寬頻阻抗法在配網(wǎng)架空線纜隱患監(jiān)測技術(shù)

文/王浩兵

1 引言

配網(wǎng)架空線纜可分為絕緣電纜和裸導線，其中絕緣電纜主要是出線和入線電纜，較多的應(yīng)用在城區(qū)配網(wǎng)中。裸導線主要用于配網(wǎng)的輸電線路，線路距離較長。兩者的運行環(huán)境不同，故障隱患表現(xiàn)特征也有較大的區(qū)別。絕緣架空電纜常見的故障有進出線終端接頭發(fā)熱、膨脹、爆炸，接地環(huán)流和主絕緣問題。裸導線主要存在的問題是懸弧度過大、樹障、短路接地不易查找等。從管理上，架空裸導線更多的投入在線路故障尋址和隱患排除領(lǐng)域，而絕緣電纜主要是線纜自身的絕緣安全指標問題。

2 主流監(jiān)測技術(shù)討論

不考慮軟件后端的一些故障模型識別、故障選線等軟件信息處理的技術(shù)，架空線纜的監(jiān)測主流技術(shù)如表1所示。

如架空絕緣線纜的主流技術(shù)，都可以通過高速采集系統(tǒng)試驗，其中溫度、環(huán)流等可以通過微處理自帶的低速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，因而采用高速采集方案時，無需同步考慮溫度和環(huán)流的額外采集通道。此外，絕緣老化的監(jiān)測技術(shù)目前有以下兩種主流技術(shù)：

（1）基于介質(zhì)損耗的監(jiān)測；

（2）基于寬頻阻抗的監(jiān)測。

介質(zhì)損耗監(jiān)測在電纜停電領(lǐng)域應(yīng)用較普遍，它實質(zhì)是一種電場作用下電荷遷移特性的表征，介質(zhì)損耗參數(shù)和設(shè)備的體積、長度沒有關(guān)系，因而有廣泛適用的價值；但介質(zhì)損耗也存在一些技術(shù)瓶頸，如試驗電壓偏高，長距離電纜所需試驗容量大，通常要分段試驗，導致現(xiàn)場試驗效率低；介質(zhì)損耗測量易受環(huán)境溫濕度影響，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性偏低；介質(zhì)損耗還存在無法識別老化位置等不足。由于電纜的老化通常是局部缺陷導致的進水或化學物在絕緣層生長，導致絕緣層劣化、水樹老化、電樹枝尖端放電等，發(fā)現(xiàn)局部信息能及早處理隱患，延緩老化趨勢，相比整體老化更加有現(xiàn)實意義。

寬頻阻抗法是一種通過絕緣阻抗對頻率的敏感性差異開展對電纜絕緣特性的綜合評估技術(shù)，它有試驗電壓低、無絕緣破壞，靈敏度高，重復(fù)性好的特點，可以較好的彌補介質(zhì)損耗的物局部信息的缺陷。但寬頻阻抗法需要寬頻試驗源，試驗時必須滿足一定試驗帶寬才能充分捕捉到被試品的相關(guān)參數(shù)，采集系統(tǒng)的工作頻率高，功耗偏大，在現(xiàn)場運行時，需充分考慮監(jiān)測裝置的布局和安全維護問題。

相比較架空裸導線的振動、樹障、覆冰等監(jiān)測技術(shù)，采用常規(guī)的低速采集無法實現(xiàn)，尤其是覆冰和斷裂的情況，通常需要發(fā)射源配合使用，如雷達或掃頻信號。當然也可采用覆冰傳感器進行裸導線表面覆冰的監(jiān)測，其輸出為低頻電壓信號，但覆冰類傳感器要長期運行戶外，其可靠性還未得到普遍認可。

表1：配網(wǎng)架空線路的部分主流監(jiān)測技術(shù)

表2：配網(wǎng)主流監(jiān)測技術(shù)分類

根據(jù)實際需要，并非所有的環(huán)境都有必要開展樹障和覆冰的監(jiān)測，有必要對以上技術(shù)進行分類，對實施的技術(shù)種類進行優(yōu)化。

將表1主流監(jiān)測技術(shù)進行分類如下：

如表2所示，現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)可分為三個類別，其中類別2 和類別3 如果采用高頻采集方案且不考慮覆冰探測，則列別2 可以兼容類別3 的的技術(shù)。

