電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

岳靈平，朱弘釗，俞強，黃松林，季世超

（1.國網(wǎng)湖州供電公司，浙江 湖州 313000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

電力電纜作為連接發(fā)、供電、用電網(wǎng)絡(luò)的橋梁和紐帶，其使用量正在逐年增加。交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜以其優(yōu)越的電氣、熱及力學(xué)性能和敷設(shè)容易、運行維護簡單等優(yōu)點被越來越廣泛地應(yīng)用，并成為電纜發(fā)展的主流。電力企業(yè)的大量運行實踐表明，電力電纜并不是免維護的。電力電纜鋪設(shè)在地下，運行環(huán)境相對惡劣，電纜故障時有發(fā)生，容易造成突發(fā)停電及火災(zāi)隱患。由于電纜中間頭制作質(zhì)量不良、壓接頭不緊、接觸電阻過大、外力沖擊等外部原因，以及電纜長期運行所造成的電纜頭溫度升高，造成電纜過熱燒穿絕緣，甚至發(fā)生火災(zāi)。電纜絕緣擊穿，發(fā)生短路故障、接地故障等事故，造成停電、火災(zāi)等事故，降低了供電可靠性。電纜線路還會發(fā)生被盜竊和其它人為破壞事故。這些都會給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟損失。因此，無論是供電企業(yè)，還是用電企業(yè)，每年都要投入大量的人力物力，對電力電纜及設(shè)施進行維護和管理。當(dāng)前，社會對電力行業(yè)供電可靠性提出了更高的要求，需要保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。電力電纜在線監(jiān)測技術(shù)在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于安全隱患識別、故障點診斷、預(yù)警研判等方面，目前已成為電力故障檢測的重要手段。

1 交聯(lián)聚乙烯電力電纜故障分析

1.1 電纜主絕緣自恢復(fù)故障分析

交聯(lián)聚乙烯電力電纜的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，電纜本體由導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)體屏蔽、交聯(lián)聚乙烯絕緣、外半導(dǎo)體屏蔽、軟銅帶、包帶和外護套組成。

圖1 XLPE電力電纜結(jié)構(gòu)

由于電纜材料本身和電纜制造、敷設(shè)過程中不可避免地存在缺陷，受運行中的電、熱、化學(xué)和環(huán)境等因素的影響，電纜主絕緣會發(fā)生不同程度的老化。對于交聯(lián)聚乙烯電力電纜，當(dāng)電纜主絕緣中存在缺陷、微孔和水分時，由于缺陷或微孔處的電場畸變，在電場的作用下，會發(fā)生水樹老化現(xiàn)象。伴隨水樹枝生長，水樹枝尖端的電場將愈加集中，局部高電場強度最終會導(dǎo)致水樹枝尖端產(chǎn)生電樹枝，從而導(dǎo)致電纜主絕緣擊穿。統(tǒng)計資料表明，水樹枝現(xiàn)象是造成交聯(lián)聚乙烯電纜老化、主絕緣下降，以致在運行中被擊穿的主要原因。當(dāng)水樹枝引起電纜主絕緣擊穿時將產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，使得水氣蒸發(fā)烘干，因而當(dāng)電弧熄滅后電纜主絕緣又恢復(fù)到能夠耐受正常運行電壓的水平?？梢?，由水樹枝引起的電纜主絕緣故障具有自恢復(fù)性。實際監(jiān)測表明，水樹枝引起電纜主絕緣自恢復(fù)故障的擊穿時刻往往發(fā)生在電壓峰值附近，故障持續(xù)時間一般不超過1/4工頻周期，而且所有自恢復(fù)故障產(chǎn)生的電流、電壓波形非常相似，如圖2和圖3所示。

圖2和圖3顯示了XLPE電纜主絕緣自恢復(fù)故障的發(fā)展過程。圖2記錄的故障發(fā)生在2012年3月14日2時28分2秒，圖3記錄的故障發(fā)生在同一天的2時31分12秒，距離第一次故障的時間不到三分種，這兩組波形幾乎一致，實際上為同一故障點所產(chǎn)生。

