长距离三相电力电缆绝缘在线监测方法

曾乾君

摘要：目前，电力电缆绝缘在线监测方法主要有DC分量法、DC叠加法、交流叠加法、接地电流法、局部放电法和损耗因数法。DC分量法是指在外加交流电源的作用下，运行中的XLPE电缆绝缘若产生水分支，由于水分支的“整流效应”，流过电缆绝缘的电流中含有微弱的DC电流分量（一般在nA级以上），通过检测这种微弱的DC电流分量可以评估电缆绝缘状况;由于制造技术的提高，目前XLPE电缆全部采用干交联法制造。在高压电缆线路中，由水树枝引起的绝缘故障很少见。

关键词：绝缘在线监测;长距离电缆;交叉互联;介质损耗因数;

长距离电缆存在金属护层交叉互联和负载电流造成电压降的问题，因而与短距离电缆绝缘的在线监测存在很多不同。提出了一种新的在线监测方法，即双端同步测量损耗因数（tanδ）法，对该方法的原理进行了分析，给出了计算tanδ值的理论依据;对存在同步误差、电压误差时该方法可行性进行了论证，运用Matlab软件对三相电缆等效电路进行了仿真。

一、双CT法的基本原理

虽然三相电缆金属护层在各个小段分段处是交叉互联的，但三相电缆的线芯并没有交叉互联，而流过各相电缆主绝缘的电流是从电缆线芯经过主绝缘流向电缆金属护层的。据此提出了一种新的方法：假设把电缆的输电端定义为电缆的首端，而把电缆的受电端定义为电缆的末端，如果能将某相电缆首端线芯的电流和末端线芯的电流同时测量出来，根据电流连续原理，并考虑到电缆本身的无源性，则流过电缆主绝缘的电流（泄漏电流）等于电缆首端线芯电流与电缆末端线芯电流的差。因此，只需要在每相电缆的两端分别加装一个电流互感器（CT）用于测量流过电缆首端、末端线芯的电流，然后用测量得到电缆首端线芯电流的瞬时值减去电缆末端线芯电流的瞬时值，就可以得到泄漏电流的瞬时值。在每相电缆本体的首、末端分别安装全球定位系统（GPS）模块可以实现对电流瞬时值的测量。由于在每相电缆的首末端要分别加装1个CT，所以称这种方法为双CT法。

二、金属护层交叉互联下三相电缆绝缘tanδ仿真

1.三相电缆仿真模型的建立。长距离电缆都会存在金属护层交叉互联和电压降的问题。因此，将双CT法与解决电压降的策略相结合，构成了解决长距离电缆在线监测的方法，称这种方法为双端同步测量tanδ在线监测法。运用Matlab软件的动态仿真平台Simulink，主要是利用SimPowerSystem工具箱建立三相电缆绝缘tanδ仿真模型。Z1—Z9分别为A、B、C相电缆绝缘的等效阻抗;RL1—RL18代表三相电缆线芯等效电阻和等效电感的串联;Ua、Ub、Uc为电网的三相电压源;负载为RLC并联负载。文中利用谐波分析法对电压、电流的基波分量进行提取及运算，利用Fourier模块实现基波幅值、相角的测量。A1、A2分别为A相两端的电流测量模块，V1、V2分别为两端的电压测量模块，同理B相A3、A4模块和V3、V4模块，C相A5、A6模块和V5、V6模块。

2.选取参考电压对tanδ值的影响。研究选取不同参考电压对电缆绝缘tanδ值的影响。为了便于分析，设定负载类型为阻性负载，通过改变负载阻值的大小来改变流过负载电流。以A相为例，分别取电缆首端电压、末端电压和两端电压相量和的一半作为基准相量，tanδ1、tanδ2、tanδ3分别为以首端、末端及两端电压相量和的一半作为基准相量得到的测量值，可知tanδ1、tanδ2值会随着负载阻值的变化而变化，而tanδ3值保持不变。因此选取两端电压的相量和的一半为基准相量计算tanδ值不受负载电流的影响。

3.同步误差、电压误差的影响。同步误差仿真是通过在图3电缆模型A相末端电流测量模块A2、电压测量模块V2后分别加一个Transport Delay延时模块，延时时间设为10μs，B、C相设置不变。仿真结果表明：存在同步误差时，tanδ值为0.022 63%，差异为0.17%，可知选用同步误差较小的GPS模块对监测电缆绝缘的可行性没有影响。电压误差仿真是通过负载Load1与地之间串入阻值为0.001Ω的电阻，以这种方式模拟首末端电压的地电位存在电位差，B、C相设置不变。仿真结果表明电压存在误差对tanδ值没有影响，证明了方法的可行性。

4.不同故障情况下对tanδ值的仿真。当电缆绝缘处于正常、受潮、损坏及故障状态时，对电缆绝缘tanδ值的影响。对各段电缆绝缘参数分别进行如下设置：1）设置A相电缆的a3段等值电阻为100MΩ，等值电容为80nF，用以表征电缆绝缘的轻微受潮;2）设置B相电缆的b2段等值电阻为10MΩ，等值电容为100nF，用以表征电缆绝缘的严重受潮;3）设置C相电缆的c1段等值电阻为1 MΩ，等值电容为120 nF，用以表征电缆绝缘发生故障;4）设置A相的a3段等值电阻为30 MΩ，等值电容为85 nF，设置B相的b2段等值电阻为5 MΩ，等值电容为150 nF，c1段设置为电缆绝缘正常值，用以表征A、B相电缆绝缘同时发生故障;5）设置A相的a3段等值电阻为20MΩ，等值电容为85 nF，设置B相的b2段等值电阻为10 MΩ，等值电容为90 nF，设置C相的c1段等值电阻为1MΩ，等值电容为100nF，用以表征A、B、C三相电缆绝缘同时发生故障。利用图3仿真模型进行仿真，设置电缆绝缘出現故障相的tanδ值明显增大，可以通过tanδ值的变化来判断电缆绝缘状况。表明了所提方法能够准确地反映出各段绝缘的状况，不论是单相绝缘问题还是多相绝缘故障。利用双端测量tanδ在线监测法判断电缆绝缘状况是可行的。

总之，当存在电网谐波、频率波动、同步误差及地电位不同引起的电压误差时对在线监测电缆绝缘tanδ值的影响较小，能够准确反映出电缆绝缘的状况。

参考文献

[1]刘辉.基于长距离三相电力电缆绝缘在线监测方法.2020.

[2]郑雄.XLPE电缆绝缘在线检测直流叠加法的接地.2019.