摘要：配网三相交联聚乙烯电缆故障监测的常规方法，是在电缆的相线和接地线上分别安装电流、电压传感器，在线采集监测电缆故障信息。但为了提高电网的供电可靠性，许多条件下无法“停电开箱”安装相线传感器，只能基于采集电缆的零序电流来实现对中压配网三相交联聚乙烯电缆故障的在线监测。本文就基于零序电流的配网三相交联聚乙烯电缆故障监测机理开展研究分析，为提高配电网的供电可靠性，提供一种新的技术手段和理论依据。
关键词：三相交联聚乙烯电缆；故障；零序电流；监测机理
一、研究背景概况
随着城市化发展的进程，大量的10kv架空线路改为配网地下电缆，三芯交联聚乙烯电缆广泛应用于城市中压配电网中。根据负荷对可靠性、供电质量和区域环境协调等要求的不同，由箱变、环网箱和三芯电缆等电网设施构成的中压配电网，一般有单射线、双射线、单环网(普通环、手拉手环)、双环网、多供一备、多分段多联络等网架结构[1]。其节点多、覆盖面广，一旦发生电缆故障，需派员沿线按图排查，导致停电时间长。而若采用目前常规的在三芯电缆安装电缆故障传感器的监测方法，则需在“停电开柜”后才能在环网箱内的三相电缆末端分相处，分别安装相线和接地线段的故障传感器。故大量的停电作业对供电单位的提升“供电可靠性”社会承诺提出了挑战。
因此鉴于“不停电、不开柜”的供电可靠性保障条件，目前唯有通过以非侵入方式来对处于配网箱变、环网柜外部的10kv三相型电缆本体上的零序电流信息的在线采集，实现对三相电缆的短路故障在线监测和识别定位。但依据零序电流形成的必要条件：一是具备零序电压，二是具有零序电流通道。常规认为中压配网因三相电缆系统没有接地（无零序通道），相间短路故障时不存在任何零序分量2。故无法基于零序电流监测中压配网三相交联聚乙烯电缆故障，特别是短路故障。
为此，本文通过对配网10kv三相交联聚乙烯电缆短路故障的零序电流形成机理的研究和实验室试验验证，来解析基于零序电流的配网三相交联聚乙烯电缆故障监测方法的技术可行性。
二、三相电缆的结构特点
三相交联聚乙烯电力电缆基本结构主要包括导电缆芯、绝缘层、填充层和外护套等组成，如图1所示。
图1 三相交联聚乙烯电缆基本结构
其中的电缆导体芯是电缆传送电能的主要部件。导体截面大小、材料的阻抗特性决定了电缆的负荷能力，目前基本采用铜材料制成。包覆在电缆导体芯周边的绝缘层，是确保电缆导体安全传送电能的电气绝缘隔离。其材料的热稳定性也决定了电缆负载能力大小。目前采用交联聚乙烯高温绝缘材料制成的YJV型电缆，要比非交联的聚乙烯材料制成的VV型电缆的负载热温定性更好。而在电缆导体芯的绝缘层外所包覆的金属屏蔽层（护套），是为了使电缆保持长期稳定的物理性能和电气性能，起到屏蔽电缆相芯的电场作用3。一般均由铜带缠绕包裹而成。电缆的填充层则是由于三相电缆之间有很多的空隙，为了让各相电缆之间保持相对的稳固，基本保持一个正三角形的排列，就需要在三相电缆之间的空隙间填入具备一定柔性的材料，使电缆内部的结构保持稳定。电缆的外护套则是保护电缆的各相导体的金属屏蔽层的绝缘隔离。
三、三相电缆的故障零序电流形成机理
解析三相交联聚乙烯电缆中的单相（A相）缆芯运行机理如图2所示。在三相电缆传送交流电能中，其A相缆芯导体和金属屏蔽护套间具有类似空芯变压器模型的电磁耦合关系。A相缆芯导体相当于原边绕组，而A相金属屏蔽层相当于副边绕组。当高压电缆线芯通过交流电流时，会在A相线芯周围产生感应磁场，该感应磁场不仅与缆芯交链，也与金属屏蔽层交链。因而会在金属屏蔽层上产生感应电压。同时由于工作相电压作用在A相缆芯导体与A相金属屏蔽层间形成的A相等效电容上，产生电容电势。
图2 不同散射光物理特性传感原理
因此，在三相交联聚乙烯电缆正常运行中，在电缆的三相金属屏蔽层会同时产生交变感应电压和电容电压。为了避免这两个电压对电缆安全运行产生的危害，因此运行中的配网三相交联聚乙烯电缆的金属屏蔽护套需要可靠接地，是保障电力电缆线路安全稳定运行的重要保护措施4、5。即图2中的A相屏蔽层接地带。由于三相交联聚乙烯电缆的三相缆芯呈现正三角排列，三相金属护套相互接触，相当于共用一个金属护套，因此配网的三相交联聚乙烯电缆运行接地原理如图3所示。
