高压电缆线路接地系统在线监测

袁燕岭，高中强，陈昕，杨震威（.国网冀北电力有限公司唐山供电公司，唐山　0033；.山东康威通信技术股份有限公司，济南　500）



高压电缆线路接地系统在线监测

袁燕岭1，高中强1，陈昕1，杨震威2
（1.国网冀北电力有限公司唐山供电公司，唐山200233；2.山东康威通信技术股份有限公司，济南250101）

摘要：高压电缆已取代架空线成为城市核心区电网的首选，高压电缆金属护层合理接地是其安全运行的保证。目前国内大多数主干电缆主要通过计划检修实现高压电缆接地电流检测和接地线防盗割。该方式操作简单，但增加了运维成本，且无法实时监测。接地电流在线监测和接地线防盗割系统引起了广泛关注，但目前该领域仍处于尝试和探索阶段，所采用的监测系统常从敷设环境出发，停留在隧道和环境监测等方面，功能单一。基于综合数据智能监测管理平台，采用远程供电和通讯信号共缆传输技术、EMC电磁兼容设计、低功耗设计、终端防护设计、无线传输理论等，建立了高压电缆线路接地系统在线监测系统，实现了接地电流在线监测和接地线防盗割功能。

关键词：接地电流在线监测；接地线防盗割；综合数据智能监测管理平台；无线传输

高压电缆美观、可靠性高、节约用地，符合城市电网的发展需求，在我国各大城市主要区域已基本取代架空线路成为城市核心区电网的首选[1]。现阶段国内大多数主干电缆的管理仍然处于计划检修阶段，即采用定期巡视和检测电缆护层接地线和接地电流的方法对电缆运行状况进行检查。而定期试验和检修不仅大大增加了运维的人力成本，而且由于计划检修的非连续性无法保障电缆绝缘缺陷和潜在故障排查的实时性。

高压电缆护层接地线和接地电流在线检测系统是建设智能电网的一个重要组成部分，目前在国内外均没有明确的规范和标注可以直接借鉴。从查阅文献来看，目前已有不少关于电缆绝缘、局放、测温方面的论文，而关于接地电流分析的论文仍相对较少[2-6]。相对于传统离散、不连续的监测手段，以光纤测温为代表的新一代实时监测系统也得到了广泛关注和应用[7-11]，但针对接地电流的实时监测目前仍然处于探索阶段。国内已经有一些企业和供电单位开始进行该项目的尝试和探索，但是往往系统功能单一，仅停留在隧道防盗和环境监测等方面，而对于高压电缆线路护层接地电流及接地线防盗割在线监测系统的状态分析方面没有实质性突破。建立高压电缆接地线和接地电流实时监测系统显得尤为迫切。

为此，本文围绕高压电缆线路护层接地电流及接地线防盗割在线监测技术开展研究，弥补电缆线路状态监测的空白，提高电缆线路状态检修水平和管理水平。

1工程现状

1.1监测电缆

以常见110 kV送电工程为例，在电缆线路较短时，电缆金属护套采用单端接地加回流线的接地方式。双回电缆共4组直接接地箱，建立接地电流在线监测和接地线防盗割系统。该双回电缆接地方式示意图如图1所示。

1.2存在的问题

从电缆及隧道运行安全性方面考虑，主要包括外力破坏、绝缘老化、电缆外护层损坏。这些问题威胁设备、人身安全，易造成电网停电事故。

高压电缆网、电力隧道突发事故的预警，报警及应急指挥缺少一个集中的监控平台，制约了主系统电缆网突发事故的应急响应速度和效率。仅靠大量增加运行人员数量来应对电力隧道的迅速增长和管理压力已经不现实，采用现代化的技术手段来提高电力隧道运行维护水平是当务之急。

图1电缆接地方式示意图Fig. 1 Grounding schematic of the cable

1.3技术方案

综上，需要建立了一个稳定可靠的系统，为电力日常巡检及状态检修工作提供可靠保证，实现高效化管理，以推动了智能电网信息化、自动化、互动化的进程，提高电网状态检修的管理水平，最大限度地降低事故的发生，实现电缆接地线接地电流0～100 A精确测量及超过500 A以上时超限信号锁定、电缆线路护层电流暂态录波实时展示，有效判断接地箱或铜芯接地线是否被盗割，为故障抢修提供参考数据。

2高压电缆线路接地系统在线监测系统

2.1系统网络

借鉴国际国内成熟的地下空间及高压电缆线路护层接地电流及接地线防盗割在线监测系统建设管理模式，建设该供电公司车变电站高压电缆线路护层接地电流及接地线防盗割在线监测系统。

