基于接地环流特征的电缆金属护套接地系统缺陷监测方法与流程

1.本发明属于高压电缆领域，涉及高压电缆接地环流技术，尤其是一种基于接地环流特征的电缆金属护套接地系统缺陷监测方法。


背景技术：

2.随着国内城市化进程的发展，高压电缆在城市市区范围内应用越来越广泛。由于高压电缆为单芯结构，结构中存在金属护套，当电缆线芯通过交变的电流时，会在其周围产生交变的磁场，金属护套因为变化磁场的作用产生感应电压。
3.为了防范金属护套感应电压和护套环流过高的危害，高压电缆通常采用金属护套交叉互联接地方式进行接地以抑制感应电压从而减小接地环流。电缆交叉互联接地是指将段长电缆线路的护套平均分为三小段，然后三段电缆金属护套的三相经同轴电缆、交叉互联箱进行交叉换位连接。由于三相电缆护套上的感应电压相位相差120
°
且大小近似相等，通过不同的三相小段电缆护套的串联即可使三段护套感应电压相互中和，从而使每个电缆护套回路总的感应电压控制在较小的范围之内。当感应电压足够小的时候，会使护套接地环流控制在合理范围内。但是，一些护套接地系统和电缆缺陷会使电缆接地环流升高，危害电缆正常运行。因此如何提取电缆金属护套接地系统缺陷时的接地环流特征，实现电缆金属护套接地系统状态监测，是目前迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、准确可靠且易于识别的基于接地环流特征的电缆金属护套接地系统缺陷监测方法。
5.本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
6.一种基于接地环流特征的电缆金属护套接地系统缺陷监测方法，包括以下步骤：
7.步骤1、根据电缆金属护套接地系统缺陷类型，将缺陷时接地环流与正常运行时接地环流之比作为接地环流表征参数，更新该电缆线路的接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数计算数据库，该接地环流表征参数计算数据库由电缆金属护套接地系统缺陷类型和相对应计算得到的接地环流表征参数构成；
8.步骤2、根据电缆实际运行过程中首末端6个传感器采集的接地系统正常和缺陷时的接地环流数据，将运行过程中缺陷时接地环流与正常运行时接地环流之比作为接地环流表征参数，并更新适用于此电缆线路的接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数运行数据库，该接地环流表征参数运行数据库由电缆金属护套接地系统缺陷类型和相对应运行中提取得到的接地环流表征参数构成；
9.步骤3、通过交叉互联接地电缆首末端的6个电流传感器分别测量三相电缆接地环流值，并将三相电缆接地环流值通过数据通讯传输至数据处理终端，数据处理终端分别取上一个采集周期内的金属护套接地环流为基准值，并将此周期采集的接地环流用标幺值表示，获取实时电缆接地环流表征参数；
10.步骤4、数据处理终端将实时接地环流表征参数与接地环流表征参数计算数据库及接地环流表征参数运行数据库中的接地环流表征参数进行比较，最终判断电缆金属护套接地系统存在缺陷类型及缺陷位置。
11.而且，所述电缆金属护套接地系统缺陷类型包括：接地系统开路缺陷、金属护套单相接地缺陷、金属护套相间短路缺陷、交叉互联箱浸水接地缺陷和交叉互联箱换相失败缺陷；所述接地系统开路缺陷包括3个金属护套回路开路缺陷，所述金属护套单相接地缺陷包括2个交叉互联箱的各个单相接地缺陷，所述金属护套相间短路缺陷包括2个交叉互联箱的各个相间短路缺陷，所述交叉互联箱浸水接地缺陷包括2个交叉互联箱分别浸水三相接地短路缺陷和2个交叉互联箱同时浸水三相接地短路缺陷，所述交叉互联箱换相失败缺陷交叉互联箱两相换位失败缺陷和交叉互联箱三相换位失败缺陷。
12.而且，所述步骤1更新适用于此电缆线路的接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数计算数据库的方法为：
13.⑴
根据当前线路电缆护套内径和电缆护套外径，按下式计算该电缆护套自电阻r0和自电抗x0：
[0014][0015][0016]
⑵
根据电缆分段长度，计算此分段电缆护套自阻抗z
0i
：
