新型配网电缆屏蔽层的防盗报警装置

摘 要

全国各地时有发生盗剥运行电缆铜屏蔽层，甚至盗割电缆铜芯的案件，奉贤地区也出现过类似偷盗事件，严重危害电缆运行安全。本文提出一种新型电缆屏蔽层防盗装置，通过在屏蔽层上耦合电流信号，并检测信号幅值的方法在线监控电缆屏蔽层的完整性，当电缆受到外力破坏、人为盗割、电缆剥皮等异常状态时及时发出声光报警，进而起到防盗报警功能。

【关键词】电缆屏蔽层接地 在线监测 新型电缆屏蔽层防盗报警装置

1 引言

近几年，随着城市工业化的迅猛发展，从发电站到城乡电网，从配电间到工厂街道，电缆线路以其独具的特点，得到越来越广泛的应用，在许多场合起着架空线所无法替代的作用。在郊区，电缆大部分都是以直埋方式来敷设的，这样就给某些不法分子偷盗电缆带来了可乘之机，见图1。由此本文提出了利用低频发射电流耦合到被监测的电缆上，在电缆外屏蔽层与地线之间形成监测电路并制作出了经济、可靠、实用的电缆防盗报警装置。本电缆防盗报警装置只需经过简单的设置便可对变电站出线电缆进行监控，只要电缆屏蔽层被盗割，装置可立即发出报警，为电缆提供了切实有效的保护方法。

2 电缆屏蔽层接地的必要性

在电缆结构上的所谓“屏蔽”，实质上是一种改善电场分布的措施。电缆导体由多跟导丝绞合而成，它与绝缘层之间易形成气隙，导体表面不光滑，会造成电场集中。在导体表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的导体等电位，并与绝缘层良好接触，从而避免在导体与绝缘层之间发生局部放电。这一层屏蔽，又称为内屏蔽层。

屏蔽层的材料是半导电材料，其体积电阻率为103～106欧姆/米。油纸电缆的屏蔽层为半导电纸，这种纸是在普通纸中，加入了适量胶体碳黑粒子。半导电还有吸附离子的作用，有利于改善绝缘电气性能。挤包绝缘电缆的屏蔽层材料是加入碳黑粒子的聚合物。没有金属护套的挤包绝缘电缆，除半导电屏蔽层外，还要增加用铜带或铜丝绕包的金属屏蔽层。这个金属屏蔽层的作用，在正常运行时通过电容电流；当系统发生短路时，作为短路电流的通道，同时也起到屏蔽电场的作用。在电缆结构设计中，要根据系统短路电流的大小，对金属屏蔽层的截面积提出相应的要求。电缆铜屏蔽接地主要有两个作用：一是确保电缆的安全性，电缆在运行过程中如遇故障电流可通过接地的金属屏蔽层将电流导向大地，从而保护电缆线芯不受其影响；二是屏蔽电场。

高压电力电缆的铜屏蔽一般都需要接地，但是其接地方式却因电压等级而异：35kV以下的电缆一般采用铜屏蔽两端接地的方式，而35kV及以上的电缆一般采用铜屏蔽一端接地的方式。对于35kV及以下电压等级的电缆都采用两端接地方式，这是因为这些电缆大多数是三芯电缆，在正常运行中，流过三个线芯的电流总和为零，在铝包或金属屏蔽层外基本上没有磁链，这样，在铝包或金属屏蔽层两端就基本上没有感应电压，所以两端接地后不会有感应电流流过铝包或金属屏蔽层。

屏蔽层两端接地可以使屏蔽层与大地之间即形成了一个回路，屏蔽层受到破坏后，回路将断开，只需监测这个回路是否连通即可判断电缆屏蔽层的完整性。

3 新型电缆屏蔽层防盗报警装置的技术要求

3.1 屏蔽层完整性检测

针对电缆屏蔽层偷盗问题，上海市电力公司奉贤供电公司研制了一种电缆屏蔽层防盗装置，通过发射线圈将电流信号藕合到被监测的电缆上，在电缆外屏蔽层与地线之间形成监测电流。当发生盗割时，电缆外屏蔽形成电流回路被切断，由接收机对收到的信号大小进行比较，当与正常值偏差大于定值时就给予报警，这样就可以有效地解决电缆屏蔽层偷盗问题。

对于电缆屏蔽层防盗报警装置的技术要求如下：由发射机发射一个低频信号，通过电缆外屏蔽形成一个电流回路，在接收环中感应转换出一个输入电压，当发生盗割时，电缆外屏蔽形成电流回路被切断，从而可以指示出该条电缆是否被盗割；另外为了使接收信号，稳定可靠，要求接收滤波器的衰减系数越大越好。