圖2 XLPE 電纜主絕緣自恢復(fù)故障產(chǎn)生的電壓和電流波形(1)

圖3 XLPE 電纜主絕緣自恢復(fù)故障產(chǎn)生的電壓和電流波形(2)

圖2和圖3所示的電壓、電流波形反映了XLPE電纜主絕緣自恢復(fù)故障的整體時域特性。將圖2或圖3波形的突變部分放大后，可以觀察到XLPE電纜主絕緣自恢復(fù)故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)行波現(xiàn)象，如圖4所示，據(jù)此可以在線獲得電纜絕緣自恢復(fù)故障點的準(zhǔn)確位置。

圖4 電纜主絕緣自恢復(fù)故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)行波波形

隨著時間的推移，由水樹枝引起XLPE電纜的主絕緣擊穿故障將越來越頻繁，如圖5所示，并最終導(dǎo)致電纜主絕緣永久性擊穿。大量資料顯示，如果電纜主絕緣在一天內(nèi)發(fā)生10次自恢復(fù)故障，則在大多數(shù)情況下（可能性超過90%），電纜主絕緣永久性擊穿故障將在3天以內(nèi)發(fā)生。

圖5 典型的XLPE 電纜主絕緣自恢復(fù)故障發(fā)生頻率圖

以上對交聯(lián)聚乙烯電力電纜的主絕緣故障分析表明，在永久性主絕緣故障發(fā)生以前，如能盡早監(jiān)測到主絕緣自恢復(fù)故障及其位置，即可達到電力電纜在線監(jiān)測與故障預(yù)警的目的。

1.2 單芯電纜護層絕緣故障分析

單芯電力電纜的金屬護層通常采用一端直接接地、另一端經(jīng)保護間隙接地方式。電纜在正常運行情況下，其金屬護層的穩(wěn)態(tài)接地電流（環(huán)流）極小，主要是容性電流。設(shè)單芯電纜在正常運行情況下的三相芯線電壓分別為UA、UB、UC，負荷電流分別為IA、IB、IC。

以A相為例，其金屬護層在正常運行情況下的穩(wěn)態(tài)接地電流可以表示為：

式中：C為每相電纜芯線與該相金屬護層之間的等效電容。

假定A相電纜于X處發(fā)生了金屬護層絕緣故障，使得X處的對地電阻由無窮大變?yōu)镽e，如圖6所示。

圖6 三相單芯電纜A 相金屬護層絕緣故障示意圖

取電纜護層接地點G的電位為參考電位，故障點X通過大地與G形成電流通路。護層穩(wěn)態(tài)接地線電流可以表示為：

式中：MAA、MBA、MCA分別為A、B、C相電纜芯線對于A-X-Re-G回路的互感系數(shù)；L為護層故障點到接地端的等效電感。比較式（1）和式（2）可以發(fā)現(xiàn)，單芯電纜金屬護層多點接地產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)接地電流比單點接地時多了一項增量。電纜主絕緣可恢復(fù)性故障時，在電纜護層上產(chǎn)生高頻暫態(tài)行波現(xiàn)象，如果利用實時超高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，同樣可以記錄到單芯電纜金屬護層故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)行波現(xiàn)象，據(jù)此可以在線獲得電纜護層故障點的準(zhǔn)確位置。綜上所述，對于單芯電纜，通過實時監(jiān)測電纜金屬護層接地電流及其穩(wěn)態(tài)和高頻暫態(tài)變化量，可以實現(xiàn)電纜護層的在線監(jiān)測與故障預(yù)警。

2 監(jiān)測系統(tǒng)基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電力電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測基本原理

