单芯测井电缆（精选7篇）
单芯测井电缆 篇1
0 引言
随着测井技术的发展, 井下仪器采集的信息更加丰富, 需要上传的数据量越来越大, 这就需要提高单芯电缆的传输速率以满足实际测井需要[3]。当今生产测井系统做得最好的Sondex公司其上传速率在防硫化氢型单芯电缆为100kbps。在国内, 上传速率在防硫化氢型单芯电缆中不超过50kbps, 总体性能低, 限制了新仪器的发展。
当前生产测井中主要依靠单芯电缆实现地面系统和井下仪器的数据传输, 随着信号频率的增加, 信道的衰减急剧增加, 单芯电缆的频带有限, 必须要采用一种先进的调制解调技术以提高频带利用率, 提高传输性能, 同时又要有较强的抗干扰能力。为彻底解决生产测井中传输的瓶颈问题, 本文将正交频分复用技术与单芯电缆的特性相结合, 设计一种基于此项技术的高速单芯电缆测井数传系统。
1 高速数据传输系统
单芯电缆的信道可以看成是1k Hz至69k Hz的带通信道, 为适应单芯电缆可用频带资源少的特点, 设计的系统频谱分配如图1所示, 子信道间隔2.15625k Hz, 子信道数目为32, 有效符号长度463.8us, 循环前缀长度为231.9us。其中上行信道 (井下到地面) 使用24个子信道, 即T8至T31, T10作为导频信道, 不传信息。下行信道 (地面到井下) 使用3个子信道, 即T1至T3。
地面系统如图2所示, 主要由DSP处理器、FPGA和模拟电路组成。其中DSP处理器完成系统建立时的训练过程和正常模式时的数据转发。FPGA完成对信息的OFDM调制和解调, 需要发送的信息经过扰码、RS编码、星座映射、QAM调制和、IFFT处理和插入循环前缀之后, 按照固定的采样频率写入D/A转换器, 经过带通滤波之后, 利用变压器耦合到单芯电缆。接收的信号经过回波抵消之后通过带通滤波滤除带外噪声, 之后通过A/D转换器输入到FPGA中。FPGA中完成对信号的时域均衡、去CP、FFT、QAM解调、星座解码、RS解码、解扰之后写入接收缓存, 等待DSP的读取。其中回波抵消模块主要是消除发送信号对接收信号的影响, 降低接收信号的动态范围, 防止接收电路饱和失真。
2 系统测试
使用7000米Camesa防硫化氢单芯电缆, 在实验室环境下分别对系统进行连接时间测试、连接成功率测试、连接速率测试和误码率测试。并且在高温175°C下我们进行了工作稳定性测试、启动测试和误码率测试, 所有的测试结果都达到了设计指标, 具体数据如表1所示。
3 结论
本文将OFDM技术应用于单芯电缆测井, 开发出一套具有完全自主知识产权的全双工测井通信系统。在7000米的防硫化氢Camesa单芯电缆实现115kbps以上的传输速率, 该系统抗干扰能力强、保证数据传输的可靠性, 具备全双工通讯能力。硬件设备全部选用耐高温器件, 系统经过高温试验, 可长时间工作在175℃环境。目前, 该生产测井数传系统已经过实验室测试, 各项指标满足要求, 下一步将进行井场的实测工作。
本系统将先进的OFDM技术应用于单芯数传系统, 突破了我国生产测井仪器的开发瓶颈, 为生产测井单芯电缆仪器的开发提供强有力的保障。有助于国产生产测井设备的升级换代, 具有巨大的市场需求和油田现场应用前景。S
参考文献
[1]ANSI T1.413-1998Network and Customer Installation Interface Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Metallic Interface.
[2]G.992.1Editor Final Version, Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Transceivers, 1998.
[3]刘国权, 田洪亮.一种单芯电缆高速数据传输方案[J].西安石油大学学报, vol.23No.5.Sep.2008.
[4]孙新, 熊晓东.高速电缆遥测:技术途径和待解决的问题[J].测井技术, 1995, 19 (6) :398-405.
[5]秦伟, 王炜, 陈鹏.基于OFDM的高速遥传电缆调制解调器设计[J].测井技术, 2006, 30 (5) :467-469.
单芯中压电缆工程设计探讨 篇2
关键词：电气工程,单芯电缆,截面积计算,感应电压,屏蔽层接地
在笔者参与的某海外工程项目中, 包含一段3.7km的长距离输电线路设计。按上游变压器的最大供电能力, 对下游新建装置的输电线路进行计算, 经计算拟用12根35kV单芯630mm的电缆对下游装置供电。
1 单芯电缆的选型
1.1 选择单芯电缆的原因
根据电缆电压等级的定义, 6～35kV的称为中压电缆, 66kV及以上定义为高压电缆。高压电缆由于容量和绝缘问题通常采用单芯的型式, 对于中压电缆由于电压较低, 相间绝缘已不存在技术瓶颈, 因而多采用三芯的型式。但基于输送距离和负荷容量, 当中压电缆计算截面积达到630mm2时, 从制造环节做成三芯存在困难, 则采用单芯电缆。
1.2 工程资料
整条线路按水平直埋敷设考虑, 局部调整为出地坪沿桥架敷设, 在过海水管线部分、过道路和水沟时穿混凝土排管。
计算中影响单芯电缆设计的其他因素有:环境参数 (温度、电缆间距、敷设路径、敷设方式、埋深、最大允许温度、回填土热阻系数) 及电缆结构参数、安装参数等。
考虑到长距离线路的施工工艺, 最终选择了三相单芯电缆平行敷设的方式。根据技术人员建议和现场情况, 大段单芯电缆需采用直埋的方式。
1.3 电缆截面计算
电缆和敷设设计基于IEC标准, 在计算的过程中按额定电流及敷设情况选截面积, 再根据供货商电缆参数核算载流量, 最终确定电缆截面积。计算过程, 步骤简述如下:
1.3.1 载流量校验
基于IEC 60287-1-1[1]、IEC 60287-2-1[2], 校验单根630mm2电缆载流量:
两根载流量达到1251A满足额定电流670A的要求。
1.3.2 导体最大允许短路电流计算
