長距離電力電纜絕緣在線監(jiān)測及故障定位技術(shù)研究

吳琳楠

摘要：我國供電網(wǎng)絡(luò)是世界上最大的供電網(wǎng)絡(luò)，其覆蓋范圍廣、區(qū)間跨區(qū)大，因此供電的難度也很大。在長距離輸電過程中，電纜絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用非常關(guān)鍵，監(jiān)測精度關(guān)系到故障判斷的準(zhǔn)確率和故障具體發(fā)生位置的判斷。強(qiáng)化長距離電力電纜絕緣在線監(jiān)測和故障定位技術(shù)的研究對于我國電力產(chǎn)業(yè)的長效發(fā)展有著重要的意義，因此本人選擇該課題進(jìn)行了研究，希望對我國電力行業(yè)發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：長距離供電;電纜絕緣;在線監(jiān)測;故障定位

隨著我國供電技術(shù)的發(fā)展，長距離輸電效率和質(zhì)量逐步得到提升。長距離輸電過程中最為重要的一環(huán)是對電纜絕緣進(jìn)行在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)獲取電纜絕緣的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和指標(biāo)，通過分析數(shù)據(jù)找出線路的故障所在區(qū)域，進(jìn)而對故障問題進(jìn)行分析和處理。電纜絕緣體在電場作用、風(fēng)力作用和機(jī)械作用下容易出現(xiàn)老化的問題，如果絕緣體結(jié)構(gòu)發(fā)生較為明顯的變化，這一影響到長距離輸電的質(zhì)量。因此必須采取措施對電纜故障進(jìn)行監(jiān)測，并及時(shí)地對相關(guān)故障進(jìn)行處理。

一、長距離電力電纜絕緣監(jiān)測方法

在各個(gè)小段中三相電纜金屬護(hù)層的分布形式是分段交叉互聯(lián)，不過這種分布方法中的三相電纜導(dǎo)電線芯的分布形式非交叉互聯(lián)形式，在三相電纜主絕緣中的容性電流和阻性電流經(jīng)由導(dǎo)電線芯流向電纜護(hù)層，雖然無法利用測量電纜接地線中電流的方法將電纜主絕緣電流具體素質(zhì)測量，但是若將導(dǎo)電線芯至電纜主絕緣流動(dòng)的電流測定，那么就能將該問題解決。針對此問題，可以采取同時(shí)測得電纜兩端導(dǎo)電線芯電流的方法進(jìn)行獲取電流數(shù)據(jù)，因?yàn)殡娏骶哂羞B續(xù)性特點(diǎn)，測量時(shí)也要要將電纜無源性考慮在內(nèi)，三相電纜主絕緣中通過的電流計(jì)算方法為各相電纜首端導(dǎo)電線芯中流經(jīng)的電流與該電纜末端導(dǎo)電線芯流經(jīng)電流的差值。線芯電感、電容和電阻等是電力電纜電氣參數(shù)，這些參數(shù)是電纜的一次參數(shù)。同時(shí)還有二次參數(shù)，包括相移常數(shù)、波阻抗以及衰減常數(shù)等，二次參數(shù)能夠通過計(jì)算一次參數(shù)獲取。如圖1，電纜線芯有效電阻使用R表示，線芯電感使用L表示，電纜絕緣電阻使用Ri表示，電纜絕緣電容使用C表示。借助于基爾霍夫電流定律進(jìn)行分析可得電纜主絕緣中通過的電流與電纜首端導(dǎo)電線芯中流經(jīng)的電流與電纜末端導(dǎo)電線芯中流經(jīng)的電流差的值相等。所以各相電纜首末兩端通過電流互感器能夠獲得流經(jīng)這兩段的電流數(shù)值，獲得電流的數(shù)值后使用首末兩端的電流瞬時(shí)值作差即可，得到電纜絕緣中具體的泄漏電流值，這種方法也被稱為雙CT法。分析雙CT法原理能夠得出三相電纜金屬護(hù)層無論是否采取交叉互聯(lián)的方式進(jìn)行連接，雙CT法所測電纜絕緣中的電流都是準(zhǔn)確定。所以雙CT法能夠被應(yīng)用于所有電力電纜絕緣在線監(jiān)測，其能夠精確地監(jiān)測出電纜的絕緣狀態(tài)。

