海底電力電纜故障探測分析

敬 強，鄭新龍，李世強

（舟山電力局，浙江 舟山 316021）

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展，海島能源的需求日益增大。海島電力輸送主要依賴海底電力電纜（以下簡稱海纜），隨著海纜的大量使用，海纜故障也不斷增加。如何快速準(zhǔn)確地找出海纜故障點，迅速恢復(fù)供電，已經(jīng)成為電力部門面臨的又一新課題。2010年8月10日，上海蘆潮港送嵊泗縣的60 km±50 kV直流輸電海纜雙極停運。事故發(fā)生后，由于海纜較長、探測技術(shù)和能力不足，故障定位和檢修工作極為困難，導(dǎo)致查找故障和停電時間過長，嵊泗電網(wǎng)全網(wǎng)停電，限電時間長達12天，引起了媒體的廣泛關(guān)注，社會影響極大。因此，必須積極探索海纜故障測試技術(shù)，快速準(zhǔn)確定位故障點，大大縮短海纜修復(fù)時間，以盡可能減少因海纜故障停電造成的經(jīng)濟損失。

1 海纜故障探測的步驟

1.1 確定故障性質(zhì)

了解故障海纜的有關(guān)情況以確定故障性質(zhì)，判斷故障為接地、短路、斷線還是它們的混合；是單相、兩相、還是三相故障。

1.2 故障測距

故障測距即粗測，是在海纜的一端采用相應(yīng)的故障測試方法初步確定故障距離，縮小故障點范圍，便于更快找到故障點。

1.3 精確測定故障點

按照故障測距結(jié)果，依據(jù)海纜路由資料，找出故障點大致位置，在初步確定的區(qū)域內(nèi)，采用對應(yīng)的定點儀器，確定故障點的精確位置。

2 故障測距方法

海纜故障探測要經(jīng)過以上3個步驟，其中故障測距是整個探測過程的關(guān)鍵。只有解決了測距難題，才能迅速找到故障點。

海纜的運行環(huán)境與陸地電纜有較大差異，但絕緣性能與陸地電纜一致，因此海纜的故障探測技術(shù)可參考陸地電纜故障測試。

當(dāng)前，電纜故障測距技術(shù)主要有兩大類：利用電纜阻抗探測電纜故障（即阻抗法）和利用電纜中的行波探測電纜故障（即行波法）。

阻抗法是通過測量和計算故障點到測量端的阻抗，然后根據(jù)線路參數(shù)，列寫求解故障點方程，求得故障距離。

行波法又分為低壓脈沖反射法、脈沖電流法和二次脈沖法。

（1）低壓脈沖法適用于電纜的低阻、短路與斷路故障，而不能用于高阻與閃絡(luò)故障。

（2）脈沖電流法通過線性電流耦合器采集電纜中的電流行波信號，以高壓擊穿電纜故障點，用儀器采集并記錄擊穿故障點所產(chǎn)生的電流行波信號，通過測量故障點放電脈沖在故障點與測量端之間的運動時間來確定電纜故障距離。

（3）二次脈沖法是最新發(fā)展的電纜故障預(yù)定位方法，其原理是先發(fā)射1個低壓脈沖，低壓脈沖在高阻或間歇性電纜故障點不能被反射，而在電纜末端發(fā)生開路反射，儀器將這個顯示電纜全長的波形存儲起來；之后高壓電容器放電，使電纜故障點發(fā)生閃絡(luò)，在故障點起弧的瞬間也會觸發(fā)1個低壓脈沖，并疊加在高壓信號上從故障點發(fā)生短路反射。將前后2次低壓脈沖波形進行疊加對比，2條軌跡將有清楚的發(fā)散點，該點即為故障點。但是二次脈沖法對起弧后的低壓脈沖發(fā)射間隔要求比較高，如果故障點受潮嚴(yán)重，故障點擊穿過程較長，低壓脈沖的發(fā)射間隔將相應(yīng)增加；且故障點維持低阻狀態(tài)的時間不確定，施加二次脈沖時的控制有難度。

