基于輸入阻抗譜的電力電纜缺陷和故障特征研究

楊金海，劉雪鋒，李雙喜，尹泓江，余 磊，林 營(yíng)

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 玉溪供電局， 云南 玉溪 653100)

0 引言

相對(duì)于架空線路，電力電纜具有占地面積小、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，在城市電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著電力電纜線路大量的鋪設(shè)，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在外力破壞、過(guò)負(fù)荷等因素的共同作用下，電纜的缺陷及故障問(wèn)題[4-6]變得越來(lái)越突出。而電纜一般敷設(shè)在隧道或者井蓋里面，位置較隱蔽，為缺陷及故障的辨識(shí)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。目前電纜故障辨識(shí)的主流方法包括行波法、局部放電技術(shù)和溫度法。電纜發(fā)生故障時(shí)，會(huì)有行波信號(hào)產(chǎn)生，因此行波電流可作為故障定位的方法[7-8]。行波法結(jié)合圖像處理的方法，對(duì)波形的時(shí)域或者頻域特征進(jìn)行辨識(shí)[9-10]，但由于信號(hào)衰減、噪聲干擾等問(wèn)題會(huì)造成一定的誤差。電纜缺陷產(chǎn)生時(shí)，往往會(huì)伴隨局部放電信號(hào)[11-12]，局部放電的方法在電纜典型故障的類型識(shí)別中起到了較好的效果，但目標(biāo)對(duì)象主要為電纜附件，而電纜本體的故障識(shí)別效果容易受到強(qiáng)電磁環(huán)境的影響[13-14]。電纜發(fā)生故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部溫度過(guò)高的現(xiàn)象，具體檢測(cè)方法一般為分布式光纖測(cè)溫技術(shù)與紅外熱成像技術(shù)[15-16]，但成本較高。

近年來(lái)，一種新型的檢測(cè)方法——阻抗譜法[17]得到了國(guó)內(nèi)外電力學(xué)者的重視。對(duì)于電纜的阻抗譜研究，日本學(xué)者提出了快速傅里葉反變換(IFFT)技術(shù)[18]。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)研究人員[19-20]基于積分變換技術(shù)開(kāi)展了電纜本體及中間接頭等缺陷的識(shí)別和定位研究，驗(yàn)證了阻抗譜技術(shù)用于電纜缺陷定位的有效性。電纜故障發(fā)生前，往往伴隨缺陷的產(chǎn)生。為深入研究電纜故障機(jī)理，本文基于輸入阻抗譜的方法，利用仿真建模和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出電纜缺陷和故障類型的辨識(shí)方法，旨在解決目前主流方法無(wú)法聯(lián)合缺陷和故障進(jìn)行診斷和分析的瓶頸，為電纜故障預(yù)警提供技術(shù)支撐。

1 輸入阻抗譜相關(guān)原理

1.1 傳輸線原理

依據(jù)傳輸線理論，電力電纜可等效為單位長(zhǎng)度分布參數(shù)模型的組合，如圖1[21]所示。

圖1 傳輸線等效分布參數(shù)模型Fig. 1 Equivalent distribution parameter model of transmission line

將電纜首端的位置設(shè)置為原點(diǎn)，則傳輸線x處的電壓、電流計(jì)算過(guò)程為：

(1)

其中:R0、L0、G0、C0分別為單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電導(dǎo)和電容，j表示虛數(shù)，ω表示角頻率。

進(jìn)一步可得：

(2)

對(duì)式(2)求得通解為：

(3)

式(3)中e表示自然常數(shù)。

由式(3)可知，電力電纜中任意位置的電壓及電流均以波的形式傳播，本質(zhì)上由前向傳播的入射波U+和后向傳播的反射波U-兩部分組成。

當(dāng)故障點(diǎn)位于電纜首端時(shí)，則無(wú)反射波，即U-=0；同理，當(dāng)故障點(diǎn)位于電纜末端時(shí)，則無(wú)入射波，即U+=0。其中:傳輸線的傳播系數(shù)γ、傳輸線的特征阻抗Z0分別為：

(4)

故障電流一般為高頻分量，則有ωL0?R0、ωC0?G0，則有

(5)

1.2 輸入阻抗譜

坐標(biāo)x處的輸入阻抗為：

(6)

其中：ρL為電纜的反射系數(shù)，計(jì)算過(guò)程為

(7)

