设在电缆沟中或直埋于地下，敷设环境及使用状态会极大地影响电缆寿命。一旦地下电缆发生故障，将带来很大损失。高压电力电缆在线监测系统可随时对电缆绝缘的老化状态进行监视，对电力电缆的可靠运行、减少停电次数、实现状态检修等方面有着十分重要的意义。

1 电缆的劣化机理及在线监测方法

电缆绝缘材料的劣化主要有热劣化、电气劣化及化学性劣化等几种类型。

(1) 热劣化主要是指电缆在承载负荷电流时，在导体自身电阻损耗发热、电缆绝缘部分泄漏电流损耗发热等过程中引起的交联聚乙烯材料劣化。

(2) 电气劣化主要有电树枝劣化和水树枝劣化。由于电缆绝缘材料存在杂质、气泡等缺陷，在电缆通电时会在绝缘介质中产生极不均匀的电场，形成电树枝。电树枝是引起局部放电的主要原因之一。在水分及交流电场作用下，电缆交联聚乙烯材料会产生水树枝劣化现象。水树枝会造成电缆绝缘性能降低，介质损耗因素tanδ升高，这是电缆绝缘整体劣化的主要原因之一。

(3) 化学性劣化主要是在热劣化、电气劣化及环境化学因素作用下的综合劣化过程。

根据电缆的物理属性，以及在运行状态下的劣化形成及发展过程中显现的物理特性，研究人员提出的在线监测方法主要有：直流分量法、直流叠加法、损耗因素法、局部放电法、低频叠加法、温度分布测量法、接地电流测量法等。

2 电缆在线监测方法的市场应用

虽然电缆在线监测的手段和方法众多，但随着电缆制造工艺及绝缘材料性能的提高，直流分量法、直流叠加法、损耗因素法等传统方法已不适用。由于诸多监测方法有其自身特点和实际工程应用的局限性，目前在现场应用的在线监测系统主要有：110 kV及以上单芯电缆的温度在线监测系统、局放在线监测系统、接地电流在线监测系统等，110 kV等级以下电缆在线监测产品则比较少。

3 单芯、三芯电缆运行中的接地电流分析

110 kV及110 kV以上电缆以单芯电缆为主，35 kV及35 kV以下电缆以三芯电缆为主。运行电缆护层接地线上的电流，主要由感应电流、电容电流、泄漏电流3部分组成。

对于单芯电缆，接地方式有单端接地、两端接地、交叉互联接地等。对于两端接地的单芯电缆，其接地电流以感应电流为主。单端接地的电缆，以电容电流为主。绝缘良好的运行电缆，其泄漏电流极小，正常运行时可忽略不计。

三芯电缆因三相电流的对称性及大小几近相等，在接地护层中的合成感应电势接近于0。因此，三芯电缆采用两端接地的方式。

流过电缆主绝缘的电容电流，在电缆老化过程中的变化比较明显，呈增加趋势。对单芯、三芯电缆来说，电容的变化都会使接地线电流增大。因此，通过在线监测单相电力电缆的接地电容电流或三相电力电缆的接地不平衡电流，就可实时监测电缆的运行状态，防止电缆绝缘事故的发生。

单相电缆导体与金属屏蔽层间的等效电路见图1。当电缆整体老化或受潮，电缆局部故障或端部电缆头脏污受潮时，分布参数C将均匀增大，R将均匀减小。对于同一电缆，接地线电容电流增加幅度对C的变化非常敏感。

图1 单相电缆导体与金属屏蔽层间的等效电路

对35 kV及35 kV以下三相电缆来说，三相电缆同时整体老化或受潮时，由理论分析可知：测量接地电流对故障现象的反应其实是不灵敏的，但实际运行中的电缆，同步老化或受潮的概率很低。由此，三相电力电缆接地不平衡电流同样可反映电缆护层的绝缘状况，并且其灵敏度明显高于检测单相电缆接地电容电流。三相电缆接地电流的监测也可有效反应电缆负载的情况，如果三相负载相差较大或某一相或两相发生接地故障时，都能有效反应到接地电流上。