3 故障波形分析

3.1 脈沖電流法測試波形

脈沖電流法用線性電流耦合器LH采集電纜中的電流行波信號，其原理如圖1所示。

圖1 脈沖電流法原理

LH實際上是一個空心線圈，與地線電流產(chǎn)生的磁場相匝連，即耦合感應(yīng)地線中的電流變化。當(dāng)故障點擊穿產(chǎn)生的電流行波到達后，線性電流耦合器輸出一脈沖信號，因此可以從線性電流耦合器有無脈沖信號輸出來判斷測量點是否有電流行波出現(xiàn)。

圖2給出了故障點的低阻故障脈沖反射波形。由該直流閃絡(luò)電流行波網(wǎng)格圖可以看出，t=0時，球間隙擊穿，注入的高電壓波E沿電纜前進，相應(yīng)的電流波為i0=E/Z0。時間τ后，高電壓波到達故障點，故障點開始電離，經(jīng)放電延時td后，形成短路電弧，擊穿放電，故障點電壓由E突跳為零。此時產(chǎn)生1個與高壓脈沖相反的正突跳電壓E0以及相應(yīng)的電流i0，i0=E/Z0，其中Z0為電纜波阻抗。

圖2 直接擊穿的脈沖電流行波網(wǎng)格圖

3.2 放電延時

根據(jù)分布參數(shù)傳輸線理論，行波信號在電纜中傳播，遇到阻抗不匹配點（波阻抗不同的電纜）時，會產(chǎn)生2個波即入射波和反射波，定義入射波Ui和反射波Uf關(guān)系的是反射系數(shù)ρu：

式中：Z為阻抗不匹配點的等效阻抗；Z0為線路波阻抗。

若Z→∞，即電纜開路時，ρu=1，反射脈沖與入射脈沖大小相等、方向相同，開路點出現(xiàn)電壓加倍現(xiàn)象。

若Z=0，即電纜短路或擊穿時，ρu=0，入射脈沖與反射脈沖大小相等、方向相反，短路點出現(xiàn)電流加倍現(xiàn)象。

若 Z＜Z0，則-1＜ρu＜0，入射脈沖與反射脈沖極性相反，且反射脈沖幅度比入射脈沖幅度小。

脈沖電流波形的第一個脈沖是球間隙擊穿時電容對電纜放電引起的。故障點擊穿短路后，2τ+td時刻，故障點放電電流脈沖到達測量點，并與測量點的反射脈沖迭加，幅值為故障點放電電流脈沖的2倍，即2E/Z0（Z=0的情形），以后的脈沖則是電流行波在故障點與測量點之間來回反射所造成的。故障點的第二個反射脈沖在波形上與第一個反射脈沖之間的距離即故障距離。如圖3所示，Δt即故障反射波形的反射時間。

Δt=2τ； L=V·Δt/2

式中：L為故障點距離；V為脈沖波速。

圖3 脈沖電流法電流波形

需要注意的是，電容對電纜的放電脈沖與故障點放電脈沖的時間差并非脈沖在故障點與測量點間往返一次的時間2τ，而是比2τ多放電延時td，且td是不確定的，它與施加到故障點上的電壓、故障點破壞程度、電纜絕緣材料等因素有關(guān)。

3.3 雜散電感引起的反脈沖

在實際波形中，由于擊穿后電纜與電容中儲存的能量會不斷消耗，電纜中的電流隨時間增加趨近于0；脈沖在電纜傳播過程中會有損耗，因此反射脈沖的幅度會不斷減小，變化逐漸緩慢；電容器本身和測試導(dǎo)線存在的雜散電感Ls對高頻行波信號也有影響，阻礙了回路中的電流變化。

