南水北調(diào)電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)的研究

□王卓然 □張亞輝 □張大鵬

（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司）

0 引言

南水北調(diào)中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路已于2014年9月建成并通電運(yùn)行，供電線路主要采用架空方式由南向北沿著南水北調(diào)中線總干渠敷設(shè)，供電線路在進(jìn)出降壓站和受黃河南段復(fù)雜地形地物的影響，在南35kV永久供電線路系統(tǒng)中使用了較多的地埋高壓電力電纜。因電纜存在相間及相對(duì)地存在電容，且電纜線路相間及相對(duì)地間電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于架空線路容易造成短路故障，需要設(shè)置一套新型的電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，來完成對(duì)整個(gè)南水北調(diào)中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路的維護(hù)、檢測。

1 設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)的必要性

南水北調(diào)中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路在正常運(yùn)行條件時(shí)，高壓三相電力電纜電容電流會(huì)迅速增大，容易超過隔離開關(guān)分?jǐn)嗄芰?，可能引起誤操作，因高壓電力電纜埋設(shè)在南水北調(diào)總干渠右岸封閉綠化帶內(nèi)，不利于快速查找、分析故障原因。當(dāng)35kV永久供電線路系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電弧不易自行熄滅，繼而發(fā)展成相間短路，單相接地故障易發(fā)生電弧接地過電壓，在一個(gè)工頻周波內(nèi)，健全相過電壓可達(dá)3～3.40倍正常相電壓，使整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)絕緣薄弱的設(shè)備放電擊穿，引起設(shè)備損壞，造成系統(tǒng)斷電，使整個(gè)南水北調(diào)中線一期工程黃河南段35kV永久供電線路供電可靠性降低，嚴(yán)重影響南水北調(diào)中線一期工程的決策調(diào)度，故建立一套電纜監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)可安裝在沿南水北調(diào)總干渠布設(shè)降壓站的環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜、電纜分支箱或箱式變壓器等電力設(shè)備中，主要用于監(jiān)測開關(guān)位置狀態(tài)、相應(yīng)電纜區(qū)段的短路或接地故障以及電纜溫度異常告警，同時(shí)采集線路上的實(shí)時(shí)負(fù)荷電流值及電纜實(shí)時(shí)溫度值，保障線路的安全、可靠的運(yùn)行。

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能概述

電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)是基于配網(wǎng)監(jiān)測主站，以零序電壓、線電壓、接地暫態(tài)電流和線路穩(wěn)態(tài)電流等多個(gè)參量為特征值，綜合判斷，排除空載涌流、臨近干擾等影響，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的故障檢測，使得故障定位的功能更為可信，是建立在故障指示器技術(shù)、小無線/GPRS/GSM通信技術(shù)、web技術(shù)三大技術(shù)之上，基于通用的B/S架構(gòu)方案，具備臺(tái)區(qū)信息管理與分析，架空及電纜線路故障數(shù)據(jù)分析和異常事件上報(bào)、動(dòng)態(tài)圖形化顯示及故障快速定位，支持客戶已有CAD格式線路圖的直接導(dǎo)入功能，以及日志、查詢、遙控操作、短信服務(wù)、系統(tǒng)配置等應(yīng)用功能。

電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)采用雙電流互感器技術(shù)，供電與采樣分開，電流測量精度控制高，在3%以內(nèi)，啟動(dòng)電流<5A采用微功率無線與遙信終端通信，工程實(shí)施簡單，使用功耗較低。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備組成

電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)主要由電纜型配網(wǎng)監(jiān)測主站、故障指示器，配網(wǎng)遙信終端等部分組成。

將配網(wǎng)監(jiān)測主站設(shè)備布置在沿南水北調(diào)中線總干渠布置的降壓站內(nèi)，用以監(jiān)測區(qū)間內(nèi)供電線路的運(yùn)行情況，配網(wǎng)監(jiān)測主站設(shè)備布置在降壓站的調(diào)度控制室內(nèi)。配網(wǎng)監(jiān)測主站具備線路故障數(shù)據(jù)分析和異常事件上報(bào)，動(dòng)態(tài)的圖形顯示以及故障快速定位，并支持對(duì)故障記錄線路電流及溫度數(shù)據(jù)的查詢檢索等應(yīng)用功能。

電纜型故障指示器具備故障監(jiān)測及上報(bào)，線路實(shí)時(shí)負(fù)荷電流測量以及線路電纜溫度測量采集等功能，并支持微功率無線通信，與配網(wǎng)遙信終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。電纜型故障指示器中集成了低功耗MCU，可實(shí)時(shí)采集相電流、相線溫度，進(jìn)行電流越限、溫度越限的分析，并將相關(guān)電流、溫度、故障信息通過無線通信上傳至通信終端。

配網(wǎng)遙信終端擬安置在南水北調(diào)中線總干渠降壓站通訊室的自動(dòng)化控制柜設(shè)備中，采用模塊化以及低功耗的設(shè)計(jì)，是監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，是一個(gè)接口界面單元，具有豐富的無線調(diào)試功能，可進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度、通信能力、中繼通信等功能調(diào)試。配網(wǎng)遙信終端的主要功能用于遙信量的采集電纜線路（短路及接地故障以及溫度異常故障）監(jiān)測、線路模擬量（電流及溫度數(shù)據(jù)）采集及監(jiān)測。