当单相电缆绝缘护套破损、金属护层出现两点或多点接地时，会产生环流，严重时可超过负荷电流的50 %以上。环流损耗使金属护层发热，加速电缆主绝缘老化，威胁电缆运行安全。因此，监测电缆的接地电流，也可获取电缆外护套的完整信息。

由上述分析可知：实现运行电缆接地电流的细化分析和监测对电缆的安全运行意义重大。

电缆在线监测的应用，都是对电缆绝缘状况的分析和跟踪，但是绝缘状况的变化都伴随着接地电流状态的变化。因此，在所有的监测手段中，接地电流监测最为基础，也比较直观。

4 接地电流在线监测与其他监测方法的比较

温度在线监测、局放在线监测、介损在线监测等方法的实现，都是基于对运行电缆中电流变化发展为基础的监测。电缆劣化，导致电缆整体或局部有损电流增加；有损电流增加，导致电缆整体或局部发热，绝缘介质介损增大。运行中的局部缺陷，在最初阶段为非贯穿性放电现象，但最终发展为贯穿性放电，引起接地电流异常。

从经济角度分析，目前的温度、局放在线监测系统技术要求高，经济投入高，施工维护成本高。对于固体材料，其劣化损坏过程是一个不可逆转的变化过程。电缆主绝缘在运行过程中流过电容电流，在劣化过程中其电容量呈增加趋势，导致接地线电流增大。加速劣化试验证明此种变化是明显的，同时交流击穿电压与接地线电流增量有较强的相关性。在线接地电流监测的研究可排除掉与劣化信息关联微弱的信号干扰，从接地线电流中提取出蕴含电缆绝缘劣化的容性电流变化、泄漏电流变化、局部放电信号等信息的参量，以此综合评估绝缘的劣化状况。由此得知，接地电流在线监测的研究和应用具有重大的现实意义。

通过接地电流在线监测分析，对运行电缆动态过程进行把握，当运行电缆接地电流发生异常变化时，可合理安排停电检查，从而避免电缆事故的发生。相比其他在线监测手段，接地电流在线监测不仅实现了在线动态监控，还可对电缆故障趋势有所预估，且因接地电流在线监测系统安装应用更为方便，大大节省了经济成本投入。

5 接地电流在线监测装置应用开发思路

接地电流的监测手段已十分成熟。接地电流在线监测装置设置时，在电缆两个终端、中间连接处(或中间交叉互联箱内)设置高精度电流互感器，通过互感器采样，将接地电流信息传输至分析装置进行分析。根据电缆不同使用方式(单芯或三芯)及其接地方式(一端、两端或交叉互联)下，电缆在老化或故障后接地电流各自特点的分析，开发智能型在线分析装置，是接地电流在线监测的应用关键。另外，可进一步应用比较成熟的无线网络传输技术，开发智能分析系统装置无线传输功能及相关应用软件，使缺陷或故障信息能够在任意时刻及时传送至运行人员的智能手机终端，确保运行人员对运行状况的跟踪不受空间限制，同时也可使运行人员通过手机终端随时随地上网了解电缆运行的实时数据、历史数据及状态分析结果等信息。

6 结束语

虽然市场有较多的电缆在线监测装置，如光纤分布式感温监测系统、电缆综合在线监测系统，然而根据多年工程实践统计并收集相关应用资料得知：电力系统内部及用户在设备运行过程中，有关110 kV及110 kV以下的电缆运行维护，还是采取人工定期巡检制度，以获取电缆接地电流的相关信息;存在在线监测装置使用一段时间后舍弃不用的现象。原因可能有2点：

(1) 目前电缆在线检测装置产品的市场适应性还不够强；

(2) 电缆运行主体对运行电缆接地电流在线监测的意义认识还不够充分。

本文旨在通过对运行中电缆接地电流特点的分析，总结比较电缆在线监测系统的应用，为专业人员在接地电流在线检测系统更加深入的研究、开发、推广和应用方面提供相关资料分析；使运行人员对运行中电缆接地电流动态监测重要性有更深入的认识。对接地电流在线监测特点的分析，对节省在线监测系统经济成本及安装维护成本，推进市场应用，都有着实际意义。