3 寬頻阻抗法應(yīng)用特點

如表2所示，技術(shù)類別1 和技術(shù)類別2 主要是有源驅(qū)動和無源驅(qū)動的差異。有源驅(qū)動主要目的是解決阻抗測試過程中的高頻等效元素的測量?，F(xiàn)有的寬頻阻抗測試裝置內(nèi)部包含了可控的變頻試驗電源，它是一種通過掃頻阻抗的方式進行絕緣老化和故障定位分析的技術(shù)。由于其不僅可實現(xiàn)整體老化，還可實現(xiàn)局部老化、局部斷線、短路的定位；針對裸導線，還可靈敏的監(jiān)測到線路對地電容、相間電容增大的隱患點和隱患位置，相比故障電流的監(jiān)測法只能識別故障塔基或塔基之間的位置，寬頻阻抗法還可較準確的給出故障位置與監(jiān)測點之間的長度距離。寬頻阻抗法的另一優(yōu)勢是有監(jiān)測距離遠，多點定位的特點，只需在線纜終端布置硬件，可一次性完成數(shù)公里到數(shù)數(shù)十公里范圍內(nèi)絕緣電纜和架空線纜的測試或監(jiān)測，目前在停電狀態(tài)下已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用效果。由于其獨特的功能和較高的經(jīng)濟性，顯著降低監(jiān)測點的投資和運維成本，在未來，寬頻阻抗法用于架空線路的在線監(jiān)測還會有更多的嘗試案例。

4 寬頻阻抗法面臨的問題

寬頻阻抗法在線監(jiān)測應(yīng)用中不可避免的面臨一些新的問題，包括變頻信號的施加、濾波和采集的問題。另外，寬頻阻抗法實質(zhì)是一種局部電容的監(jiān)測，并不能完全覆蓋對局部電容或整體電容不敏感的故障特征，比如針對絕緣電纜的溫度、局部放電，以及架空線纜的振動等。同時，寬頻阻抗法應(yīng)用于線路覆冰監(jiān)測方面的有效性還未見相關(guān)案例報道。從硬件角度分析，寬頻阻抗法的試驗源為數(shù)十赫茲到數(shù)十兆赫茲，硬件的采樣率達100 兆赫茲以上，已經(jīng)完全具備振動信號、放電高頻信號、溫度信號的采集能力。但由于溫度、振動信號有明顯的局部特征，僅通過終端頭布置寬頻阻抗法的現(xiàn)有監(jiān)測硬件很難探測到遠距離的振動信號。寬頻阻抗法的戶外多點應(yīng)用盡管可滿足其他參數(shù)的監(jiān)測，但又存在數(shù)據(jù)傳輸大、高速采集系統(tǒng)功耗偏高、整體可靠性遇到挑戰(zhàn)、監(jiān)測點成本偏高的問題，因此現(xiàn)有的寬頻阻抗技術(shù)應(yīng)用于多點監(jiān)測并不理想。

5 改進型寬頻阻抗監(jiān)測技術(shù)

寬頻阻抗法監(jiān)測技術(shù)可以通過改進試驗源，降低采集系統(tǒng)的工作負荷等手段提升現(xiàn)場可操作性。主流的寬頻阻抗法采用線性掃頻技術(shù)，但每秒采集頻率通常小于10 個，如需試驗1000 個頻率點，則可能需要數(shù)分鐘時間，因而試驗周期較長；采用Chirp 雷達掃頻方式，可實現(xiàn)每秒600 個頻率以上的采樣速度。Chirp 雷達波的產(chǎn)生已經(jīng)有標準化模塊，只需要控制好信號的發(fā)射相位和采樣時差就能滿足重復(fù)性要求。另外，基于短時階躍脈沖的試驗源也有較好的抗干擾和寬帶的特性，可通過頻譜分解的方式，解析出多個頻率點的阻抗信息，從而得到寬頻阻抗特性曲線。

同時還可以看到，振動監(jiān)測對于輸電線路運維非常重要，未來將寬頻阻抗法和振動監(jiān)測技術(shù)更好的結(jié)合，對提高配網(wǎng)架空線路的監(jiān)測管理有非常重要的現(xiàn)實意義。

6 小結(jié)

本篇討論了配網(wǎng)架空線線路的常用監(jiān)測技術(shù)，淺要分析了技術(shù)特點，進行了技術(shù)分類，認為寬頻阻抗在線監(jiān)測法有較好的技術(shù)融合性，可在單端布置監(jiān)測裝置的情況下兼容多個參數(shù)的監(jiān)測。在架空線纜實施基于寬頻阻抗的監(jiān)測技術(shù)是可行的，其應(yīng)用還能促進管理效率的提升，降低運維成本。但寬頻阻抗法并不能覆蓋所有的重要監(jiān)測參數(shù)，比如有明顯局部特征的溫度和振動信號等。未來通過提升寬頻阻抗法的工作效率，采用新型試驗源，將寬頻阻抗法和其他低功耗的局部監(jiān)測技術(shù)結(jié)合，或針對覆冰和斷裂開展基于寬頻阻抗法的高靈敏參數(shù)建模，將會有廣泛的應(yīng)用推廣價值。