短路电流的计算方法依据IEC60949[7],
I=ε×Iad≈90kA (2)
满足系统短路电流21kA的要求;式中:Iad—绝热情况下的计算短路电流;ε—导体及屏蔽层间的非绝热系数。
1.4 屏蔽层感应电压计算
1.4.1 屏蔽层允许的最大短路电流
屏蔽层最大短路电流的计算方法基于ICEAP-45-482[4]热稳定相关的计算公式
I2t=Klogundefined
得I=54.8kA小于系统短路电流21KA。式中:A-有效屏蔽层截面积mils;t-短路电流持续时间s。
1.4.2 屏蔽层感应电压计算
屏蔽层感应电压的计算方法基于IEEE575[3], 由于电缆为水平敷设, 且为多组敷设, 需考虑自身感应电压, 和本组电缆与相邻组电缆间的影响。
正常情况下的感应电压
自感电压:E=-j.w.IL.undefined
互感电压:E=-j.w.IL.undefined
将自感和互感电压累加得单位长度上可得感应电压值;E=0.067V/m
故障情况下的感应电压
Vmax=-j.w.I. (2×10-7) .ln[ (4.S) /d]=3V/m (6)
1.5 电压降计算
依据厂家提供的单位电缆压降参数, 按照额定电压
V=ρ×In×L (7)
式中ρ-单位长度电阻值Ω/km; In-额定电流A; L-电缆长度km。
1.6 接地线计算
整条单芯电缆线路敷设专用接地线提供感应电压控制地电位, 接地线引至变电所接地网。
按I=67.1A/√t得A=300kcmil约160mm2 (8)
接地线的截面计算选定240mm2。
2 计算值的应用和附件设计
2.1 电缆截面的校验
电缆的绝缘和护层设计均由供货商完成, 供货商使用专业计算软件建模计算最高温度情况下两根电缆的载流量为750A, 满足要求。压降控制, 根据上面电压降计算公式 (7) 的计算结果为165.1V, 压降0.48%满足要求。
2.2 规范中屏蔽层感应电压控制
单芯电缆金属屏蔽层产生的感应电压, 对电缆绝缘和电缆载流量均产生影响。在各种国际规范和各国的实际应用中, 相应的应用指导值各有定义。而本工程中采取的控制值为, 整段25V。极端工况下, 要求在屏蔽层的感应电压不大于600V。当不能满足要求值时, 需加装限流装置保护。
由公式 (4) (5) 得正常工况下屏蔽层的感应电压为0.067V/m, 按此计算值若想将感应电压控制在25V, 且考虑最高电压有可能出现在端点而非中点, 则每374m需做一次降压措施, 整段3.7km则需分成大约10段, 增加了作业面的数量。依据厂家的分盘能力, 370m远小于该类型电缆的分盘长度, 因而在选择降感应电压的措施中, 不宜教条应用此值, 而应考虑更优化的方案以延长护层接地的单段电缆的长度, 尽量减少施工作业面。
2.3 屏蔽层感应电压控制方法和方案确定
依据IEEE575[3]对屏蔽层感应电压控制的推荐方法, 分单点直接接地、阻抗接地 (实际中很少用) 、屏蔽层交叉互联、电缆换向布置等方式。各种接地方法针对不同电缆长度, 各有优缺点, 从设计和施工复杂程度从前至后逐次上升。
由于交叉互联的优点在长距离电缆中的突出表现, 对于超过2km的电缆线路优选交叉互联方案。由于末段电缆存在仍存在不确定性, 选择分段式屏蔽层交叉互联 (Sectionalized cross bonding) , 以增大下游装置接入时电缆的接地设置。接地设置见图1。
整段电缆分成7段, 两个主区间的连接处选用直接接头 (SJ) , 在连接处屏蔽层直接接地;每个交叉互联区间内电缆等段分割成三个小分段, 小分段的连接处选用绝缘接头 (IJ) , 采取交叉互联方式对屏蔽层经避雷器接地;在电缆终端头直接接地 (T) ;所有接地均通过连接线引至接地箱实现接地。
在电缆附件设计中, 选用了三种接地箱, 三线直接接地、六线直接接地及六线经避雷器保护接地。为将本段电缆与下游装置供货商电缆完全保护, 下段电缆接头处采用带保护接地。
3 敷设路径的设计
3.1 电缆在转弯处的保护
在工程设计中, 设计转弯、施工牵拉中应保证电缆自重及牵拉引起的张力不超过最大许可值。机械强度依据厂家提供最大纵向牵拉张力值为δmax×A (mm2) =31.5kN, 最大侧向张力值为5.0kN/m, 允许最小转弯半径为1.2m。基于电缆敷设牵拉需要和现场实际情况的影响, 在整条线路的直埋段, 设计了大量的施工人孔。人孔的设计需满足电缆转弯半径的要求, 在人孔中设电缆支架并局部配桥架以保证转弯的电缆张力不至过大。
3.2 直埋电缆岛的设计
电缆岛是针对直埋电缆接头施工常用的混凝土保护设施, 可实现将电缆接头良好保护在相应的土建设施中, 防止地下水、小的电缆位移造成对接头的牵拉。依据业主检维修的要求, 接地箱要尽可能布置在地表, 在电缆岛附近设计了相应的接地箱基础实现就近接地。电缆岛的尺寸电缆接头的外径设计。由于现场可用空间受限, 电缆岛的设计中将每根电缆的接地依据出线的长短, 分批次设置直埋电缆岛, 以减小占地空间。
3.3 电缆敷设中应注意的其他问题
为减小电缆在接头和转弯处的机械张力, 在接近接头和转弯处, 需加固定设备。并在条件允许的直埋段, 适当采取S型敷设。接头应避免布置在转弯和标高调整区域, 以减少拉力。
4 结束语
单芯电缆的设计在项目中应作为一个系统工程考虑, 应从截面选择、路径设计、附件设计、接地形式确定各个环节逐步确认, 制定整个单芯电缆的设计内容。
为了减少界面管理的风险, 建议项目前期咨询专业的电缆或电缆附件供货商承担整个系统的安装和部分设计方案的确定工作, 避免考虑不周出现的设计漏洞。
参考文献
[1]IEC60287-1-1.电缆额定电流计算:额定电流公式及损耗计算[S].
[2]IEC60287-2-1.电缆额定电流计算:热阻—电缆的热阻计算[S].
[3]IEEE575.单芯电缆屏蔽层等电位连接方法及感应电压和电缆屏蔽层电流计算指导[S].
[4]ICEA P-45-482.绝缘电缆金属屏蔽及屏蔽层的短路特性[S].