该高压电缆线路护层接地电流及接地线防盗割在线监测系统是利用现代电子技术、计算机技术和无线（3G/GPRS/CDMA1X/专用无线网络等）通讯技术基于REAL-TIME综合数据智能监测管理平台为基础和核心而研制的，由针对于“架空入地”后采用隧道、排管及管沟方式敷设的缆化高压电缆采用基于远程供电和载波通讯信号同芯线对共缆传输、抗干扰及保护技术的“N合一”有线传输解决方案和针对于“架空入地”后采用短沟及直埋方式敷设的高压电缆采用基于无线通讯技术、非接触式感应取电技术的无线传输解决方案组成。

2.1.1系统网络结构

为了建立在线监测系统，必须建立合理、完整的网络系统。为了保证监测系统的实时性，该高压电缆线路护层接地电流及接地线防盗割在线监测系统从结构层次的角度可分为4层：第一层是由各种应用服务器、数据库服务器、打印终端、存储设备、显示大屏、综合数据智能监测管理平台软件等软硬件设备组建的电缆网运行监控应急调度中心综合数据智能监测管理平台（以下简称：电缆状态监测主站）。第二层是由无线综合监控主机等软硬件设备组成的无线型电缆状态监测子站；本期工程主要涉无线综合监控主机、主线感应取电电源装置等，通常部署在电缆通道等应用现场内。第三层是实现采集、数字化预处理、通讯、控制功能的传输采集装置，本期工程主要涉及集成式护层电流采集器、防盗割状态监测单元等，部署在电缆接头井内。第四层是终端监测装置，属于系统的最底层，本期工程主要涉及三合一CT电流互感器、防盗割报警传感器，通常部署在电缆通道等应用现场内。如图2所示。

2.1.2系统采用技术

1）数字的排版远程供电和载波通讯信号同芯线对共缆传输技术

采用远程供电和载波通讯信号同芯线对共缆传输技术（CT-CPbus技术），低压远程供电（10千米以内）和载波通讯通过一对双绞线传输；一对双绞线可挂接多个终端监测装置，通过主机配置通讯和终端供电的时间比，在保证通讯稳定、可靠的情况下，最大效率地提高了对电源的应用，达到供电和通讯共缆传输的平衡，节省了大量的电缆线路资源的同时，实现一缆多用，把各种不同功能的多个子系统共用一条电缆上。

2）抗干扰及保护技术

EMC电磁兼容设计，远程供电及通讯带来的谐波、传导、辐射、串扰等骚扰问题，针对不同的干扰形式分别采取不同的措施。以消除能量反射，驻波等问题，端口输出设有共、差模滤波器，针对相应干扰设计不同的插入损耗大大降低了共差模干扰的强度，以保证通讯良好，从而很好地适应电力隧道沟道内的复杂电磁干扰环境。

3）低功耗设计

图2系统网络结构图Fig. 2 Network structure of the system

分布在电力隧道内的终端监测装置在远程供电过程中必须有严格的功耗控制，通过严格的电源管理，对于充电、发送、接收、控制等各功能电路实行控制分时上电，待机时关断的电源管理方法，有效地降低了系统功耗；同时在嵌入式软件方面利用微芯公司的MPU的休眠功能，MPU休眠和唤醒再入机制，保证MPU只在通信和数据采集时工作，其他时间处于”休眠”状态，从而将终端的功耗降至最低。

4）终端监测装置防护等级

安装在电缆通道的终端监测装置防护等级均达到IP68标准，终端监测装置通用隔爆型电装盒的防爆标识为Ex d IIB T6 Gb。

2.1.3系统技术优势

线路传输资源稳定可靠：电力隧道和管道内的低烟无卤阻燃通信电缆资源，实现远程供电和载波通讯信号同芯线对共缆传输，在传输线路上由于没有任何光电转换装置（光端机、光纤收发器等），线路直接从终端监测装置到变电站的多状态综合监控主机，电缆接头直接充油封包，可以使用30年以上，适用于隧道和管沟内的恶劣环境；尤其适用于经常积水、过热等环境比较恶劣的电力电缆沟道。

线路资源投资省：电缆通道内数字编址总线式通信网络的低烟无卤阻燃通信电缆资源，且由一对双绞低烟无卤阻燃通信电缆实现远程供电及载波通讯信号传输，一对双绞低烟无卤阻燃通信电缆上可以复接8～16个传输采集装置，线路利用率高，同时无需专门敷设220 V供电线路，线路投资大大节省。

体积小、易安装：安装在电力隧道和电力管井中的终端监测装置体积小巧，可以灵活安装在井口的垂直部分或者隧道内的任意位置，基本不占用隧道和电力管道的有效空间，安装布设灵活。