[0017]z0i
＝(r0 jx0)
×
li[0018]
⑶
根据电缆分布情况，计算电缆金属护套感应电压u
sa
、u
sb
、u
sc
：
[0019][0020]
其中，
[0021]
⑷
根据下式计算得到正常接地环流值。
[0022][0023]
其中，rd＝l
×
π2f
×
10-7
；
[0024]
⑸
根据不同缺陷时的护套电压和阻抗变化计算得到相应缺陷接地环流；
[0025]
⑹
将缺陷时接地环流与正常运行时接地环流之比，更新适用于此电缆线路的接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数计算数据库；
[0026]
上述公式中，r
d1
、r
d2
为护套首、末端接地线的电阻值；rd为大地漏电阻；z
01
、z
02
、z
03
分别为三段电缆金属护套的自阻抗；e
sai
、e
sbi
、e
sci
分别为电缆线芯电流引起的每段电缆金属护套感应电压；e
tai
、e
tbi
、e
tci
为每段电缆护套中的接地环流和入地电流引起的感应电压；i
sa
、i
sb
、i
sc
分别为a相、b相、c相金属护套的接地环流；i
se
为入地电流；li为电缆各段长度；ρ0为金属护套的电阻系数，α为金属护套的电阻温度系数，t为金属护套的工作温度，μ0为金属护套的相对磁导率，d1、d2为金属护套的外径和内径，r1、r2为金属护套的外半径和内半径；i为电缆线芯电流有效值值，rs为金属护套的几何平均半径，r
ab
、r
bc
、r
ca
分别为电缆三相之间的线芯间距，l为金属护套的长度。
[0027]
而且，所述ρ0取值为2.65，α取值为0.00429，t取值为70℃；μ0取值为1。
[0028]
而且，所述步骤3的采集周期为一小时一次。
[0029]
而且，所述步骤4采用向量组相似度量方法进行比较。
[0030]
而且，所述向量组相似度量方法为欧氏距离算法、hausdorff距离算法或pearson相关系数算法。
[0031]
本发明的优点和积极效果是：
[0032]
1、本发明通过建立并更新电缆线路的接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数计算数据库和接地环流表征参数运行数据库，实时采集该电缆线路接地环流数据并提取接地环流特征表征参数，并通过向量组相似度量方法进行比较，实现电缆金属护套接地系统缺陷种类和位置监测功能，本发明将电缆金属护套接地系统缺陷转换为容易利用的数字特征，具有准确可靠、易于识别的特点。
[0033]
2、本发明通过接地环流特征实现电缆接地系统开路缺陷、金属护套单相接地缺陷、金属护套相间短路缺陷、交叉互联箱浸水接地缺陷和交叉互联箱换相失败缺陷等多种接地系统缺陷类型和位置的识别和判断功能，有助于实现电缆金属护套接地系统缺陷监测，对于维护电缆正常运行具有重要意义。
附图说明
[0034]
图1是交叉互联接地电缆和传感器安装位置等效图；
[0035]
图2是高压电缆金属护套交叉互联接地等值电路图；
[0036]
图3a是金属护套回路1(a1-b2-c3)开路缺陷接地环流图；
[0037]
图3b是金属护套回路2(b1-c2-a3开路缺陷接地环流图；
[0038]
图3c是金属护套回路3(c1-a2-b3)开路缺陷接地环流图；
[0039]
图4a是金属护套单相(j1 a)接地短路缺陷接地环流图；
[0040]
图4b是金属护套单相(j1 b)接地短路缺陷接地环流图；
[0041]
图4c是金属护套单相(j1 c)接地短路缺陷接地环流图；
[0042]
图4d是金属护套单相(j2 a)接地短路缺陷接地环流图；
[0043]
图4e是金属护套单相(j2 b)接地短路缺陷接地环流图；
[0044]
图4f是金属护套单相(j2 c)接地短路缺陷接地环流图；
[0045]
图5a是金属护套相间(j1 ab)短路缺陷接地环流图；
[0046]
图5b是金属护套相间(j1 bc)短路缺陷接地环流图；
[0047]
图5c是金属护套相间(j1 ca)短路缺陷接地环流图；
[0048]
图5d是金属护套相间(j2 ab)短路缺陷接地环流图；
[0049]