其中：ZL為電纜終端負(fù)載的阻抗值，ρL表示負(fù)載反射系數(shù)。

電纜異常狀態(tài)包括開(kāi)路和短路狀態(tài)，當(dāng)傳輸線為開(kāi)路故障時(shí)，則ZL趨近于無(wú)窮大，反射系數(shù)為1；當(dāng)傳輸線為短路故障時(shí)，則趨近于0，反射系數(shù)為-1。其他情況下，阻抗不匹配，發(fā)射系數(shù)介于-1到1之間。

當(dāng)故障點(diǎn)位置為la時(shí)，則輸入阻抗為：

(8)

(9)

反射系數(shù)的計(jì)算公式為：

(10)

(11)

其中:‖為阻抗的并聯(lián)值，Rf為電纜故障點(diǎn)等效電阻。

當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，由公式(9)知，電纜首端輸入阻抗也會(huì)發(fā)生變化。因此，可根據(jù)首端電纜輸入阻抗譜的特征差異，對(duì)故障類型進(jìn)行研判。

2 仿真測(cè)試

以某一同軸 10 kV 交聯(lián)聚乙烯電纜為研究對(duì)象，其長(zhǎng)度設(shè)置為50 m，通過(guò)pscad仿真平臺(tái)，開(kāi)展不同缺陷和故障類型的輸入阻抗譜研究。

2.1 電纜本體容性缺陷

電纜本體容性缺陷主要是電纜老化引起的，因其會(huì)增大絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，仿真中設(shè)定電纜9.0～10.2 m發(fā)生局部老化，缺陷程度分為輕度老化和重度老化，即單位電容值分別增大到健康狀態(tài)的1.03倍和1.07倍，測(cè)試頻率為0～100 MHz，仿真計(jì)算得到的輸入阻抗譜見(jiàn)圖2。

圖2 容性缺陷仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 2 Capacitive defect simulation of input impedance spectroscopy for power cable

由圖2可知，從整體上看，容性缺陷下，電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢(shì)，且與健康狀態(tài)下的振蕩周期相同；從細(xì)節(jié)上看，隨著電纜容性缺陷嚴(yán)重程度的增加，電纜輸入阻抗幅值會(huì)往左偏移，即諧振頻率點(diǎn)變小。

2.2 電纜本體感性缺陷

電纜本體感性缺陷主要是電纜屏蔽層破壞引起的，因?yàn)殡娎|為同軸結(jié)構(gòu)，銅屏蔽層的破壞改變?cè)搮^(qū)域的物理結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致局部區(qū)域的單位電容值減小。仿真中設(shè)定電纜9.0～10.2 m處發(fā)生屏蔽層破損，嚴(yán)重程度分為輕微破損和重度破損，相對(duì)于健康狀態(tài)，單位電容值分別減小了1%和5%，測(cè)試頻率為0～100 MHz，仿真計(jì)算得到的輸入阻抗譜見(jiàn)圖3。由圖3可知，從整體上看，感性缺陷下，電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢(shì)，且與健康狀態(tài)下的振蕩周期一致；從細(xì)節(jié)上看，隨著電纜感性缺陷嚴(yán)重程度的增加，電纜輸入阻抗幅值會(huì)往右偏移，即諧振頻率點(diǎn)變大。

圖3 感性缺陷仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 3 Inductive defect simulation of input impedance spectroscopy for power cable

2.3 開(kāi)路故障

電纜開(kāi)路故障設(shè)定在電纜遠(yuǎn)端，反射系數(shù)為1，會(huì)引起阻抗不匹配。仿真中設(shè)定電纜40 m處存在電纜斷線，電纜末端為開(kāi)路狀態(tài)，測(cè)試頻率為0～100 MHz，仿真計(jì)算得到的輸入阻抗譜見(jiàn)圖4。

圖4 開(kāi)路故障仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 4 Open-circuit fault simulation of input impedance spectroscopy for power cable

由圖4可知，從整體上看，電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢(shì)，振蕩周期較健康狀態(tài)增大；從細(xì)節(jié)上看，對(duì)比健康狀態(tài)，電纜輸入阻抗幅值諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏移，對(duì)應(yīng)幅值也會(huì)增加。

2.4 短路故障

電纜發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，故障點(diǎn)位置設(shè)定在電纜遠(yuǎn)端，反射系數(shù)為-1，會(huì)引起阻抗不匹配。仿真中，設(shè)定電纜40 m處存在短路情況，且電纜末端為開(kāi)路狀態(tài)，測(cè)試頻率為0～100 MHz，仿真計(jì)算得到的輸入阻抗譜見(jiàn)圖5。由圖5可知，從整體上看，電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢(shì)，振蕩周期較健康狀態(tài)增大；從細(xì)節(jié)上看，對(duì)比健康狀態(tài)，電纜輸入阻抗幅值諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏移，對(duì)應(yīng)幅值也會(huì)增加，且幅值大于開(kāi)路故障。