[5]GB50217.电力工程电缆设计规范[S].
[6]GB50168.电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范[S].
单芯测井电缆 篇3
2007年12月7日6点5分, 义煤集团水泥公司专用110kV变电站 (渑池电业局管理的徐庄110kV变电站) 监控系统发现10kV系统母线有小电流接地信号, 相电压严重不平衡, 立即把水泥公司徐处线电源拉掉 (变电所供引出四个回路, 分别是:徐处线, 徐窑线、徐水线和许传线) , 让水泥公司查找小电流接地信号原因。水泥公司组织人员检查徐处线, 未发现任何故障, 于10点45分恢复送电, 小电流接地信号消失, 所有设备运转正常。12月8日8点上述故障重又出现。水泥公司通过分段送电的办法把故障回路确定在从水泥公司徐传线转运站引出的矿山回路电源线上。该回路为电缆供电, 全长4.2km, 电缆型号为3×YJV-8.7/10kV-1×185的电缆。因无试验设备, 先后请5个单位10余位专业人员来共同研究处理该问题。
2具体处理情况和检查结果
(1) 在转运站送空电缆 (不带负荷) 出现线电压平衡 (10.4kV) , 相电压不平衡 (相差最大800V) 。
(2) 电缆全长直流耐压试验合格 (电压37kV, 泄露电流不超过10μA) 。
(3) 抽出高压永磁断路器, 对断路器打耐压试验, 符合要求。
(4) 更换电缆进线柜, 送电后故障依旧。
(5) 有时送电后, 线电压平衡, 相电压平衡。
(6) 调整相序 (A、C相) , 送电后相电压有变化 (调整前A相低, 调整后A、B相低)
(7) 测试电缆屏蔽层, 段与段连接良好, 端部接地良好。
(8) 检查电压互感器与消谐柜, 未发现问题。 (9) 拆除过电压保护器, 问题仍然存在。
(10) 将三根电缆分别锯成五段, 截断长度分别为2100m、750m、500m、650m、100m。分段测试, 结果如下:
a电缆各段分段试验检查未发现问题 (用2500V, 10000MΩ绝缘测试仪测试) 。
b转运站电气室不送矿山回路, 其他配电柜正常线电压为10.4kV, 相电压为:A相5930V, B相6040V, C相59800V。
送第一段2100m时, 线电压不变, 相电压显示如下:A相6090V, B相6270V, C相6160V。
三相电流分别为A相1.1A, B相1.2A, C相1.1A。
送第一、二、三段3350m时, 线电压不变, 相电压显示如下:A相6140V, B相6330V, C相6200V。
电流A相1.5A, B相1.6A, C相1.6A。
送第一、二、三、四段长度达4100m时, 线电压不变, 相电压显示如下:A相5590V, B相6260V, C相6110V。
送第一、二、三、四、五段长度达4200m时, 线电压不变, 相电压显示如下:A相5730V, B相6280V, C相6000V。
电流A相2.2A, B相2.3A, C相2.3A (全部是只送电缆, 负荷侧线拆掉的情况下) 。
c试送电带负荷运转, 各设备运转正常, 三相电流平衡, 线电压平衡, 相电压不平衡 (最高相差1200V, 各设备无过负荷、过流现象) 。
(11) 采取电缆换相操作, 结果如下:
a未调整时仪表显示电压
A:5300 B:6000 C:6370
b调整A、C两相
仪表显示为:
A:5200 B:6180 C:6230
对应调整前电缆对应相:
C B A
c调整B、C两相
仪表显示为:
A:5620 B:6160 C:5810
对应调整前电缆对应相:
B C A
经过以上测试和试验, 并咨询有关专家, 大家认为从目前情况看, 基本可排除电缆和配电设备元器件存在问题的可能, 影响测量结果的原因应是感应电容, 包括对地电容和相间电容, 又因为三相电缆均敷设在电缆桥架内, 且桥架全程接地较好, 因而对地电容电容影响也可排除, 惟一影响三相电压的应是相间电容的电容效应, 原因如下: (1) 从转运站至矿山的4km单芯电缆是平行铺设, 且距离较长, 相间距离时近时远, 存在较大相间电容。 (2) 近一段时间以来, 天气不断变化, 不是下雨, 就是下雪, 造成电缆间介质的变化, 引起电容的变化, 因而对电缆电压的影响也不一样。经研究决定:将4km长三根单芯电缆组成紧贴的正三角形排列, 并且每隔1m用12号铁丝扎牢。为避免铁丝损伤电缆绝缘, 要求在铁丝与电缆间要垫上胶皮。我厂利用白天时间, 从2007年12月18日至22日, 对4km长电缆分段按要求进行了处理。送电后设备运转正常, 线电压平衡, 相电压最大相差50V以下, 电流平衡。
3运行状况
自2007年12月处理完毕投入运转后, 经过2008年1月长时间风雪天和春夏阴雨天考验, 三相电压不平衡现象再没出现, 供电系统及厂内生产设备运行正常。
参考文献
[1]余德文, 毛大澎, 卢兴远.河南省用电单位电气装置安装验收规程[S].