由于整个综合监测预警系统的终端监测装置都不使用交流220 V电源，均不使用专用的通信设备，终端监测装置的功耗非常低、不发热，密封在专用的防水腔体内，经全国近80万用户10年以上的应用实践，可以有效耐受高低温和浸水的考验，因此这两个系统均可以在恶劣环境下（如隧道积水、过热、过冷等）正常工作，需要本地供电和利用以太网网络传输的仅有视频信号，系统的接头少，维护简单，同时整个系统的经济性和适用性大大提升，因此可以在电力隧道和管沟内中大范围推广使用。

2.2系统设计方案

2.2.1一级监控中心输配电电缆网综合监测平台

系统功能：一级监控中心输配电电缆网综合监测平台承担了各应用系统数据接入、短信报警等支撑功能；电缆网综合智能数据管理平台建设功能齐全、安全可靠的基础支撑系统，同时应满足电缆集中监控、系统展示介绍的功能需要。

设计方案：一级集中监控中心设置在供电公司电缆管理部门，一级集中监控中心的电缆网综合智能数据管理平台软硬件设备主要包括系统报警数据服务器和综合智能数据管理平台软件等设备。

2.2.2二级远程集控监测平台监控屏

系统功能：二级远程集控监测平台监控屏的所有数据信息传送至一级监控中心输配电电缆网综合监测平台，同时可以接收一级集中监控中心的远程控制命令，达到远程集中监测、集中显示报警、集中联动控制和集中管理的目标。

设计方案：二级远程集控监测平台是由无线综合监控主机等软硬件设备组成的无线型电缆状态监测子站，二级远程集控监测平台通过供电公司现有的市调通信网或综合数据网以TCP/IP以太网接口的通信方式将全断面监测数据信息传送至一级集中监控中心电缆网综合智能数据管理平台，同时可以接收一级集中监控中心电缆网综合智能数据管理平台的远程控制命令，达到远程集中监测、集中显示报警、集中联动控制和集中管理的目标；考虑到综合监测预警系统数据有效交互和执行，网络通信带宽不应低于6 Mbit。

2.2.3高压电缆线路故障测巡应用系统

1）系统功能：

可实现对0～1 000 A运行电流精确测量并电缆负荷超限预警。

当超过500 A以上时，护层超限电流监测控制单元可以将超限信号锁定，并上报到一级监控中心REAL-TIME综合数据智能监测管理平台上，为故障抢修和故障定位提供参考数据。

加装0～3 000 A具备线路短路故障瞬态响应功能的录波CT电流互感器和暂态录波电流传感器，可实现对高压电缆线路护层电流暂态录波实时展示。

在电缆接头或接地箱处铜芯接地线加装防盗割报警传感器及远程状态监测控制单元，可有效判断接地箱或铜芯接地线是否被盗割，为故障抢修提供参考数据。

2）设计方案

在电缆线路电缆接头处加装1套电缆电流监测装置（包含1台集成式护层电流采集器及4台0～3 000 A三合一CT电流互感器），可实现对护层电流暂态录波实时展示、500 A以上超大瞬间电流锁定上报及电力电缆护层接地电流的实时采集。

在电缆接头或接地箱处铜芯接地线加装接地线防盗割监测装置（包含1台防盗割状态监测单元及4台防盗割报警传感器），可有效判断接地箱或铜芯接地线是否被盗割。

工程共需安装4台集成式护层电流采集器、16 台0～3 000 A三合一CT电流互感器，4台防盗割状态监测单元及16台防盗割报警传感器。

2.3无线传输原理

电缆状态监测主站（监控中心）与无线综合监控主机之间通过GPRS/CDMA无线网络或APN专网进行数据交互。

防盗割报警传感器采集电缆线路金属护层铜芯接地线被破坏数据信息，采集到的数据信息通过阻燃信号电缆传送至防盗割状态监测单元经过信号调整、模数转换和数据处理后传送至无线综合监控主机，无线综合监控主机经过信号整理、数据加密再通过无线Modem拨号登录Internet公网，以Sever端固定IP建立Socket连接实现TCP/IP以太网接口的通信方式采用IEC61850通讯规约与供电公司电缆状态监测主站（监控中心）的软硬件设备通信，无线综合监控主机上传状态信息和接收供电公司电缆状态监测主站（监控中心）控制指令。

该方案适用于变电站内、电缆终端塔内或接地箱工井内单组远端现场监测单元数据的采集监测，电缆通道内及电缆终端塔处安装的远端现场监测单元所需工作电源应由感应取电装置从电力电缆母线耦合输出12～15VDC电源就近供给（或者有锂电池供给），在电缆隧道监控现场不需要外接交流220 V电源。