在通過雙CT法對三相電力電纜絕緣進(jìn)行在線監(jiān)測時(shí)可以采取以下方案：首先，需要將電流互感器安裝在電纜首端和末端，首端電流互感器中獲取的電流數(shù)據(jù)與末端電流互感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相減可以后的流過主絕緣泄漏電流;其次，借助于電壓互感器測量三相電纜電壓，通過相關(guān)計(jì)算能夠得到電纜主絕緣中流經(jīng)的泄漏電流以及主絕緣電纜電壓二者之間的相角差余角，獲得介質(zhì)損耗角素質(zhì)，通過計(jì)算進(jìn)一步獲取介質(zhì)損耗因數(shù)的具體素質(zhì)。介質(zhì)損耗因數(shù)能夠有效地將電力電纜絕緣缺陷反映出來，其是當(dāng)前電力系統(tǒng)中判斷電容性設(shè)備絕緣能力的主要指標(biāo)，所以本人借助于介質(zhì)損耗因數(shù)數(shù)值具體地對電纜絕緣狀況進(jìn)行了評估。在進(jìn)行監(jiān)測時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)難點(diǎn)主要集中在采集電纜首、末電流信號(hào)，此時(shí)可以借助于GPS技術(shù)中的授時(shí)功能獲取電力系統(tǒng)的同步時(shí)鐘信號(hào)，將GPS接收器安裝到電纜兩端，利用GPS天線獲得精確的時(shí)間信息，同時(shí)借助于通訊設(shè)施將同步秒脈沖信號(hào)發(fā)送給系統(tǒng)中的微處理器，只有利用微處理器能夠?qū)㈦娎|兩端A/D轉(zhuǎn)換芯片啟動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)傳輸采主要以GPRS為主，在獲取電流、電壓信號(hào)后利用GPRS將這些信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)而在上位機(jī)中對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行展示。

二、長距離XLPE電力電纜絕緣故障診斷方法

電力的三相電纜的電磁聯(lián)系非常復(fù)雜，進(jìn)行故障判斷時(shí)不能以獨(dú)立單相電纜視角對故障進(jìn)行分析。單相接地故障類型是不對稱故障中的一種，如果三相電纜線路出現(xiàn)了不對稱故障，此時(shí)線路中電壓、電流出現(xiàn)互感耦合現(xiàn)象，計(jì)算故障距離時(shí)應(yīng)該對電壓與電流開展相模變換處理，進(jìn)而得到分解后的正序、負(fù)序和零序分量數(shù)值，其中負(fù)序、零序分量不能作為對稱故障測距的使用數(shù)值，正序分量可以在全部故障測距中使用，所以使用有效正序分量對各種故障類型進(jìn)行故障測距非常有效。借助于對稱分量法獲得電流的相模變換數(shù)值時(shí)可以通過變換矩陣方程計(jì)算，想要驗(yàn)證這種方法的正確與否，可以借助于數(shù)學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，構(gòu)建110kV電壓電纜短路故障模型，圖2所示。

借助于雙端同步短路故障定位法能夠獲取精確的電壓、電流數(shù)值，然后將獲得的數(shù)值輸入到故障測距公式中，對電力電纜長度進(jìn)行設(shè)計(jì)，將單相接地、兩相接地、三相接地以及相間短路等故障類型輸入其中。借助于雙端同步短路故障定位法能夠獲取的結(jié)果是短路故障距離距離故障點(diǎn)非常近，計(jì)算的相對誤差低于0.1%，故障距離誤差的形成原因是計(jì)算誤差，所以這也要證明了該方法的可行性，這在一定程度也說明了雙端法在故障判斷中的有效性，雙端同步短路故障定位法的應(yīng)用獲取了有效的。

如果三相電纜出現(xiàn)了單相接地、兩相接地、三相接地和相間短路等問題時(shí)，需要獲取三相電纜電壓、電流的主要變化特點(diǎn)，得出故障的具體類型。如果A相電纜出現(xiàn)接地故障，通過分析可以獲得電壓、電流變化，如圖3。

通過分析可以看出故障前電壓、電流的特點(diǎn)是對稱，在出現(xiàn)A相發(fā)生故障后，電路中的電壓變化是出現(xiàn)減小的趨勢，不過此時(shí)A相短路電流出現(xiàn)增加的趨勢。如果A、B相出現(xiàn)接地故障問題后，電纜首端電壓、電流也會(huì)發(fā)生新的變化，如圖4。