单芯电力电缆外护套故障的查找 篇4
1 电缆外护套故障原因分析
致使电缆发生故障的原因是多方面的, 常见原因有:
1) 机械损伤导致电缆故障;
2) 桥架托盘下沉导致电缆故障;
3) 电缆绝缘物的流失导致电缆故障;
4) 长期过负荷运行导致电缆故障;
5) 环境潮湿导致电缆故障;
6) 电缆接头制作工艺不当导致的电缆故障;
7) 电缆外护套感应电流导致的电缆故障;
8) 制造质量差导致的电缆故障。
2 单芯电力电缆外护套故障寻测方法——电感冲闪法原理
接上电源, 整流器对电容充电, 当充电电压高到一定数值时, 球间隙被击穿, 电容器上的电压通过球间隙的短路电弧和电感L直接加到电缆的测量端。冲击电波沿电缆向故障点传播。只要电压足够大, 故障点就会因电离而放电。故障点放电所产生的短路电弧使沿电缆送去的电压波反射回去。为了使反射波不至于被测试端并联的大电容短路, 在电缆和球隙之间串联一电感线圈, 它可借助于闪测仪观察到来回反射的电压波形。
电感冲闪法几乎能适应任何类型的故障。大量实践证明, 电感冲闪法是对付那些被人们用别的方法测不出来而被称之为最顽固的故障的最强有力手段。
3 电感冲闪法的实际应用
乙烯总变联络线变的2条6kV高压进线电缆B5611、B5612是单铝芯电缆, 共计24条, 全长近2 100m。其探测过程如下:
利用电缆故障检测仪探测显示20m处、84m处、448m处、816m处、1 184m处均有接地故障, 其中A2#故障部位有5处, B1#故障部位有8处, 见表1。经分析及现场勘测后发现绝大部分故障原因为电缆受外力所致, 外层电缆绝缘损坏和老化严重导致绝缘层自然龟裂。84m处为电缆故障部位密集区, 此处中间电缆头变形严重, 单芯电力电缆外护套长期流经较大感应电流, 其产生的电弧已将整个电缆头击穿, 使主绝缘损坏而发生单相接地故障。
利用上述方法我们对B5632进线电缆进行了故障点的定位工作。B5632进线电缆摇测绝缘为5根电缆不合格 (A1#、A3#、B1#、C2#、C3#) 。在对C3#电缆外护套故障查找中, 电缆故障检测仪器显示波形为不放电波形, 分析说明电缆外层接地故障点已实接地, 放电现象不明显, 粗测距离为80m, 实地检查后发现此电缆故障点位于84m处, 测试误差相当小, 故障原因为电缆头内护套龟裂造成主芯线对外护套层放电, 必须重新制作电缆头, 后经耐压1.5kV, 泄漏量为15uA, 合格, 见表2。
此次共计查找总变2条联络线电缆故障电缆11根, 外护套故障部位23处, 制作电缆中间头2个, 并恢复两条进线的正常运行。实践证明利用此法进行单芯电力电缆外护套故障点的查寻, 既方便又快捷, 是一种行之有效的电缆故障点准确定位的好方法。
4 结论
在电缆故障测寻时, 采用此便可准确迅速地确定故障点位置, 为故障的迅速查找处理, 尽快恢复送电赢得宝贵的时间。但是如果测寻不得法, 则可能导致设备的损坏和故障的扩大。
参考文献
[1]门汗文, 崔国璋, 王海, 译.电力电缆及电线[S].北京:中国电力出版社, 2001, 6.
[2]国家电力公司发输电运营部编.供用电生产常用指导性技术文件及标准 (第五册, 电力电缆及附件) [S].北京:中国电力出版社, 2003, 3.
单芯测井电缆 篇5
近年来,随着土地资源的稀缺及居民对景观要求越来越高,城市电缆线路工程每年在大幅度增加。目前,在电网中35kV以上高压电缆多为交联聚乙烯单芯铜导体电缆。其工作电流产生的交变磁场在金属护套上产生感应电压,如护套通过大地或回流线形成通路,则金属护套上将产生环流,从而导致电缆载流量下降,发热严重时甚至会烧毁接地线及电缆护套,并且,长期的护套环流将导致电缆老化加速,影响电缆使用年限。由于单芯电缆自身特性、工程项目特殊性限制、施工误差等,电缆金属护套环流势必存在。如何选择合理的接地方式,找出具体工程影响环流的主要因素,减小环流损耗,是设计单位需要探讨的课题。
1 电缆护层接地原因
当单芯电缆线芯通过电流时就会有磁力线交链金属屏蔽层,产生感应电压,感应电压的大小与电缆长度和流过电缆的电流成正比。当电缆很长时,感应电压叠加可达到危及人身安全的程度;当线路遭遇操作过电压时(或雷击时),护套上将形成很高的感应电压,甚至可将金属护套绝缘击穿。此时,如果将金属屏蔽层两端三相互联接地,必然会在波纹铝护套产生感应电流,其值可达电缆导体负荷电流值的50%～95%,形成损耗,同时增高电缆运行温度,直接影响电缆线路的输送容量和电缆的老化程度。
因此,对于单芯电缆线路的接地,不能简单地将电缆波纹铝护套两端直接接地,其接地方式,必须使电缆线路在正常负荷电流运行下,波纹铝护套上没有感应电流通过。
2 影响环流大小的因素
2.1 金属护套的接地方式
2.1.1 护层单端接地
为减少金属护套内的环流,最简单的方法就是将电缆护层单端接地。在系统发生短路时,短路电流流经线芯,不接地端会出现较高的工频感应电压,在电缆外护层不能承受这种过电压而损坏时,将出现多点接地,形成环流。因此,在采用一端互联接地时,必须采用措施限制护层上的过电压。根据《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007的要求,单芯电缆线路的金属护套只有一点接地时,金属护套的感应电压不应超过50V、100V(未采取不能任意接触金属护套的安全措施时,不大于50V;如果采取了有效措施,不大于100V),并应对地绝缘。因此,对于不长(一般小于500m)的电缆线路,可采取将电缆护层一端接地,另一端经保护器接地的接地方式,如图1所示。
2.1.2 护层中点直接接地,两端经护层保护接地
由于电缆工作电流较大,或电缆长度较长,电缆护层单端接地感应电压超过100V时,护层单端接地方式已不适用,可结合电缆分段,采用电缆护层中点接地,两端经护层保护接地的方式,如图2所示。此方式适用于电缆长度大于单根电缆分段长度,但小于2倍分段长度的情况。考虑制造、运输、施工的难度,一般电缆长度不应超过1000m,设计时可将电缆分段长度控制在500～800m。