图5e是金属护套相间(j2 bc)短路缺陷接地环流图；
[0050]
图5f是金属护套相间(j2 ca)短路缺陷接地环流图；
[0051]
图6a是交叉互联箱j1浸水接地短路缺陷接地环流图；
[0052]
图6b是交叉互联箱j2浸水接地短路缺陷接地环流图；
[0053]
图6c是交叉互联箱j1 j2同时浸水接地短路缺陷接地环流图；
[0054]
图7a是金属护套回路1、2换相失败缺陷接地环流图；
[0055]
图7b是金属护套回路1、3换相失败缺陷接地环流图；
[0056]
图7c是金属护套回路2、3换相失败缺陷接地环流图；
[0057]
图7d是金属护套回路三相换相失败缺陷接地环流图；
[0058]
图8是电缆金属护套接地系统缺陷监测流程图。
具体实施方式
[0059]
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
[0060]
本发明的设计思想是：通过分析电缆金属护套接地系统的不同缺陷，发现电缆金属护套接地系统缺陷可以通过接地环流情况进行表征，因此只需比较实时接地环流特征参数与缺陷时的接地环流特征，即可实现电缆金属护套接地系统缺陷种类和位置的识别。为了满足实际电缆线路的不同，通过高压电缆接地环流计算模型计算得到适用当前线路的接地环流表征参数计算数据库，通过此电缆线路实际运行中的接地环流数据，提取得到适用当前线路的接地环流表征参数运行数据库，然后通过向量组相似度量方法即可实现电缆金属护套接地系统缺陷种类和位置的识别。
[0061]
本发明通过如图1所示的高压电缆交叉互联接地简化模型测量三相的电缆接地环流值，其在高压电缆首末端分别安装6个电流传感器(ct)测量电缆接地环流值。该高压电缆交叉互联接地简化模型包括3个电缆金属护套回路，分别为a1-b2-c3、b1-c2-a3和c1-a2-b3。
[0062]
基于上述设计思想，本发明提出一种基于接地环流特征的电缆金属护套接地系统缺陷监测方法，包括以下步骤：
[0063]
步骤1、根据电缆金属护套接地系统缺陷类型，将缺陷时接地环流与正常运行时接地环流之比作为接地环流表征参数，更新该电缆线路的接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数计算数据库。该接地环流表征参数计算数据库由电缆金属护套接地系统缺陷类型和相对应计算得到的接地环流表征参数构成，其作为电缆金属护套接地系统缺陷判断依据之一。
[0064]
本发明所监测的电缆金属护套接地系统缺陷包括：接地系统开路缺陷、金属护套单相接地缺陷、金属护套相间短路缺陷、交叉互联箱浸水接地缺陷和交叉互联箱换相失败缺陷共5种缺陷类型，共20种缺陷情况，如表1所示。
[0065]
表1电缆金属护套接地系统缺陷类型及缺陷位置
[0066][0067][0068]
在本步骤中，接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数计算数据库的建立方法如下：通过图2所示的高压电缆金属护套交叉互联接地等值电路建立高压电缆接地环流计算模型(公式1-7)。在该等值电路中，r
d1
、r
d2
为护套首、末端接地线的电阻值；rd为大地漏电阻；z
01
、z
02
、z
03
分别为三段电缆金属护套的自阻抗；e
sai
、e
sbi
、e
sci
分别为电缆线芯电流引起的每段电缆金属护套感应电压；e
tai
、e
tbi
、e
tci
为每段电缆护套中的接地环流和入地电流引起的感应电压(过小可以忽略)；i
sa
、i
sb
、i
sc
分别为a、b、c三相金属护套的接地环流；i
se
为入地电流。
[0069]
根据电路基础理论计算各段电缆金属护套的自阻抗如下：
[0070]z0i
＝(r0 jx0)
×
liꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
其中，r0为护套自电阻，x0为护套自电抗，li为电缆各段长度。
[0072][0073][0074]
其中，ρ0为金属护套的电阻系数，一般为铝护套取2.65，α为金属护套的电阻温度系数，一般取0.00429，t为金属护套的工作温度，一般取70℃；μ0为金属护套的相对磁导率，