對于單芯電力電纜，其金屬護層故障必然會表現(xiàn)為護層接地電流的變化。由于電磁耦合作用，當(dāng)電纜主絕緣品質(zhì)發(fā)生變化時，也會反應(yīng)在金屬護層接地電流的變化上。電纜金屬護層接地電流的變化量明顯區(qū)別于正常情況下的護層接地電流，其中不僅含有幅值明顯的穩(wěn)態(tài)分量，而且還含有豐富的高頻暫態(tài)行波分量。可見，對電纜金屬護層接地電流進行實時、有效的監(jiān)測，不僅可以及時發(fā)現(xiàn)電纜金屬護層的絕緣故障，從而消除電纜主絕緣故障隱患，還可以及時發(fā)現(xiàn)電纜主絕緣自恢復(fù)故障，從而實現(xiàn)電纜在線故障預(yù)警。為此，提出通過同時在線監(jiān)測電纜金屬護層接地線電流中的工頻穩(wěn)態(tài)故障分量和高頻暫態(tài)行波故障分量來發(fā)現(xiàn)電纜護層絕緣故障和主絕緣自恢復(fù)故障，進而實現(xiàn)電纜在線故障預(yù)警。利用接地線穩(wěn)態(tài)電流的電纜在線監(jiān)測原理：對于金屬護層采用單端接地方式的單芯電力電纜，金屬護層在正常情況下的接地電流極小，主要是穩(wěn)態(tài)的容性電流。而一旦金屬護層出現(xiàn)多點接地，與大地形成回路后的穩(wěn)態(tài)接地電流（環(huán)流）將顯著增大。對于系統(tǒng)中性點采用小電阻接地方式的三芯和單芯電力電纜，當(dāng)電纜主絕緣發(fā)生自恢復(fù)故障時，在電纜金屬護層接地電流中也會出現(xiàn)變化顯著的暫態(tài)分量。因此，通過實時監(jiān)測電纜金屬護層的穩(wěn)態(tài)接地電流及其變化量，可以及時發(fā)現(xiàn)電纜金屬護層的絕緣故障（對于單芯電纜），對電纜護層故障修復(fù)有助于避免水分、潮氣等從護層故障點進入電纜主絕緣，從而避免引發(fā)主絕緣故障。還可以及時發(fā)現(xiàn)電纜主絕緣自恢復(fù)故障（對于系統(tǒng)中性點經(jīng)小電阻接地的電纜），無論是水樹枝引起的電纜主絕緣缺陷，還是電樹枝引起的電纜主絕緣缺陷，均能實現(xiàn)電纜在線故障預(yù)警。利用穩(wěn)態(tài)接地電流的電纜在線故障監(jiān)測判據(jù)可以表示為：

式中：Igφ為單芯電纜某一相的護層接地線電流；Ig為三芯電纜的護層接地線電流；IZD為整定值（躲過正常運行情況下的電容電流）。

2.2 高頻暫態(tài)行波信號的獲取

由于電纜絕緣瞬時擊穿時將在電纜接地回路中產(chǎn)生極高頻率的暫態(tài)行波信號，故可以通過設(shè)計專門的傳感器來獲取電纜末端接地線上的暫態(tài)行波電流信號。傳感器頻帶需要根據(jù)行波測距精度以及抗干擾能力綜合考慮。當(dāng)傳感器的頻帶最低頻率為小于2MHz時，會采集到更多的自恢復(fù)故障信息，有助于對故障行波的分析。但由于頻帶降低同樣會采集到大量干擾信號影響行波波形的識別，降低測量的精度。當(dāng)傳感器頻帶最高頻率高于125MHz時，根據(jù)采樣定理，系統(tǒng)高頻采集單元的采集頻率至少要大于250M，由于成本的限制，沒有必要。采用的行波傳感器頻帶為2～125MHz。