采用护层单端接地和护层中点直接接地,两端经护层保护接地的方式,因在电缆一端安装了保护器,所以在正常运行情况下,不会产生环流或仅有泄漏电流,但在故障情况下产生环流。如果线路故障属于自恢复性(如保护器遭雷击或系统短路时的正常动作),那么环流会在故障自恢复时消失,此类事故对安全运行影响较小;如果线路故障属于永久性的(如保护器被盗或击穿,造成两端直接接地),那么需要尽快处理故障,不然所产生的环流有扩大故障范围的可能。
2.1.3 护层交叉互联
当电缆线路较长,大于2倍分段长度时可采用电缆护层交叉经保护器节点,两端直接接地方式,如图3所示。采用此种方式一般应保证每一分段电缆长度接近(或相等),当分段长度有偏差或电缆排列不完全对称,则三段感应电压向量和不为零,护层两端有一个合成电缆,在护套内产生环流。但由于电压一般较小,同时循环电流必须经过接地级电阻、大地电阻,故环流值也较小。
采用护层交叉互联接地方式正常运行时会有环流产生,因为无论怎样将电缆分段换位,三相电缆金属护套的阻抗不可能完全相等。因此,只能在设计之初采用有效的方式将环流控制在运行允许的范围内。
2.1.4 护层不完全交叉互联
当电缆分段数为3或3的倍数时,可采用完全交叉互联,但分段数不为3的倍数时,多余分段不能组成交叉互联段,可将上述几种护层接地方式结合使用。
2.1.5 电缆换位,护层交叉互联
由于电缆换位,同时电缆分段长度相近,所以不论电缆排列对称与否,三相护套的合成电压总为零,没有循环电流。电缆换位需要通道空间较大,一般仅在电缆隧道中实施,同时换位后两端电缆中处同一位置的电缆相位不同,运行管理不便,因此这种方式虽然对于抑制环流效果最佳,但采用较少。
2.1.6 护层两端接地
单芯电缆护层上的感应电压大小与电缆的长度和负荷电流成正比。当电缆线路很短,传输功率很小时,护套上的感应电压极小,护套两端接地形成回路后,护套中的环流相应较小,对电缆的载流量才影响不大,可采用护层两端接地方式,如图4所示。此方式最不常用,一般只适用于长度极短、小负载的电缆线路。对于海底电缆,由于只能采用软接头,电缆无法分段,电缆较长或电流较大时也只能采用此方法。此种方式正常运行时会有环流产生,这是不得已的一种接地方式,其设计就是在可接受的环流下运行线路。
2.2 其它影响因素
2.2.1 通道内回路数
电缆通道内回路数不同对电缆护层的影响也不同,单回路电缆环流情况比较简单,计算护套环流时,多回路不能以单回路情况来简化,必须严格按照实际敷设情况进行计算。多回路相邻敷设时,其护层感应电压均存在,且敷设不均匀时感应电压很大,其护套环流将更大,对实际运行造成的影响也更恶劣。
2.2.2 电缆排列方式
文献[4]通过计算分析了双回路高压电缆不同排列方式下护层环流情况。通过计算,电缆金属护套采用交叉互联时,护套环流最高可达线芯载流量的11.4%,最低为1.3%。可见,多回路共通道情况下,电缆敷设时的排列方式对金属护层环流影响较大。
2.2.3 接地电阻
接地电阻对高压电缆系统影响较大,需根据情况配置。若接地电阻设置较小,将造成护层环流成倍增长,电缆接地短路时的接地电流急剧上升,破坏电缆的热稳定;若接地电阻设置过大,电缆接地短路将会导致接地电压较高,从而造成电缆绝缘击穿。国内电缆护层接地电阻多设置为0.1～2Ω。
3 电缆护套环流计算
以某110kV三回电缆线路共沟敷设为例,分析减小环流的可行性。一回线路的一个交叉互联单元如图5所示,护套环流的等值电路如图6所示。
U1～U9分别为四回路9相电缆线芯上通过的电流(Ic1～Ic3)在A、B、C 3相电缆金属护套上产生的感应电势;U1′～U19′为四回路9相电缆护套上的环流(Is1～Is9)在电缆A、B、C 3相金属护套上产生的感应电势;R为电缆金属护套的电阻;X为电缆金属护套的自感抗;R1和R2为电缆两端的接地电阻;R3为大地的漏电阻。假设电缆交叉互联的3段长度分别为L1、L2和L3。
由图6可得到方程组如下:
由方程组可得电缆金属护套环流计算公式:
一条电缆线路中电缆型号、接地电阻确定后,式中分母即已成定值。因此,影响电缆环流值的主要因素:通道中所有电缆线芯电流对计算相电缆护套上的感应电压;通道中所有电缆护套上环流度计算相的感应电压;同回路其它两相电缆护套上的环流。
4 环流限值的确定
国内各地方电力运行部门根据经验,制定了两大类标准:将金属护套环流控制在负载电流的10%内;将金属护套环流控制在10A内。这两类标准在高压电力电缆线路上执行起来差异较大,以东莞地区1回电缆带2台63MW主变为例,其正常运行情况电缆最大负荷电流约660A,对于第一类标准,环流值需控制在66A内,略显偏大;对于第二类标准,环流值需控制在1.5%内,难以实现。
近年来,各地方出台试行规则,如南网佛山局建议环流控制在负载电流的5%内;国网南京局建议环流控制在负载电流的7%内。至于哪种标准更合适,要根据电缆线路实际情况,如回路数、敷设方式等区别对待。
5 结语
(1)采用何种护层保护接地方式应根据工程电缆线路长度、电缆排列形式、通道大小等情况进行比选、优化设计。采用电缆护层交叉互联接地方式时,单元中的三段电缆尽可能等长,以减小电缆环流。
(2)对于不同的工程,其他因素对环流影响程度有所不同,实际应用中需找出具体工程影响环流的主要因素予以防治。
(3)减少环流途径:同一回路电缆尽可能趋于三角形排列;增大共通道各相电缆的间距;电缆采用即交叉互联又换位的敷设方式,单元中的三段电缆尽可能等长;优化共通道中电缆的排列方式;在交叉互联接线回路中加装电抗器。
摘要：介绍电缆金属护层环流产生的原因、金属护套的接地方式及影响环流大小的各种因素,分析减少环流的方式、方法。
关键词：单芯电力电缆,护套环流,影响因素,限值
参考文献
[1]牛海清,王晓斌,等.110kV单芯电缆金属护套环流计算与试验研究[J].高电压技术,2005,31(8):15-17
[2]刘英,王磊,等.双回路电缆护套环流计算及影响因素分析[J].高电压技术,2007,33(4):143-146