圖5 短路故障仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 5 Short-circuit fault simulation of input impedance spectroscopy for power cable

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，取電纜戶外試驗(yàn)場(chǎng)廢棄的50 m三相電纜，制作電纜缺陷與故障標(biāo)本。利用寬頻阻抗譜儀對(duì)電纜標(biāo)本進(jìn)行電纜首端輸入阻抗譜測(cè)試，即將夾具兩端分別連接電纜首端的纜芯和屏蔽層，而電纜末端開(kāi)路。測(cè)量前，對(duì)電纜首端進(jìn)行預(yù)處理，使電纜纜芯及屏蔽層各伸出長(zhǎng)度約為1.5 cm，便于夾具的連接，阻抗譜測(cè)量范圍為100 kHz～100 MHz。

3.1 局部老化

電纜局部老化試驗(yàn)中，參照相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)注，將1.2 m長(zhǎng)的電纜放入老化箱，進(jìn)行加熱老化，老化時(shí)間分別為5、7 d，通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖6。

圖6 老化試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 6 Aging test of input impedance spectroscopy for power cable

由圖6可知，老化試驗(yàn)會(huì)引起電纜輸入阻抗譜和諧振頻率點(diǎn)的改變。隨著老化天數(shù)的增加，輸入阻抗譜向左偏移越嚴(yán)重，諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏小，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果一致。

3.2 屏蔽層損害

屏蔽層損害試驗(yàn)中，通過(guò)人為控制局部缺損長(zhǎng)度，缺陷起始位置距電纜首端9 m處，缺損長(zhǎng)度分別為5 cm和8 cm，通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖7。由圖7可知，缺損試驗(yàn)也會(huì)引起電纜的輸入阻抗譜和諧振頻率點(diǎn)的改變。隨著缺損長(zhǎng)度的增加，輸入阻抗譜向右偏移越嚴(yán)重，諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏大，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算一致。

3.3 開(kāi)路故障

開(kāi)路故障測(cè)試中，故障點(diǎn)位置設(shè)置于距首端40 m處，通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖8。由圖8可知，開(kāi)路故障會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗譜周期與諧振頻率點(diǎn)幅值的改變。諧振周期會(huì)增大，且諧振頻率點(diǎn)幅值也會(huì)增大，試驗(yàn)結(jié)果與仿真變化規(guī)律相符。

圖7 缺損試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 7 Shielding layer detect test of input impedance spectroscopy for power cable

圖8 開(kāi)路故障試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 8 Open-circuit fault test of input impedance spectroscopy for power cable

3.4 短路故障

短路故障測(cè)試中，故障點(diǎn)位置設(shè)置于距首端40 m處，通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖9。由圖9可知，短路故障會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗譜周期與諧振頻率點(diǎn)幅值的改變。諧振周期會(huì)增大，且諧振頻率點(diǎn)幅值也會(huì)增大，試驗(yàn)結(jié)果與仿真變化規(guī)律相符。

圖9 短路故障試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 9 Short-circuit fault test of input impedance spectroscopy for power cable

3.5 中間接頭故障

為進(jìn)一步探索輸入阻抗譜方法的適用性，開(kāi)展中間接頭故障的研究。距電纜首端9 m處設(shè)置一個(gè)中間接頭，長(zhǎng)度約為0.2 m，通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖10。

圖10 中間接頭試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 10 Intermediate joints test of input impedance spectroscopy for power cable

由圖10可知，電纜存在中間接頭故障時(shí)，輸入阻抗譜整體呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，但中間會(huì)有異常振蕩點(diǎn)，幅值反而會(huì)增加。

4 結(jié)論

電纜缺陷發(fā)生時(shí)，輸入阻抗譜會(huì)產(chǎn)生偏移，而電纜故障發(fā)生時(shí)，輸入阻抗譜振蕩周期會(huì)增大，因此，可根據(jù)輸入阻抗譜的特征變化制定相應(yīng)的運(yùn)維策略，若發(fā)生偏移，及早進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視，規(guī)避電纜形成實(shí)質(zhì)性故障，引起線路跳閘，最終造成電力事故。后續(xù)可進(jìn)一步開(kāi)展高阻、低阻等接地故障的研究，為電纜故障的機(jī)理研究提供技術(shù)支撐。