摘要：交联聚乙烯（XLPE）性能稳定，工程质量良好，始终是电力电缆的主要绝缘构成材质。文中根据电缆主绝缘故障较少，而护层和插件层故障层出不穷的工程现状，提出了针对金属护层的一种XLPE接地环流监测方案。旨在电缆护层状态分析的基础上，建立护层感应电势模型，并对常规状态下电压作用、短路、异常进行核算，从而整合推出XLPE接地感应环流电路模型。在此基础上建立接地环流公式，可方便诊断出金属护层的各类损伤、故障及异常接地环流。经过实验测试结果表明，此监测方案可灵敏反应绝缘状况，实时反馈电缆状态。其数据表征稳定，具备极高的研究、开发价值。
关键词：XLPE电力电缆；金属护层；感应、接地环流；灵敏检测中图分类号：TM274文献标识码：A文章编号：1674-6236（2018）20-0128-05
交联聚乙烯XLPE是国内主流的电力电缆，内部结构包含：主电缆芯线、绝缘层和保护层。其中，保护层的材质又分为：金属型、塑胶型以及混合型[1-3]。护层能有效防止大部分的电缆侵蚀，但常规电缆监测主要集中在绝缘层。却忽略了护层的监测，这在护层感应环流故障中暴露出了极大的弊端。由于主绝缘层的品质变化会造成护层状态的改变，故对护层的监测可一次识别绝缘层和金属护层的故障异常，技术意义重大。
对于电力电缆的金属护层缺陷、故障和异常监测，工程上通常采用电桥法进行故障源定位。然后根据不同环境状态与需求，适配选择音频法、跨步电压法、直流冲击法中的一种进行二次精确定位[4-6]。此外，故障统计是维持电力电缆长久正常运行的管理基础，也是在线监测的重点工作。通过故障统计可分析出故障原因，为方案决策提供数据支持。本文在现有监测研究成果上，提出了一种基于接地环流的XLPE监测方案，建模实现电力电缆绝缘状态评价体系和故障评价指标，来构建接地感应环流的在线监测系统。
1XLPE接地系统
在高压交流电缆上，随着磁场增强金属类护层将会产生感应电压，电压达到一定阈值将会击穿绝缘层造成短路故障[7-10]。因此，通常需要对线路进行保护接地。此时，地回路接地电阻设计成为重要影响指标。指标不达标将会造成多点接地、地电压反击等故障，常用的接地法有一端接地、交叉互联、多点接地等。具体施工时会根据线路长度划定分段接地，以维持护层环流在一定的安全阈值内。但交叉互联过程中，较易出现隐性失误，导致不完全换位，从而使护层环流激增。
在三芯电缆线中，金属护层相当于和三相芯平行的一导体P。中心距离表示，如图1所示
其中，GMRS为金属护层几何平均距离。通过公式（12），相应改变p、q、r值，调整相位角即可获得A、B的护层感应电压。而在实际输电工作环境中，电缆各参数为：平均护层直径DS=77.8mm，电缆中心轴距离S=250mm，电缆每相负载电流为I=500A。在等边三角敷设下，金属护层感应电压分别为[6]：USa=USb=USc=IXS=500×1.1690×10-4=0.0545(V/m)（13）
因此，在单芯电缆设计搭建过程，需充分考虑金属护层的感应电压影响，动态监测避免环流故障，才能实现经济、稳定的电缆运行系统。
2。XLPE接地环流分析与监测方案。
2.1金属护层环流建模
基于金属护层感应电势，在接地回路中将会产生不平衡波动或接地故障时均会导致感应环流。此外，由于长期的电缆敷设环境损伤、破坏也会致使金属护层多点接地，热损耗增加，环流消耗严重[7]。环流的大小取决于电缆感应电势、回路阻抗，还会受到排列方式和线路长度及地理环境的影响。为此，文中定义E1、E2、E3分别为三相电缆A、B、C感应电势；R0、R2为接地阻抗；R3为大地阻抗；R为屏蔽层阻抗；X为电缆金属屏蔽层自感抗；X1为单位长度中、边相屏蔽层互感抗；X2为单位长度边相互感抗，电缆长度为n。回路电压方程组模型，如公式（14）。
在实际工作环境中，敷设深度常为1000mm，电缆长度>1000m，接地电阻约为0.6Ω，S=220mm，RS=0.274×10-3Ω/m，DC=510370mm，环境温度约为25℃。代入式（14）中，可得接地环流公式（15）：
得到IS=0.017mA，若回路接地电阻R1+R2=1MΩ（即没有接地电阻）情况下，护层环流IS1=0.017mA。由此也可得出，金属护层环流受接地电阻影响，且在多点接地时波动显著。
2.2XLPE环流监测方案设计总结电缆护层常规缺陷或故障大致有：外力护层损坏、电缆附件质量缺陷、辐射质量缺陷等。故障外在表征有：感应接地环流、局部放电，且以环流为主要表现，异常状态下接地电流将瞬间增大一个量级[8]。
基于以上故障特征，文中将感应环流作为XLPE护层接地异常的判断依据。监测系统构架示意，如图4所示。
2.2.1内部传感器设计
传感器基于电流互感，取正常环流值的10～12倍为有效范围进行信号出发，可保证较好的线性关系和饱和性能。传感器特性测试，见表1和图5所示。在22A以下，U/I呈线性关系；22A以上时电流趋于饱和，电压缓增至7V，满足基础设计需求[9]。
2.2.2外部系统及接口电路金属护层外部系统设计需要加入一个信号调制器，对激增电流、电压进行限制并提升电缆抗干扰能
力，设定UR=±9V，结构如图6所示。此外，为了保障A/D转换电路的安全性，采用逐次逼近式原理工作，单通道输入。芯片核使用ADS7805，工作温度-25℃~85℃[10，11-16]。A/D转换及DSP接口电路，如图7所示。
力，设定UR=±9V，结构如图6所示。此外，为了保障A/D转换电路的安全性，采用逐次逼近式原理工作，单通道入。芯片核使用ADS7805，工作温度-25℃~85℃[10，11-16]。A/D转换及DSP接口电路，如图7所示。
2.2.3护层环流实验
随后，为检验系统对环流监测的效果，本文对单芯电缆进行了护层接地环流测试，实验电路如图11所示。实验条件为：长度l=269m，总电容C=456μF，总电感L=22.57mH，护层电阻R=0.56Ω，缆芯直径
D1=0.55cm，护层直径D1=2.34cm，电阻率ρ=100Ω·m。测试数据统计：缆芯电压峰值Up-pA、缆芯电流峰值Ip-pA、护层电压峰值Up-pB、护层电流峰值IppB等，绘制成表2。
实验结果表明：金属护层环流为主要电缆故障原因，各类因素导致的多点接地会使环流激增。再将实验数据带入环流模型计算公式，得到环流I=687.5A，与实验数据基本符合。
3结束语
文中在XLPE电力电缆在线监测研究基础上，提出了接地环流进行故障判定法，建立数学模型来监测电缆异常。并从金属护层状态分析出发，推导感应电势和接地环流公式，通过ADS7805和PSD接口电路通信反馈金属护层参数状态。从而实现实时监测异常状态，及时的进行电力检修，降低引起短路故障等电力事故的发生概率。该方法具备极高的技术研究价值和深度开发前景。
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文章出自葛少伟，侯建峰，苏菲，牟泽刚，李德泉（济南供电公司山东济南250000）《电子设计工程》2018年第20期
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