3.2 耦合信号频率选取

当定时在电缆屏蔽层上施加一个交流电流信号，同时监测这个信号的大小，就可以监测这根输电电缆。由于电缆芯线与外屏蔽层之间存在线内耦合电容。当屏蔽层断开后，屏蔽层检测回路将含有线芯与外屏蔽层之间偶和电容，因此接收线圈感应值将发生改变。以10kV电缆为例，如果输电芯线为300mm2的，每公里电容约为0.37μF。由于发射磁环与接收磁环都安装在电缆外部，同时感应三相电线，这个耦合电容还将乘3，等于1.11μF。以铺设长度10公里来计算，耦合电容值，约为11μF。由于有耦合电容的存在，监测信号的频率越低，监测越可靠。但是频率越低这个信号越不容易加到电缆上。综合考虑，按以下方式计算，取接地电阻阻抗最大为30欧姆，外屏蔽盗割后通过10公里电缆的耦合电容形成的阻抗大于60欧姆时。同时便于与工频50Hz信号分离，故采用144Hz的发射信号。

4 新型电缆屏蔽层防盗报警装置的设计方案

4.1 基本功能

采用电容器储能，利用大功率IGBT组成的电子开关与储能电容器和发射环（相当于电感）形成阻尼震荡。将低频发射电流藕合到被监测的电缆上，在电缆外屏蔽层与地线之间形成监测电流。当发生盗割时，电缆外屏蔽形成电流回路被切断，由接收机对收到的信号大小进行比较当与正常值偏差达到定值时就给予报警，分别有发射机和接收机完成。

4.2 工作原理

电缆正常工作时，它的外屏蔽层在两端均可靠接地、接地电阻阻抗约为几百毫欧～十几欧姆之间。当电缆外层被盗割时，该回路将被切断，电缆防盗装置就是根据这个基本原理设计的，见图2。

该装置由发射卡环、接收卡环、发射器、接收器、报警器组成。

（1）发射器回路由220V交流电源输入、电流整流滤波储能回路、阻尼震荡回路和信号发生器组成，用来发射信号并耦合到运行电缆的屏蔽层上。

（2）接收器将接收卡环的信号经放大回路、滤波回路、A/D转换后送入装置的CPU，并由CPU识别信号幅值并自动调节增益倍数，CPU还可通过装置上功能设置键盘对报警值进行在线设置，并由160*160的液晶屏显示。

（3）接收部分可以在现场自动设置监测增益，根据一段运行时间的自动监测并记录正常使用时的最大接收值和最小接收值，对该装置设置合理的报警值，在发生电缆屏蔽层被破坏时及时声光报警。

4.3 技术指标

（1）发射磁环由零序电流互感器改装而成，互感器内径根据现场最大电缆外径取Ф120mm。

（2）发射卡环与接收卡环安装在同一条电缆上，间距为1～1.5m，间距过小可能产生电磁干扰，影响测量精度。

（3）信号处理由MPS430单片机完成。该单片机有完善的AD采样接口和与上位机的通讯接口。电路简洁可靠，接收机的窄带滤波器，采用凌特公司的LTC1067数字滤波器，每倍频衰减大于60db，选频效果极佳。

（4）发射机的频率发射器采用数字锁相技术，频率稳定无漂移，发射周期为60秒比1秒。发射机与接收机装在一个360×140×300mm的便捷式铝制仪器箱内。

（5）输出功率：10W；输出频率：144Hz；断续比：60S断：1S通；响应时间：小于1MS。

5 结语

上海市电力公司奉贤供电公司研制的新型电缆屏蔽层防盗装置，通过在线监控电缆屏蔽层的完整性，当电缆受到外力破坏、人为盗割、电缆剥皮等异常状态时发出声光报警，实现防盗报警功能。该装置可识别接收信号幅值，并自动调节增益倍数，具有自适应调节功能，且该设备结构简单，便于维护，可以广泛应用于各种工况下的变配电站10kV出线电缆。

参考文献

[1]史传卿.电力电缆安装运行技术问答[M].北京：中国电力出版社，2002（08）：23-24.

[2]史传卿.供电点工人技能手册-电力电缆[M].北京：中国电力出版社，2005（06）：60-63.

作者简介

夏渊（1988-），男，大学本科学历。现为国网上海奉贤供电公司助理工程师，从事线缆运维工作。研究方向为电缆运行维护。

张滕飞（1982-），男，硕士学位。现为国网上海奉贤供电公司工程师，从事变电运行维护工作。

沈晨（1986-），男，大学本科学历。现为国网上海奉贤供电公司助理工程师，从事线缆运维工作。

顾斌（1988-），男，大学专科学历。现供职于国网上海奉贤供电公司，从事线缆运维工作。

作者单位

国网上海奉贤供电公司 上海市奉贤区 201400