2.4接地线防盗割在线监测

高压电缆线路接地线防盗割在线监测系统信号采集传感器根据原理可分为防盗割报警传感器和高温耐压屏蔽电缆2种。

防盗割报警传感器：当电缆线路接地线发生破坏、盗割行为引起的振动，能够被安装的防盗割报警传感器监测震动频率范围，可以较准确地计算出振动源的类别并报警，提高测报符合率。

高温耐压屏蔽电缆：在高压电缆线路接地线外缠绕敷设（外围周边）高温耐压屏蔽线，当接地线路遭破坏时，高温耐压屏蔽线电缆造成短路，采集器将信号传送至供电公司电缆状态监测主站（监控中心）。在监控中心报警，提醒值班人员做预警处理。

通过加装在线接地环流测试系统装置，可以实时掌握电缆运行状态和老化程度，可以有针对性地对电缆进行维护管理，避免重复停电，同时可以减少故障发生，提高电缆的输电能力，提高设备利用率，减少检修维护费用。

通过对高压电缆线路电缆接头或接地箱处铜芯接地线加装防盗割报警传感器及远程状态监测控制单元，可有效判断接地箱或铜芯接地线是否被盗割，为故障抢修提供参考数据。

3政策适应性分析

隧道内加装智能监控系统，是《国家电网公司电缆通道管理规范》的明确要求，是开展电缆专业状态检修工作的基础，是适应智能化电网的发展要求，实现电缆专业由粗放式管理向“专业化、精益化、智能化”的现代化管理方向转变的必经之路。

4　结论

在线监测系统的建立在保障电网安全稳定运行的工作中占有举足轻重的地位。随着电网建设的高速发展，管理电网安全运行的任务越来越重，这就给管理信息化提出了更高的要求，加快信息化建设、提高各系统的工作效率和现代化管理水平，已经成为提高电缆运行水平的战略抉择，建设电缆隧道多状态在线监控系统已迫在眉睫。本文以实际工程为例，实施结果表明：通过加装综合智能监控系统，可以为电缆状态检修和评价工作提供可靠依据，提高电缆健康水平，提升精益化管理水平；可以降低工作人员的风险系数和劳动强度，有效缓解目前存在的结构性缺员问题；可以降低环境及突发事件影响，提高应急事件的处置能力，提高设备可靠性。

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袁燕岭（1982—），男，硕士，高级工程师，国网唐山供电公司，主要从事电力设备运维检修研究；

高中强（1981—），男，本科，工程师、高级技师，国网唐山供电公司，主要从事电力设备运维检修研究；

陈昕（1985—），男，本科，工程师，国网唐山供电公司，主要从事电力设备运维检修研究；

杨震威（1971—），男，高级工程师，工学学士，山东康威通信技术股份有限公司，长期从事地下电缆隧道及缆化高压电缆线路运行安全综合监测预警技术管理工作。

（编辑黄晶）

Real-Time Monitoring of the High-Voltage Cable Line’s Grounding System

YUAN Yanling1，GAO Zhongqiang1，CHEN Xin1，YANG Zhenwei2
（1. Tangshan Power Supply Company of State Grid Jibei Electric Power Company，Tangshan 200233，Hebei，China；2. Shandong Kangwei Communication Technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，Shandong，China）

ABSTRACT：High-voltage cable is widely used in the urban core grid in lieu of the overhead line. The reasonable grounding of the high-voltage cable is essential to ensure the girds’safety. Planned maintenance is the most widely used method to realize grounding current detection and anti-theft cut of the grounding wire. This approach is simple，but the operation and maintenance costs are high and the real-time monitoring is impossible to be realized. The ground current online monitoring and ground line cut anti-theft system has aroused widespread concern，but the field is still in the trial and exploratory stage，and the monitoring systems used are often based on the laying environment，still staying at the single function level of the tunnel and environmental monitoring. In this paper，based on the integrated data management platform for intelligent monitoring，and by use of power supply and communication signals using cable transmission technology，EMC electromagnetic compatibility design，low power design，the terminal protection design，wireless transmission theory，a high-voltage cable lines grounding online monitoring system is established to realize the grounded current real-time monitoring and grounding wire cut anti-theft feature.

KEY WORDS：real-time monitoring of the grounding current；ground wire cut anti-theft；the integrated data management platform for intelligent monitoring；wireless transmission

作者简介：

收稿日期：2015-07-30。

文章编号：1674- 3814（2016）02- 0077- 06

中图分类号：TM64；TM743

文献标志码：B