取1，d1、d2为金属护套的外径和内径，r1、r2为金属护套的外半径和内半径。
[0075]
大地漏电阻rd的计算公式如下：
[0076]
rd＝l
×
π2f
×
10-7
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0077]
根据电磁感应规律建立电缆护套感应电压的计算模型。对于电缆线芯电流引起的金属护套感应电压(u
sa
、u
sb
、u
sc
)计算模型如下所示：
[0078][0079]
其中，i为电缆线芯电流有效值值，rs为金属护套的几何平均半径，r
ab
、r
bc
、r
ca
分别为电缆三相之间的线芯间距，l为金属护套的长度。
[0080][0081]
其中，d为护套外径。
[0082]
根据等值电路各参数的含义和回路电流法将三条并联支路分别计算，可以得到如下多元一次方程组：
[0083][0084]
通过输入如下接地电流计算模型参数(如表2所示)：电缆各段段长、护套外径、护套内径、电缆载流量、各段电缆间距等，根据公式7可以将正常运行时的接地环流i
sa
、i
sb
、i
sc
计算出来。
[0085]
表2接地环流计算模型参数表
[0086][0087]
在计算过程中，首先输入当前线路电缆内外径，根据公式2和公式3计算得到电缆护套自电阻和自电抗，然后输入电缆分段长度，根据公式1计算得到此分段电缆护套自阻抗，根据电缆分布情况，通过公式5可以计算电缆金属护套感应电压，最后根据公式7计算得到正常接地环流值。根据不同缺陷时的护套电压和阻抗变化计算得到相应缺陷接地环流，将缺陷时接地环流与正常运行时接地环流之比，更新适用于此电缆线路的接地系统缺陷和
正常时接地环流表征参数计算数据库。
[0088]
本步骤得到的电缆线路的接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数计算数据库可以作为电缆金属护套接地系统缺陷判断依据之一。
[0089]
对于不同金属护套回路发生开路缺陷时，缺陷回路感应电压为0，非缺陷回路感应电压不变，通过公式5计算正常回路电压，根据公式1计算护套阻抗，电压与护套阻抗之比与可以得到金属护套回路开路缺陷时的接地环流，接地环流情况如图3a、图3b及图3c所示(首端位置接地环流分别为i1a、i1b、i1c，末端位置接地环流分别为i2a、i2b、i2c)。非缺陷回路中接地环流几乎没有发生变化，而缺陷回路接地环流几乎为0，可以据此判断是否发生开路缺陷的判据。缺陷发生在不同回路时，接地环流为0的情况也将在不同回路出现，可以据此判断判断缺陷位置。
[0090]
对于不同交叉互联箱的不同相发生单相接地缺陷时，缺陷回路护套感应电压分为两部分，一部分为一段感应电压，另一部分为两段感应电压之和，通过公式5计算护套电压，根据公式1计算护套阻抗，电压与护套阻抗之比可以得到金属护套回路单相接地缺陷时的接地环流，接地环流结果如图4a至图4f所示。当金属护套发生单相接地缺陷时，虽然非缺陷相的回路接地环流未发生很大变化，但缺陷相的回路接地环流升高至原来的3～7倍左右，可以据此判断是否发生单相接地短路缺陷及缺陷所在回路。当交叉互联箱j1处发生单相接地缺陷时，j1左侧缺陷回路中的接地环流接近j1右侧缺陷回路中接地环流的2倍，反之亦然。可以据此判断缺陷位置。
[0091]
对于不同位置、不同相发生相间短路缺陷时，两个缺陷回路护套感应电压分为两部分，一部分为一段感应电压，另一部分为两段感应电压之和，通过公式5计算护套电压，根据公式1计算护套阻抗，电压与护套阻抗之比可以得到金属护套回路相间短路缺陷的接地环流，接地环流结果如图5a至图5f所示。当金属护套发生相间短路缺陷时，非缺陷回路接地环流略有增长但变化不大，缺陷回路两相的接地环流远超过正常运行时的接地环流值，约为正常运行接地环流的10～25倍左右，可以据此判断是否发生相间短路缺陷以及相间短路所在相。当交叉互联箱j1处发生相间短路时，j1左侧缺陷回路中的接地环流接近j1右侧缺陷回路中接地环流的2倍，反之亦然。可以据此判断相间短路缺陷的位置。
[0092]
