電力電纜故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

石武

（中油電能供電公司配電運(yùn)維部，黑龍江 大慶 163000）

電力電纜大多隱埋在地下電纜井中，使得不能對(duì)電纜出現(xiàn)的隱患及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，為了能夠?qū)﹄娏﹄娎|的運(yùn)行狀態(tài)、故障、隱患等及時(shí)掌握與了解，使電纜穩(wěn)定運(yùn)行得到保障，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)電纜的巡查的物資、人力的投入，建立電力電纜故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，使電纜能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定可靠的運(yùn)行狀態(tài)。

1 電力電纜故障監(jiān)測(cè)以及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義

隨著我國(guó)城市化的不斷推進(jìn)，企業(yè)用電和居民生活用電需求逐年升高，每年增長(zhǎng)平均約為34．5%。長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)電力電纜運(yùn)行通過定期預(yù)防性試驗(yàn)來(lái)防止故障的產(chǎn)生，雖然對(duì)電纜安全運(yùn)行起到了一定的預(yù)防作用，但是需要到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，每次檢測(cè)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜的安全隱患和處理；而且每次檢測(cè)都需要大面積停電才能測(cè)試，給居民和附近企業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重不便，使得以往的預(yù)防手段不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力電纜的需求。因此，需要一種能夠?qū)﹄娏﹄娎|運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的監(jiān)測(cè)方式。

電力電纜在線監(jiān)測(cè)是一種對(duì)電纜運(yùn)行過程中溫度、電流、電氣等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、并通過數(shù)字化形式傳送到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的手段，通過對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、標(biāo)記等處理，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。

2 電力電纜常見故障分析

電力電纜運(yùn)行過程中，受到時(shí)間、環(huán)境、自身磨損和消耗等情況的影響，會(huì)出現(xiàn)故障，電力電纜出現(xiàn)故障的因素主要有：低阻、高阻、泄漏、開路、閃絡(luò)等故障。

（1）低阻故障。當(dāng)電纜相間的絕緣受到損壞、使得絕緣電阻比電纜的特性阻值降低了10倍，而引發(fā)的電阻故障，可通過低壓脈沖反射的方法檢測(cè)出。

（2）高阻故障。當(dāng)電力電纜相間絕緣電阻比電纜特性阻值高出10倍時(shí)引發(fā)的電阻故障，例如，兩相短路、接地或者單相接地等。

（3）泄漏故障。是高壓絕緣實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)電壓在達(dá)到額定值前，其泄漏的電流超出了允許泄漏的范圍值，屬于高阻故障的一種較為極端的表現(xiàn)。

（4）開路故障。電纜相間絕緣電阻雖然在規(guī)定范圍值以內(nèi)，但是其對(duì)電壓的負(fù)載能力卻很差，不能有效將工作電壓傳送至終端處，是導(dǎo)體出現(xiàn)不連續(xù)性的故障。

（5）閃絡(luò)故障。是在預(yù)防性測(cè)試或交接試驗(yàn)時(shí)，電氣性能以及絕緣阻值均是良好的，但是隨著電壓升高，泄漏電流會(huì)猛然出現(xiàn)閃絡(luò)性的擺動(dòng)，但是隨著電壓的下降，泄漏電纜又會(huì)恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。

3 電力電纜故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力電纜芯線是輸送電流的載體，用來(lái)對(duì)電流進(jìn)行傳輸；絕緣層是為了將電纜帶電部分也就是芯線與外界隔離，保護(hù)電纜防止受到外界的干擾和損壞；屏蔽層是為了將電流較大而導(dǎo)致附近產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，避免磁場(chǎng)強(qiáng)度過大影響其他元件的運(yùn)行，同時(shí)可以將發(fā)生泄漏的電流進(jìn)行屏蔽并將電流流入到接地系統(tǒng)；電纜層主要是保護(hù)電纜絕緣層在鋪設(shè)或運(yùn)行時(shí)不受到損壞，使電纜能夠長(zhǎng)時(shí)間保持電氣穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 電纜護(hù)層接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)電纜絕緣出現(xiàn)損壞時(shí)，電纜護(hù)層接地電流會(huì)發(fā)生改變，通過對(duì)電纜護(hù)層接地線的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可判斷出電纜安裝的接地方式是否正確和有效，按照電磁耦合原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，護(hù)層感應(yīng)的電量會(huì)隨著電纜絕緣性能改變而變化，通過對(duì)接地電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠?qū)﹄娎|絕緣狀態(tài)和接地環(huán)流大小進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)故障的發(fā)生進(jìn)行預(yù)防，使電纜穩(wěn)定、安全運(yùn)行得到保障。將電纜金屬護(hù)層的平均直徑假設(shè)為D，將電纜相間的中心距離假設(shè)為S，電力電纜的長(zhǎng)度假設(shè)為ι，工作電流假設(shè)為Ι，假設(shè)角頻率為ω，對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行計(jì)算。