從分析能夠看出接地故障后電纜首端電流數(shù)值出現(xiàn)增加的趨勢，電纜首端電壓則出現(xiàn)降低的缺失。兩相相間短路故障的電流、電壓變化的整體趨勢類似，因?yàn)橄嚅g短路中安裝了過渡電阻，所以這為線路提供了保護(hù)裝置，使得電流的變化整體趨勢減少，兩相電壓降低的整體波動(dòng)并不明顯。如果發(fā)生接地故障，電流數(shù)值增加，電壓數(shù)值減少?？梢杂肎PS技術(shù)對故障進(jìn)行確定，例如發(fā)生A相電力電纜發(fā)生單相接地，測得A相末端電流，通過計(jì)算得出延時(shí)10ns，此時(shí)電纜的B、C相不做其他處理。如果在電纜末端安裝延時(shí)器，可以得出同步誤差存在的情況下，故障距離誤差低于0.1%，所以在對存在同步誤差問題的故障距離進(jìn)行測量時(shí)這種方法的誤差較小，想要獲得精度更高的數(shù)據(jù)，可以借助于GPS模塊，其獲得的數(shù)據(jù)誤差相對更小。利用添加三次諧波電壓源的方法對故障進(jìn)行判斷可以得出雙端同步測距法受到電力中的諧波的影響相對較小。如果將電壓頻率控制在50Hz左右，而出電壓頻率波動(dòng)帶來的影響更小。借助于雙CT法判斷長距離電纜絕緣中放電信號(hào)后，結(jié)合放電信號(hào)傳播函數(shù)關(guān)系能夠進(jìn)一步將放電點(diǎn)位置確定。例如，在單相電纜故障定位中使用雙CT法可以有效對局部放電點(diǎn)進(jìn)行定位。此時(shí)需要將電纜兩終端連接到架空線中，此時(shí)架空線出現(xiàn)電暈后的信號(hào)可能使得電纜內(nèi)部局放電信號(hào)出現(xiàn)紊亂，所以應(yīng)該區(qū)分被測局部放電信號(hào)的主要來源。在得到局部放電信號(hào)主要的成因后，確定電纜放電位置。通過分析局部放電信號(hào)可以得知架空線電暈信號(hào)產(chǎn)生的位置如果是電纜B端外部，可以使用雙CT法進(jìn)一步將放電點(diǎn)與電纜兩端時(shí)間計(jì)算，利用函數(shù)可以得出被測信號(hào)的漣源是電纜B端外部。如果被測信號(hào)的來源主要是電纜A端外部，采用雙CT法測能夠得出放電點(diǎn)與電纜兩端的間隔，從而得出故障的主要問題，并結(jié)合具體的方法測得故障區(qū)域。這種方法得到了故障數(shù)據(jù)非常精確，能夠?qū)⒐收系木唧w位置和類型判斷，工作人員則能夠結(jié)合這些判斷依據(jù)進(jìn)行故障處理。

結(jié)束語：總而言之，對長距離電力電纜進(jìn)行在線監(jiān)測和故障定位對于輸電的穩(wěn)定性有著重要的意義，長距離輸電過程中電纜絕緣發(fā)生故障必然會(huì)影響到電能的傳輸效率和質(zhì)量，導(dǎo)致電路的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生明顯的變化，因此需要采取措施對電路故障所在區(qū)域進(jìn)行判斷，獲得具體的故障成因和故障發(fā)生的位置，借助于合理的方法對相關(guān)故障進(jìn)行分析，得出故障形成的具體激勵(lì)，制定相應(yīng)的措施進(jìn)行故障處理，實(shí)現(xiàn)對故障的有效處理。本文提出了雙CT電纜在線監(jiān)測方法，分析了這種方法的具體使用機(jī)理和設(shè)計(jì)方法，并利用仿真模型建立故障判斷模式，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)得出了故障判斷方法的可行性，這對于長距離輸電穩(wěn)定性的提升有著重要的意義，行業(yè)人員可以借助于這些方法對電纜進(jìn)行檢測和故障檢查，在此基礎(chǔ)上對線路中存在問題的地方進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)對線路的優(yōu)化，提升電能傳輸效率。