图3 三相电缆屏蔽层接地运行原理
三相交联聚乙烯电缆运行接地方式有6、7：
1.金属护套两端接地：金属护套两端接地是指电缆金属护套首、末端位置直接接地的连接方式。适用于35kV及以下电压等级电缆线路。
2.金属护套一端接地：只有一个端点与大地相连，其他位置对地绝缘而形成不了环流回路，因此对电缆载流量没有影响。适用于电缆长度在500m以内，金属护套任意一点感应电压小于300V的电缆线路。
3.金属护套中点接地：当电缆线路长度大于500m小于1000m时，若采用在电缆线路中间处对金属护套进行单点接地，而电缆金属护套的首、末段经保护器接地。保证了金属护套任意一点感应电压不超过300V。
4.金属护套交叉互联：将一条电缆线路分为等长的3小段，每段之间装设中间接头和交叉互联箱，在中间接头处三相金属护套之间用同轴引线经接线盒进行交叉互联换位连接并经保护器接地，整条电缆金属护套首、末端直接接地，形成一个交叉互联单元。
正是上述的三相交联聚乙烯电缆运行接地方式，为电缆金属屏蔽层上的交变感应电压和电容电压，提供了由三相交联聚乙烯电缆的金属屏蔽层-接地体-大地形成的屏蔽层接地电流通道。使得三相交联聚乙烯电缆的金属屏蔽层（护套）在电缆正常运行时流过与相芯电流对应关系的电容电流和感应电流。并在系统发生短路时作为短路电流的通道。
其中对应缆芯零序电流的屏蔽层接地电流的关系是：
1.当中压配电网三相交联聚乙烯电缆正常运行时，因三相缆芯电流平衡，在金属护套上合成磁通为0，因而感应电压和感应电流为0。又因三相缆芯电压平衡，缆芯与金属护套之间的电容电流为0。
2.若电缆因绝缘击穿发生不对称短路故障时，流经金属屏蔽层上的接地电流含有三种成分8：①短路电流；②因缆芯零序电流“镜像效应”引起的“镜像等效”屏蔽层接地电流；③因母线零序电压引起的电容电流。
因此在中压配电网三相交联聚乙烯电缆短路故障时，会产成三相电缆的缆芯零序电压和电流，并镜像等效感应到电缆的金属屏蔽层上。而三相电缆的缆芯金属屏蔽层接地结构，构成了电缆的三相四线等效结构，为电缆的金属屏蔽层上由感应电流和电容电流合成的“镜像”零序电流（包含稳态和暂态的）提供了通道；
上述机理的解析，满足了配网零序电流的必要条件：一是具备零序电压，二是具有零序电流通道。展示了基于零序电流的配网三相交联聚乙烯电缆的故障监测的可行性。为在不停电的条件下，仅基于零序电流实现对配网三相交联聚乙烯电缆故障在线监测、及时发现、准确定位提供一种新的技术手段和理论依据。
四、三相电缆故障零序电流形成机理验证
为了验证本文对10kv三相交联聚乙烯电缆的相间短路故障的零序电流形成机理的研究成果，我们在上海市电器设备检测所的支持下，开展了基于零序电流的配网三相交联聚乙烯电缆的故障监测技术可行性实验验证，如图4所示。
图4 技术可行性实验验证报告
通过多角度的电缆故障模拟实验，验证了本文对配网10kv三相交联聚乙烯电缆的相间短路故障的零序电流形成机理的研究成果，其实验波型数据如图5所示。
图5 三相型电缆故障的零序电流
五、技术小结
为此，本文通过对10kv三相交联聚乙烯电缆的相间短路故障的零序电流形成机理的研究和试验验证，确认了基于零序电流的配网三相交联聚乙烯电缆故障监测的技术可行性。为在不停电的条件下，仅基于零序电流实现对配网三相交联聚乙烯电缆故障在线监测、及时发现提供一种新的技术手段和理论依据。下一步还需通过研究配网电源的不同接地方式下的零序电流分布特征机理，为仅基于零序电流实现对配网三相交联聚乙烯电缆故障的准确定位，提供一种新的技术手段和判断依据。
参考文献
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论文作者:姚叶1,沈晨2,季晨3,唐晨凯4,陆遥5,唐莹莹6
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/9
标签：电缆论文; 护套论文; 电流论文; 聚乙烯论文; 金属论文; 故障论文; 屏蔽论文; 《电力设备》2019年第15期论文;