例如，等邊三角形排列方式。

由于等邊三角形排列的特殊性，三相電纜可均衡敷設(shè)在三個(gè)頂（A、B、C），因此S1=S2=S3=S，單位長(zhǎng)度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

單芯電纜護(hù)層感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電纜的導(dǎo)體、長(zhǎng)度的工作電流大小成正比的關(guān)系，還和護(hù)層的半徑、中心距離等有關(guān)，通過正三角形排列的方式，可以有效降低護(hù)層的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或中心距離，不過中心相距太小會(huì)導(dǎo)致電纜散熱不好，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)還需要進(jìn)行綜合考慮。

3.2 電力電纜溫度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

絕緣溫度升高是電纜發(fā)生故障的主要因素，電聯(lián)導(dǎo)體溫度又決定了電纜絕緣材料的使用壽命，電纜溫度監(jiān)測(cè)是電纜預(yù)警在線監(jiān)測(cè)重要手段，電纜負(fù)荷增加以及老化都會(huì)使芯線溫度出現(xiàn)反映，對(duì)電纜溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，能夠?qū)﹄娎|的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和掌握，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不安全隱患并得到解決，使電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行得到有效的保障。雖然在實(shí)際測(cè)量過程中無(wú)法直接對(duì)芯線溫度進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)電纜表皮使用熱電偶、紅外線、光纖熱電阻等進(jìn)行測(cè)溫或者可通過電纜接頭處的溫度對(duì)電纜芯線電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電纜接頭溫度和電流關(guān)系成正比，通過建立電力電纜接頭溫度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效反映出電纜芯線的溫度。

4 電力電纜預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電纜故障多由時(shí)間、環(huán)境、自身磨損和消耗等因素引發(fā)，例如井道中有可燃?xì)怏w、電纜長(zhǎng)期受到液體淹沒浸泡，自身發(fā)熱或散熱不暢等。電力電纜監(jiān)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)主要通過可燃?xì)怏w、電流、溫度、水位傳感器以及光電開關(guān)等對(duì)電纜的實(shí)時(shí)情況繼續(xù)監(jiān)測(cè)和傳遞，能夠及時(shí)將電纜實(shí)時(shí)電流大小、對(duì)可燃?xì)怏w濃度、水位、以及人或動(dòng)物的非法闖入、護(hù)層接地電流、絕緣接頭溫度等進(jìn)行監(jiān)控，并及時(shí)將采集到的信號(hào)傳輸回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使工作人員對(duì)電腦端收到的數(shù)據(jù)對(duì)電纜的運(yùn)行情況、發(fā)生的故障、潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)掌握并作出相應(yīng)處理，使得電纜運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。預(yù)警系統(tǒng)對(duì)在線監(jiān)測(cè)到的異常情況通過預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并向系統(tǒng)內(nèi)的工作人員發(fā)送預(yù)警信息。使用數(shù)據(jù)分析法將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)綜合對(duì)電纜運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)和指標(biāo)設(shè)定相應(yīng)的范圍值，將短信服務(wù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，當(dāng)電纜運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常時(shí)通過監(jiān)測(cè)軟件發(fā)出預(yù)警提示，并將異常數(shù)據(jù)發(fā)送給工作人員手機(jī)端，使工作人員能夠及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行處理和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警功能，同時(shí)還能對(duì)歷史異常數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)，對(duì)常出故障的地方進(jìn)行標(biāo)記，方便工作人員對(duì)故障的變化趨勢(shì)的掌握，加強(qiáng)對(duì)相應(yīng)地方進(jìn)行維護(hù)和預(yù)防。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)電力電纜常見故障進(jìn)行了分析，通過對(duì)電纜實(shí)施護(hù)層接地電流和接頭溫度進(jìn)行檢測(cè)，通過建立電纜接頭溫度預(yù)測(cè)模型以及其所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力電纜運(yùn)行狀態(tài)和故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過使用短信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力電纜的預(yù)警。