[3]欧景茹.高压单芯电缆金属护套感应电压计算及其保护方式[J].吉林电力,2001,(3):14-16
[4]贾欣,曹晓珑,喻明.单芯电缆计及护套环流时载流量的计算[J].高电压技术,2001,27(1):25-26,38
[5]王康新,高海洋,等.超高压交联电缆排列方式与护套环流分析研究[J].广东电缆技术,2009,(3):14-18
单芯测井电缆 篇6
关键词：单芯电缆,接地保护,金属护套,交叉互联
0 引言
近年来,随着城市经济的快速发展,电力电缆正在以节约城市用地、美化城市环境、供电可靠等优势,得到广泛应用。
相比较三芯统包电缆,相同截面积的单芯电缆以载流量大、弯曲半径小的优势被各供电公司广泛使用,尤其在电缆不断发展的前期,随着用电负荷逐年增长,35k V及以上电压单芯电缆得到了广泛应用,增长速度较快。然而,随着电力电缆逐年增多以及运行时间变长,电力电缆的运维管理面临着很多新问题和挑战,尤其是单芯电缆。一旦运行过程中的单芯电缆发生金属护套保护接地方式被破坏的现象[1],比如:金属护套接地方式不合理或接地线断裂、被偷盗,就会导致单芯电缆金属护套上感应较高的电位或产生较大的环流[2],最终导致金属护套持续发热,烧损甚至引燃电缆外护套,导致电缆起火跳闸事故,严重影响了电网的安全运行。本文以一起典型的35k V单芯电缆金属护套接地线断裂缺陷为例,对电缆缺陷的处理过程及缺陷原因进行了分析,阐明了单芯电缆金属护套接地保护方式正确可靠运行的重要性,同时对高压单芯电缆金属护套接地保护方式的应用与维护提出了参考意见。
1 金属护套接地保护方式
单芯电缆 线芯一旦 流过交流电流时,便会在其金属护套上产生纵向感应电压,感应电压大小与电缆负荷电流、频率及电缆长度成正比[3]。而单芯电缆金属护套上的感应电压过高或形成环流,都将导致电缆发生绝缘击穿故障,并且依据《电力工程电缆设计规程》规定:“单芯电缆线路的金属护套只有一点接地时,金属护套任一点的感应电压(未采取能有效防止人员任意解除金属层的安全措施时)不得大于50V,除上述情况,感应电压不得大于300V。”因此,为了保障电缆线路及运维人员的安全,单芯电缆金属护套通常采用以下几种接地保护方式:金属护套两端直接接地,金属护套一端接地、另一端保护接地,金属护套中点直接接地、两端保护接地,金属护套中点保护接地、两端直接接地,金属护套交叉互联保护方式[4]。
2 实际电缆缺陷案例分析
2.1 发生危急缺陷的电缆线路概况
青岛供电公司某35k V电缆线路概况如 下: 该电缆线 路投运于2010年7月, 是由220k V变电站向一些重要高压用户供电的架空电缆 混合线路, 其中, 该220k V变电站至1号杆为单 芯电缆, 此段电缆为双回电缆,全长482m,无中间接 头, 电缆型号 为ZRYJV22-1×240,采用电缆沟加排管的敷设方式,此段电缆护套保护方式为一端直接接地、一端保护接地,接线图如图1所示。
2.2 缺陷发现及处理过程
2012年8月10日, 运行人员在 对该220k V变电站夹 层内的35k V出线电缆进行巡视过程中,通过红外成像仪测温发现,其中一条35k V电缆的护层保护器温度高达180℃(见图2),该温度远超过正常使用时的温度[5],存在严重安全隐患。通过全线巡视检查并进入电缆沟进行检查发现,电缆外护套完好无损,而1号杆电缆终端头护套接地线出现断裂现象。经现场查看,并通过对现场情况进行综合分析,研究决定采取停电方式对缺陷进行处理,更换该1号杆电缆护套接地线,将易断裂的软铜编织线更换为架空绝缘导线,从而能够有效防止接地线断裂,同时更换该变电站夹层内的发热护层保护器,确保此段单芯电缆金属护套保护方式正确无误。
2.3 缺陷原因分析
该35k V电缆线路中的1号杆电缆护套接地线原为铜编织软线,材质较软,在长期受风吹来回摆动摩擦,以及老化腐蚀等外在因素影响下,容易在使用一段时候后出现酥化、断裂现象。一旦此处电缆金属护套接地线断裂,就相当于由原来的直接接地变成了保护接地方式,破坏了此段单芯电缆金属护套原来的保护接地方式,由原来的一端直接接地、一端保护接地方式变成了两端保护接地方式。
由于在迎峰度夏期间,该段电缆线路一直为重载线路,负荷电流很大,高达850A,而单芯电缆金属护套上的感应电压与电缆长度和线芯电流的大小成正比[6],因此此单芯电缆金属护套上的感应电压很大。下面将通过理论计算此段电缆护层的感应电压值。通过台账资料可知,电缆全长l为482m,电缆负荷电流I=850A,电缆直径DS为35.3mm,中心距S为160mm,线路可视为全部按等边三角形敷设[7],则单位长度电缆护层感应电压应按公式(1)计算[8]:
式中: US0为电缆护套单位长度的正常感应电压。
考虑其他多方面因素,校正系数k设为1.2,则此段电缆护套感应电压如式(2)所示:
经计算,结果为68.3V。从而可知电缆金属护套上感应电压很大,不能满足电力工程电缆设计要求,而且由于被破坏后的电缆金属护套两端都是保护接地,感应电压一直无法释放,从而会对电缆金属护套上的薄弱点一直放电,而此薄弱点正是该220k V变电站夹层内的电缆护层保护器,护套上的感应电压一直对电缆护层保护器放电,存在泄漏电流,从而导致电缆护层保护器持续发热,最终很有可能导致电缆护层保护器炸裂,严重危及变电站夹层内的其他35k V出线电缆线路。
3 高压单芯电缆运行维护建议
由上述电缆缺陷案例分析可知,单芯电缆金属护套保护方式的正确性、合理性及安全性对高压单芯电缆安全可靠运行显得尤为重要,因此针对单芯电缆金属护套保护方式的重要性,为保障电缆线路安全、稳定、可靠运行,避免电缆着火等事故的发生,对高压单芯电缆运行维护提出以下相关建议,以供相关运行管理部门参考。
1) 梳理、统计并建立高压单芯电缆基础数据台账(包含护套保护方式),便于单芯电缆日常运维和抢修工作的有效开展。