配網(wǎng)遙信終端可以同時(shí)監(jiān)測24路開關(guān)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，并生成相應(yīng)的遙信變位信息及SOE信息。并通過微功率無線可與線路的帶通信功能故障指示器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路故障監(jiān)測、實(shí)時(shí)電流負(fù)荷及電纜溫度數(shù)據(jù)的采集。采集到的數(shù)據(jù)通過光纖或者無線信道上報(bào)配網(wǎng)監(jiān)測主站。

4 監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 綜合布線采用無線通信技術(shù)

傳統(tǒng)的監(jiān)控、監(jiān)測設(shè)備的綜合布線一般通過光纖或電氣等有線連接方式，布線及維護(hù)困難。南水北調(diào)中線一期工程35kV永久供電線路的電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，提出采用無線通信方式進(jìn)行連接，免去在南水北調(diào)現(xiàn)場布線和線路改造而帶來的困難。

遠(yuǎn)程通信方式為GPRS或以太網(wǎng)，采集通信方式采用微功率無線方式；本地采集通信頻率為505MHz；具有電流采樣高精度的特點(diǎn)。

4.2 低啟動(dòng)電流供電方式

取電裝置供電能力與35kV永久供電線路電流的大小直接相關(guān)，在線路電流較小時(shí)，取電裝置供電能力較弱，目前需要供電線路電流>30A才能提供大約3W的供電能力，嚴(yán)重限制了此類產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)可在降低設(shè)備功耗的同時(shí)，通過雙電源供電方式，提高CT取電裝置供電能力?？蓪?dòng)電流控制在13A以內(nèi)，明顯優(yōu)于當(dāng)前國內(nèi)平均水平。

4.3 獨(dú)特供電方式

傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備零序電流傳感器不具備自供電能力，如果將采樣單元安置在傳感器內(nèi)部，則需定期更換鋰電池，維護(hù)相對(duì)困難。擬在南水北調(diào)中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路上設(shè)置的電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)將零序電流采樣單元安置在A相電流傳感器中，相電流傳感器可由自身的取電CT供電，具有免維護(hù)功能，因此具有靈活的供電方式，支持從CT電流互感器自取電源或通過PT電壓互感器提供電源，以滿足不同的功能需求。

CT自取電方式需要在南水北調(diào)中線一期工程35kV永久供電線路的電流>13A的情況下，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備要求的33A，作為終端的可靠供電電源，采用CT自取電供電方式的特點(diǎn)有：

在電源引接過程中無需一次設(shè)備改造，可完全兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)備安裝、調(diào)試快捷，停電時(shí)間較短，設(shè)備采用超級(jí)電容儲(chǔ)存能量，供電持久耐用，在永久供電線路停電后可持續(xù)工作90min以上，解決了終端采用充電電池使用壽命短與電池容量不足的問題。

以PT柜為終端提供可靠電源的主要特點(diǎn)有。

專為配電自動(dòng)化工程提供可靠電源的一種實(shí)用新型專利裝置（專利號(hào)：ZL201220279735.9）；采用氧化鋅避雷裝置，具備獨(dú)立的柜體防雷性能；采用電子防一次設(shè)備帶電誤操作裝置，一、二次設(shè)備隔離，安全性高；采用戶外式電壓互感器，容量達(dá)1000 VA，供電可靠性高；采用智能溫濕度控制，裝置實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)溫濕度、氣流循環(huán)動(dòng)態(tài)控制，延長設(shè)備使用壽命；可根據(jù)現(xiàn)場情況需要，提供DC12V、DC24V、DC48V直流電源端口實(shí)現(xiàn)設(shè)備接口零轉(zhuǎn)換。

電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)采用雙電流互感器技術(shù)，在應(yīng)用雙電流互感器技術(shù)后，可將電流測量精度控制在3%以內(nèi)，啟動(dòng)電流<5A，領(lǐng)先于當(dāng)前國內(nèi)水平。在設(shè)備運(yùn)行中可在一次設(shè)備不停電的情況下，對(duì)安裝在環(huán)網(wǎng)柜或開關(guān)站內(nèi)的故障指示器通過無線掌機(jī)進(jìn)行檢修和維護(hù)，縮短整個(gè)南水北調(diào)供電系統(tǒng)的維護(hù)時(shí)間。

5 結(jié)語

電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)基于微功率無線組網(wǎng)技術(shù)的配網(wǎng)監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)，綜合配電線路的智能監(jiān)測需求，采集信息全面，故障檢測與定位準(zhǔn)確，并可有效節(jié)省投資，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，單相接地故障占所有故障的70%以上，該故障的檢測在我國配網(wǎng)系統(tǒng)中一直比較困難，特別是在長距離輸電線路中。為了滿足南水北調(diào)中線工程供電系統(tǒng)的需求，建立一套電纜型故障定位及負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)南水北調(diào)中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路的電纜運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測是必要的。

［1］劉學(xué)軍.繼電保護(hù)原理[M].北京：中國電力出版社，2007.

［2］谷水清主編.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2005.

［3］馬福.雷擊變電所地電位干擾及防護(hù)措施研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2009.