2.3 超高速數(shù)據(jù)采集

早期開發(fā)的行波測距裝置不具備行波波形采集記錄功能，只是使用一個電壓比較電路，通過判斷輸入信號是否超過門檻值來檢測行波脈沖。由于電壓行波信號上升速度一般比較慢，采用電壓比較法檢測出的行波脈沖到達時刻與實際的脈沖前沿之間往往有較大的時間延遲，影響故障測距精度。這種檢測方法還存在著易受干擾信號影響、檢測可靠性差的缺點。為了保證行波測距的精度，行波信號采集頻率應(yīng)當(dāng)提高到一定的程度，使用常規(guī)的由微處理器直接控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）的方式很難實現(xiàn)。為此，設(shè)計了專門的超高速數(shù)據(jù)采集電路單元來記錄故障電流行波信號，其采樣頻率為250MHz。高頻采集原理框圖如圖7所示，由高頻傳感器采集到的截止頻率大于2MHz的電磁暫態(tài)信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進行增益調(diào)整和低通濾波送給高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和高速比較器，在現(xiàn)場可編程邏輯門陣的控制下根據(jù)高速比較器的輸出決定是否啟動高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，中央處理器通過中斷得到數(shù)據(jù)有效信息，經(jīng)過算法處理，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)通訊方式上傳到上位機。

圖7 超高速采集電路原理框圖

3 電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)主要特點

電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測系統(tǒng)針對35kV及以上電力電纜的實際特點研制，采用分層分布式結(jié)構(gòu)，集各種先進的數(shù)字化傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)為一體，能夠適應(yīng)惡劣的運行環(huán)境。通過對在運行電壓下的電力電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)電力電纜的絕緣故障隱患并及時預(yù)報。系統(tǒng)具有以下特點。

（1）從接地線電流中提取電纜主絕緣和金屬護層絕緣發(fā)生自恢復(fù)故障時的信號特征，實現(xiàn)了交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜在線故障預(yù)警和定位。

（2）不改變電纜運行方式和結(jié)構(gòu)，不占用現(xiàn)有系統(tǒng)資源，在電纜接地導(dǎo)體上安裝電流傳感器，安全可靠。

（3）通過穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)監(jiān)測相結(jié)合，大大提高了抗干擾能力。

（4）通過累計電纜自恢復(fù)故障發(fā)生的次數(shù)發(fā)出黃色、橙色和紅色三級預(yù)警。

（5）系統(tǒng)采用全網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，無論分布式裝置或集中式裝置均采用以太網(wǎng)接口。通過對每個裝置分配不同的IP地址，能同時對多條電纜進行實時在線監(jiān)測和故障預(yù)警。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)接線及安裝

針對多條35kV線路的現(xiàn)狀，為保證線纜正常工作，擬對以上電纜線路實施在線監(jiān)測及故障預(yù)警，并且在預(yù)警過程中自動獲取故障信息，以便及時準(zhǔn)確預(yù)知電纜線路可能存在的故障隱患及隱患位置，保障安全生產(chǎn)的需要。電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖8所示，整個系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：安裝在變電所35kV回路的分布式電纜監(jiān)測終端通信網(wǎng)絡(luò)；安裝在主控室的電纜在線監(jiān)測主站系統(tǒng)。

圖8 電纜故障預(yù)警與測距在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主站系統(tǒng)負責(zé)遠程調(diào)取各監(jiān)測終端記錄到的電纜在線監(jiān)測波形數(shù)據(jù)，并自動預(yù)報電纜故障。通信網(wǎng)絡(luò)直接采用電力調(diào)度SCADA數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。整體組織結(jié)構(gòu)及上位機機柜詳情如圖9所示。

圖9 35kV電纜在線監(jiān)測示意圖

4 結(jié)語

通過介紹電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測新技術(shù)，認為該技術(shù)具有安全隱患識別、減少故障發(fā)生、故障點診斷等方面的功能，且具有布線方便、效率高、操作方便三個方面的優(yōu)勢，將其用于電纜故障在線監(jiān)測和診斷中，安全可靠，應(yīng)用價值高。電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測技術(shù)是保障高壓電纜安全可靠運行的重要技術(shù)手段之一，能夠及時發(fā)現(xiàn)運行中交聯(lián)聚乙烯電纜水樹枝造成的常見缺陷和隱患。在自動連續(xù)監(jiān)測狀態(tài)下，利用通訊技術(shù)實時將電纜危險征兆提報給監(jiān)測和檢修人員，而達到事故之前的計劃檢修，避免事故擴大和經(jīng)濟損失。