電感Ls引起的反射如圖4所示。

圖4 雜散電感等效電路及對電流直角波的反射

開始時因電感上的電流不能突變，相當(dāng)于開路，電流行波反射系數(shù)為-1，出現(xiàn)負(fù)反射，波形向負(fù)方向變化。隨著時間增加，電感上電流進入穩(wěn)態(tài)，電感相當(dāng)于短路，電流行波反射系數(shù)為+1，出現(xiàn)正反射，波形再向正方向變化，故波形上會出現(xiàn)小的負(fù)脈沖即反脈沖（與發(fā)射脈沖比較）。

考慮到故障點的放電延時和雜散電感，脈沖電流法測試波形應(yīng)如圖5所示，電容對電纜的放電脈沖與故障點脈沖的時間差（即波形上第一個正脈沖與第二個正脈沖之間的時間），比2τ多出了放電延時時間td和雜散電感影響的t0；而td不確定，它與施加到故障點上的電壓、故障點破壞程度、電纜絕緣材料等因素有關(guān)。故障距離計算時，應(yīng)該取第二個正脈沖到第三個正脈沖前面的負(fù)脈沖之間的時間差2τ。

圖5 線性耦合器實際輸出波形

4 現(xiàn)場實測波形分析

4.1 2009年某次充油海纜故障

該段海纜為充油海纜，全長約4.9 km，故障脈沖電流波形如圖6所示。

圖6 充油海纜故障脈沖電流波形

故障距離以第二個正脈沖到第三個正脈沖前面的負(fù)脈沖之間的時間差計算，得到故障點距測量點的距離約為：

式中：V為波速，160 m/μs。

長距離測試時，td和t0一般會因反射波衰減而不明顯，所以故障距離應(yīng)為：

由于雜散電感和放電延時的影響，故障波形第一個反射脈沖和第二個反射脈沖之間的時間差存在誤差 t誤差。

4.2 蘆潮港-嵊泗直流雙極海纜故障

2011年1月，蘆潮港-嵊泗直流雙極海纜出現(xiàn)故障。海纜全長約61 km，由于海纜較長，測量脈沖信號的衰減比較大。

采用脈沖電流法測得故障波形如圖7所示。

圖7 高壓法測試波形

認(rèn)真分析測試波形，發(fā)現(xiàn)測試波形比標(biāo)準(zhǔn)脈沖電流測試波形缺少反脈沖，而且沒有第三個反射波形。這是由于故障點距離測量點較遠(yuǎn)，傳播過程中存在衰減，反射脈沖不明顯或者已消失（衰減），只能以脈沖下降處為起點計算故障點距離，故障距離就存在誤差，t誤差=td+t0。

對于同樣材質(zhì)的海纜（上述兩段海纜均為充油海纜），其故障點擊穿時間應(yīng)差異不大，可近似選用同樣的td。又因采用同一套儀器進行測試，所以t0也近似。

計算實際故障距離L：

現(xiàn)場打撈后確認(rèn)，實際故障距離約6 890 m，實際故障點與測算故障點誤差約2.1%。

長距離故障測試過程中的誤差主要源于雜散電感Ls和放電延時td。對于同一故障測試裝置，由于雜散電感Ls只與電容器本身和測試導(dǎo)線相關(guān)，因此只要測試導(dǎo)線不變，其雜散電感基本不變，則t0近似不變。對于同一根故障海纜，由于其狀況基本一致，可選用同樣的td，誤差并不明顯。在測試結(jié)果中考慮t0和td對測試引起的影響，可使故障測量更加準(zhǔn)確。

5 總結(jié)

（1）由于海纜具有距離長、信號衰減大的特點，海纜故障測試時更應(yīng)具體問題具體分析，根據(jù)海纜的故障類型、敷設(shè)特點等綜合考慮，采用合適的方法來進行故障檢測。

（2）由于長距離故障探測時存在反射信號衰減嚴(yán)重的問題，可以考慮通過提高沖擊電壓的幅度、加大測試脈沖的幅度和寬度，來提高故障回波波形幅度；通過增加取樣線圈的圈數(shù)、增加LH與地線間的耦合度等方法來提高采集到的波形幅度，從而獲得更為精確的故障波形，減小測試誤差。

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