2) 推行差异化巡视制度, 做到220k V及以上电缆线路每周至少巡视一次,110kV及以下重要电缆线路每半个月至少巡视一次,35k V及以下电缆线路每月至少巡视一次,并根据设备运行和周围外力情况,科学合理调整相应巡视周期,同时依据电缆运行规程的相关要求,制定电缆线路设备巡视卡,做到巡视无死角、无漏项,重点巡视检查单芯电缆交叉互联箱、保护接地箱中接地线、护层保护器等附属设备。
3) 丰富、强化高压单芯电缆的在线监测手段,在重要及重载高压单芯电缆中间接头及终端头处安装环流在线监测装置,实时掌握电缆护套的运行状态;对35k V及以上电压等级的高压单芯电缆安装分布式光线测温系统,监测电缆本体、中间接头、终端头的运行温度;同时在重要的电缆隧道内安装隧道环境监测系统,包括隧道温度监测、有害气体监测、水位监测、井盖监测、智能排水和通风冷却等功能;建议成立专门的电缆监控中心,将以上多个在线监测系统进行统一整合,形成电缆综合监测系统,将所有监测数据上传至监控中心屏幕,实时掌握电缆运行状况,并对某些监测值(如井盖开、合状态,水位值,环流值,温度值等)设定警界值,通过监控中心屏幕报警信号或发送短信等方式将告警信号告知运维人员,及时发现异常情况,从而及时有效处理,确保电缆安全可靠运行。
4) 强化高压单芯电缆带电检测手段,结合电缆线路巡视工作,开展对电缆终端头、中间接头的红外测温和环流检测工作,根据测量结果差异化调整带电检测周期,对于温度异常或负荷满载的电缆线路应做到每日一次红外测温,实时掌握温度变化情况,便于制定正确的检修策略,做到对每一条新投运电缆线路开展局放检测,有效保障电缆运行安全可靠。
5) 加强电缆通道运维全过程管理,借助电缆井盖智能监测,形成电缆隧道进出管理办法与考核机制, 任何人员进入电缆通道前必须办理书面审批手续,由运维单位人员负责对隧道内的施工作业进行监督、验收、检查,同时由施工人员负责清理施工作业现场,有效保证电缆及其附属设备的可靠运行。
6) 在重要电缆隧道内高压单芯电缆中间接头或终端头处,安装实时视频监控系统,并在电缆隧道通风口加装金属网,有效防止人或小动物进入,加强电缆护套接地线的防盗措施,实时监控和掌握电缆运行环境,及时发现异常情况。
4 结论
本文通过对实际单芯电缆护套接地线缺陷案例的分析,例证了单芯电缆金属护套的保护接地方式对电缆的安全可靠、稳定运行的重要性。同时,对高压单芯电缆运行应用、维护管理工作进行了总结并提出了几种运维管理建议,有助于保障高压单芯电缆安全可靠运行,以进一步提高供电可靠性。
参考文献
[1]夏永辉.高压单芯电缆外护套故障查测及修复方法[J].供用电,2012,29(2):67-69.
[2]牛海清,王晓兵,张尧.基于迭代法的单芯电缆载流量的研究[J].高电压技术,2006,32(11):41-44.
[3]张东斐.配电电缆[M].北京:中国电力出版社,2010.
[4]欧景茹,祁树文,杨世春,等.高压单芯电缆线路金属护套接地方式[J].吉林电力,2005,(2):19-25.
[5]Q/GDW 512—2010电力电缆线路运行规程[S].2010.
[6]朱爱钧.超高压长距离大截面电缆的护层感应电压[J].供用电,2006,23(6):7-9.
[7]毛为民.电力电缆相序阻抗计算与分析[J].供用电,2002,19(4):24-25.
单芯测井电缆 篇7
关键词：单芯电缆,磁场,排列方式,载流量,电动力
1 引言
单芯电缆相对于多芯电缆而言, 具有多种显著的优点:载流量大;弯曲半径小, 重量轻, 便于施工安装;可减少备料品种及规格, 减少施工废弃的短电缆;制造工艺简便、生产率高, 多根单芯电缆价格之和往往低于一根多芯电缆, 经济性高。因此, 单芯电缆在大电流配电中得以广泛使用。
当多芯电缆中通过三相对称交流电流时, 由于其载流导体在空间上也对称, 三相电流矢量和为零, 电缆周围的磁场矢量和也为零。而单芯电缆通过工频交变电流时在电缆周围必然产生工频磁场, 配电设计时必须考虑其工频磁场对配电线路的影响。下文尝试就此进行分析总结。
2 并联单芯电缆的排列方式
工程设计中经常使用单芯电缆同相多根并联的方式来承载大电流。鉴于低压800A以上时并联电缆相对于母线槽的价格优势已不再显现[2], 本文仅讨论单芯电缆同相两根并联时由于排列方式不同导致的电流分配不均匀现象。常见的四种排列方式见图1。
并联电缆的端电压相同, 每根电缆的载流量与其单位长度阻抗Z成反比。
Z=R+j2πf (Li+Le) (1)
式中:R——导体的交流电阻值, Ω/m;
f——工作频率, 工频为50Hz;
Li——导体线芯内感, H/m;
Le——电缆导体间互感, H/m。
同型号并联电缆的材料与结构相同, 导体的交流电阻值R基本相等[4]。
在工频条件下, 电磁波的波长λ为6000公里, 因此在考虑工频激励源附近几十公里范围内的磁场时, 都可按恒定磁场的规律进行分析和计算[1]。从安培环路定律可知, 半径为R的长直圆导体, 在导体内部距轴芯半径为r处的磁感应强度为:
undefined (2)
式中:B—磁感应强度, 特斯拉 (T) ;
μ0—真空的磁导率, 其值为4π×10-7H/m;
I—导体通过的电流, A;
则导体内由轴向长度 (导体长度) l、宽为dr构成的矩形元面积 (ldr) 上穿过的元磁通为[1]:
undefined
圆导体中的自感磁链总量为:
undefined
则可求得单位长度的内感为:
undefined
可知Li为固定值, 影响并联电缆阻抗Z的因素就只有互感Le了。多回路线路的Le定量计算非常烦琐, 相关文献[3,4]均通过大量的简化及计算机辅助运算方得出其近似值, 算出排列方式1的电流分配不平衡度可能高达14%～24%。高不平衡度电流的存在会大大降低整体电缆回路的输送能力。
其实对于低压配电线路的敷设, 改变单芯电缆的排列方式并不增加任何工程造价, 工程设计中只需定性掌握何种排列方式不会导致较大的感应电流即可。本文尝试改变思路, 从电磁感应的角度进行分析, 可以直观地把各种各样的排列方式简单划分为以下两类进行讨论:
2.1 空间上不对称的排列方式