对于不同位置、不同相发生交叉互联箱浸水接地短路缺陷时，出现三个缺陷回路，护套感应电压分为两部分，一部分为一段感应电压，另一部分为两段感应电压之和，通过公式5计算护套电压，根据公式1计算护套阻抗，电压与护套阻抗之比可以得到交叉互联箱浸水接地短路缺陷的接地环流，接地环流结果如图6a、图6b及图6c所示。当金属护套发生浸水接地短路缺陷时，三相接地环流远超过正常运行时的接地环流，三相接地环流都将增大到正常值的15～30倍，据此可以判断三相接地类型的缺陷进行判断。当j1发生浸水接地短路缺陷时，j1左侧缺陷回路中的接地环流接近j1右侧缺陷回路中接地环流的2倍，反之亦然。可以据此判断交叉互联箱浸水接地短路缺陷的位置。
[0093]
对于不同回路发生交叉互联换相失败缺陷时，出现回路电压交叉互联失败的现象，需要通过公式5累加计算换位失败护套电压，根据公式1计算护套阻抗，电压与护套阻抗之比可以得到交叉互联换相失败缺陷的接地环流，接地环流结果如图7a至图7d所示。当金属护套回路发生换相失败缺陷时，换相失败回路接地环流远超过正常运行时的接地环流，换相失败回路接地环流将增大到正常值的15～20倍，并且整个回路的接地环流同时增大，
ct1和ct2处电流传感器测得接地环流几乎一致，据此可以判断换相失败缺陷类型和换相失败发生的回路。
[0094]
电缆金属护套接地系统中的接地环流表征参数通过下述方式获得：以取各相缺陷前的金属护套接地环流为基准值，将缺陷接地环流值用标幺值表示，通过近似处理得到如表3所示的接地环流表征参数。
[0095]
表3接地环流表征参数
[0096]
[0097]
步骤2、根据电缆实际运行过程中首末端6个传感器采集的接地系统正常和缺陷时的接地环流数据，将运行过程中缺陷时接地环流与正常运行时接地环流之比作为接地环流表征参数，并更新适用于此电缆线路的接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数运行数据库。该接地环流表征参数运行数据库由电缆金属护套接地系统缺陷类型和相对应运行中提取得到的接地环流表征参数构成，其作为电缆金属护套接地系统缺陷判断依据之二。
[0098]
在本步骤中，接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数运行数据库即通过接地环流监测数据，若是电缆金属护套接地系统出现缺陷导致接地环流变化，即可根据步骤1所述计算方法，通过计算得到此缺陷表征参数，随着电缆运行逐渐更新完善接地系统缺陷时接地环流表征参数运行数据库，更新完善的接地环流表征参数运行数据库与计算得到数据库形式类似。
[0099]
步骤3、通过交叉互联接地电缆首末端的6个电流传感器分别测量三相电缆接地环流值，并将三相电缆接地环流值通过数据通讯传输至数据处理终端，接地环流的传输频率每一小时一次，数据处理终端分别取上一个采集周期内的金属护套接地环流为基准值，将此周期采集的接地环流用标幺值表示，从而获取实时电缆接地环流表征参数，并根据实时电缆接地环流表征参数进行初步判断。
[0100]
步骤4、数据处理终端将实时接地环流表征参数与接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数计算数据库、接地系统缺陷和正常时接地环流表征参数运行数据库中的接地环流表征参数进行比较，最终判断电缆金属护套接地系统存在缺陷类型及缺陷位置。
[0101]
在本步骤中，采用向量组相似度量方法，例如欧氏距离算法、hausdorff距离算法、pearson相关系数算法等进行比较，实现缺陷类型和缺陷位置的判断。
[0102]
在本步骤中，将实时接地环流表征参数与接地环流表征参数计算数据库(表3)及接地环流表征参数运行数据库中的接地环流表征参数进行数据大小和顺序的比较，通过表征参数与故障类型的对应关系，实现缺陷类型和位置判断，例如提取到电缆接地环流特征表征参数为c＝{1.21,1.36,4.59,1.21,1.36,8.11}，采用向量组相似度量法与数据库中特征参数一一比对，发现与交叉互联箱j2中c相单相接地缺陷的特征参数最接近，故能判断结果。
[0103]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。