以图1中排列方式1的A1、A2电缆并联而成的回路为例, 其他四条单芯电缆的交流电流IB1、IB2、IC1、IC2所产生的时变磁场穿过该回路。根据楞次定律, 感应电势e及其所产生的电流总是企图阻止与回路相交链的磁通Ψ的变化[1]。
undefined
IB1产生的与A相回路相交链的磁通:
undefined
undefined
IB2产生的与A相回路相交链的磁通:
undefined
B相电流产生的与A相回路相交链的总磁通:
undefined
上列各式中ldr为由轴向长度l、宽为dr构成的矩形元面积;IB1=IB2 =0.5IB; 磁链 (磁通) 的加减以电流的右螺旋关系来确定;积分上下限以电缆与回路的相对位置确定;详图2所示。
可见, ΨB会随B相电流的变化而变化, 则必然在A相回路中产生感应电流。同理可证C相电流也会在A相回路中产生感应电流。
图1中的排列方式3同样会引起感应电流, 限于篇幅不再骜述。
2.2 空间上对称的排列方式
以图1中排列方式2的A1、A2电缆并联而成的回路为例:
undefined
ΨB=ΨB1+ΨB2=0, 就无感应电流产生。
同理可证图1中的排列方式4由于空间上是对称的, 也不会产生感应电流。
所以, 单芯并联电缆回路配电线路设计时应摒弃排列方式1、3这类空间上不对称的排列方式, 采用空间上对称的排列方式2、4。
3 载流量与电压损失校验
既然排列方式2、4都可不计及工频磁场产生的感应电流的影响, 那么哪种排列方式更理想呢?笔者认为可以从载流量的角度来选择。以导体截面240mm2的YJV-0.6/1kV电缆为例, 下表摘自《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007表C.0.1-3:
载流量差别为什么如此之大, 这还得从单芯电缆工频磁场的角度来解读:
a.品字形排列的单芯电缆工频磁场与多芯电缆类似, 载流量大的优点并未充分体现, 且应计及电缆叠放时的温度校正系数, 配电线路设计不推荐采用。
b.水平形排列时, 如果金属层两侧接地, 金属层会通过大地形成了闭合回路。上节中述及的感应电势会在金属层中产生环流损耗而大大降低了载流能力, 配电线路设计不推荐采用。
显然, 采用金属层单侧接地的水平形排列方式载流量最大, 是单芯电缆低压配电线路的最优选择。至于无金属层单芯电缆的载流量, 笔者没有查到权威的数据, 日常设计均套用金属层单侧接地的水平形排列的载流量数据。
笔者查阅各种设计手册、规范、专业期刊, 目前尚无简易可行的方法可用于YJV-0.6/1kV单芯电缆水平排列线路的电压损失校验, 下文试推导之。电压损失的计算式为[6]:
undefined
式中:Un—标称线电压, kV;
cosφ—功率因数;
I—负荷计算电流, A;
l—电缆长度, km;
f—工作频率, 工频为50Hz;
R0—三相线路单位长度的电阻, Ω/km;
上式中Un、cosφ、I、l可知, 上节中已述及R0可查、Li为常量。对于平行敷设的三相单回路单芯电缆, 如果电缆中心距S远大于线芯直径D, 可近似认为三相的互感Le (uH/m) 相等且[5]:
Le=0.2ln (2S/D)
通过 (3) 式就可方便地算出电压损失。
4 电动力与电缆噪音
电力电缆由于机械强度足够, 一般不需要进行短路动稳定校验。但单芯电缆通过正常工作电流时, 处于工频交变磁场中的电缆要受到电动力的作用, 引起振动而产生噪音, 对配电线路的安全运行、环境保护有一定的影响。
以图1中水平排列方式2的单回路电缆为例, 电缆所受的工频磁场电动力可以根据毕奥-萨法定律[1]进行定量计算。B相电缆对A相电缆的电动力:
undefined
同理可得, C相电缆对A相电缆的电动力:
undefined
则A相电缆的所受的电动力合力:
undefined
以三相平衡电流ia=Im·sinω
ib=Im·sin (ωt-120°)
ic=Im·sin (ωt+120°) 代入上式, 经三角运算可得:
undefined
undefined
上列各式中l为电缆固定节长 (m) ; S为电缆中心距 (m) 。可见各条电缆所受电动力的波形均为正弦波, 频率为2倍工频 (即100Hz) 。当分别达到波峰值时, 中间的B相所受的电动力最大, 为0.433×10-7Im2l/S (牛顿) ;A、C相所受的电动力为0.233×10-7Im2l/S (牛顿) 。
正是由于周期性波动的单芯电缆间电动力的作用, 引起电缆振动而产生噪音。工程设计时必须采取针对性的措施, 如:采用尼龙扎带或绳索等柔性束缚进行绑扎固定;采用隔振材料隔离振动;避免选用固有振动频率接近100Hz的桥架以免共振;鉴于电动力大小与电缆长度成正比, 参照密集式母线槽的标准节长, 建议固定长度为1.2米左右;大电流单芯电缆桥架以及竖井位置宜避开对低频噪音敏感的区域如卧室、宾馆客房等。
5 几点结论
众所周知, 电磁场的计算相当复杂, 相关的文献也非常浩繁。本文试图能去繁存简, 结合一些必要的推算, 提取对日常电气设计有助的方法及结论:
a.从抑制感应电流的角度出发, 单芯电缆并联时应优先采用空间上对称的水平或品字形排列方式。
b.从提高载流量的角度考虑, 应优先采用水平排列方式。
c.采用水平排列方式时, 只要电缆的中心距S设计得足够大 (一般为电缆外径D的2倍以上) , 可利用本文提供的方法简便地进行电压损失校验。
d. 周期性波动的单芯电缆间电动力是单芯电缆的固有特性, 虽无法消除但应采取各种有效措施来减轻由此引起的噪音污染。
参考文献
[1]冯慈璋.电磁场[M].高等教育出版社.
[2]邵颋.分支电缆与紧密式母线槽的比较和分析[J].电气工程应用, 2003 (1) :37-39.
[3]柴进爱等.三相电缆并联导体间电流分布的研究[J].电力设备, 2007 (9) :16-18.
[4]师宁等.同相大截面并联电缆敷设对其电流分布的研究[J].邢台职业技术学院学报, 2010 (3) :44-47.
[5]刘子玉.电气绝缘结构设计原理-上册-电力电缆[M].机械工业出版社.