電纜故障預警及測距在線監測系統研究

岳靈平，朱弘釗，俞強，黃松林，季世超

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

電力電纜作為連接發、供電、用電網絡的橋梁和紐帶，其使用量正在逐年增加。交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜以其優越的電氣、熱及力學性能和敷設容易、運行維護簡單等優點被越來越廣泛地應用，并成為電纜發展的主流。電力企業的大量運行實踐表明，電力電纜并不是免維護的。電力電纜鋪設在地下，運行環境相對惡劣，電纜故障時有發生，容易造成突發停電及火災隱患。由于電纜中間頭制作質量不良、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，甚至發生火災。電纜絕緣擊穿，發生短路故障、接地故障等事故，造成停電、火災等事故，降低了供電可靠性。電纜線路還會發生被盜竊和其它人為破壞事故。這些都會給企業造成重大的經濟損失。因此，無論是供電企業，還是用電企業，每年都要投入大量的人力物力，對電力電纜及設施進行維護和管理。當前，社會對電力行業供電可靠性提出了更高的要求，需要保證電網的安全、穩定運行。電力電纜在線監測技術在工程實踐中得到廣泛應用，主要應用于安全隱患識別、故障點診斷、預警研判等方面，目前已成為電力故障檢測的重要手段。

1 交聯聚乙烯電力電纜故障分析

1.1 電纜主絕緣自恢復故障分析

交聯聚乙烯電力電纜的典型結構如圖1所示，電纜本體由導體、內半導體屏蔽、交聯聚乙烯絕緣、外半導體屏蔽、軟銅帶、包帶和外護套組成。

圖1 XLPE電力電纜結構

由于電纜材料本身和電纜制造、敷設過程中不可避免地存在缺陷，受運行中的電、熱、化學和環境等因素的影響，電纜主絕緣會發生不同程度的老化。對于交聯聚乙烯電力電纜，當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，會發生水樹老化現象。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致水樹枝尖端產生電樹枝，從而導致電纜主絕緣擊穿。統計資料表明，水樹枝現象是造成交聯聚乙烯電纜老化、主絕緣下降，以致在運行中被擊穿的主要原因。當水樹枝引起電纜主絕緣擊穿時將產生電弧現象，使得水氣蒸發烘干，因而當電弧熄滅后電纜主絕緣又恢復到能夠耐受正常運行電壓的水平。可見，由水樹枝引起的電纜主絕緣故障具有自恢復性。實際監測表明，水樹枝引起電纜主絕緣自恢復故障的擊穿時刻往往發生在電壓峰值附近，故障持續時間一般不超過1/4工頻周期，而且所有自恢復故障產生的電流、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電纜主絕緣自恢復故障的發展過程。圖2記錄的故障發生在2012年3月14日2時28分2秒，圖3記錄的故障發生在同一天的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生。

圖2 XLPE 電纜主絕緣自恢復故障產生的電壓和電流波形(1)

圖3 XLPE 電纜主絕緣自恢復故障產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電纜主絕緣自恢復故障產生的高頻暫態行波現象，如圖4所示，據此可以在線獲得電纜絕緣自恢復故障點的準確位置。

圖4 電纜主絕緣自恢復故障產生的高頻暫態行波波形

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發生10次自恢復故障，則在大多數情況下（可能性超過90%），電纜主絕緣永久性擊穿故障將在3天以內發生。

圖5 典型的XLPE 電纜主絕緣自恢復故障發生頻率圖

以上對交聯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生以前，如能盡早監測到主絕緣自恢復故障及其位置，即可達到電力電纜在線監測與故障預警的目的。

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，其金屬護層的穩態接地電流（環流）極小，主要是容性電流。設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態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處發生了金屬護層絕緣故障，使得X處的對地電阻由無窮大變為Re，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。護層穩態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；L為護層故障點到接地端的等效電感。比較式（1）和式（2）可以發現，單芯電纜金屬護層多點接地產生的穩態接地電流比單點接地時多了一項增量。電纜主絕緣可恢復性故障時，在電纜護層上產生高頻暫態行波現象，如果利用實時超高速數據采集技術，同樣可以記錄到單芯電纜金屬護層故障產生的高頻暫態行波現象，據此可以在線獲得電纜護層故障點的準確位置。綜上所述，對于單芯電纜，通過實時監測電纜金屬護層接地電流及其穩態和高頻暫態變化量，可以實現電纜護層的在線監測與故障預警。

2 監測系統基本原理及關鍵技術

2.1 電力電纜絕緣狀態在線監測基本原理

對于單芯電力電纜，其金屬護層故障必然會表現為護層接地電流的變化。由于電磁耦合作用，當電纜主絕緣品質發生變化時，也會反應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態分量，而且還含有豐富的高頻暫態行波分量。可見，對電纜金屬護層接地電流進行實時、有效的監測，不僅可以及時發現電纜金屬護層的絕緣故障，從而消除電纜主絕緣故障隱患，還可以及時發現電纜主絕緣自恢復故障，從而實現電纜在線故障預警。為此，提出通過同時在線監測電纜金屬護層接地線電流中的工頻穩態故障分量和高頻暫態行波故障分量來發現電纜護層絕緣故障和主絕緣自恢復故障，進而實現電纜在線故障預警。利用接地線穩態電流的電纜在線監測原理：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，主要是穩態的容性電流。而一旦金屬護層出現多點接地，與大地形成回路后的穩態接地電流（環流）將顯著增大。對于系統中性點采用小電阻接地方式的三芯和單芯電力電纜，當電纜主絕緣發生自恢復故障時，在電纜金屬護層接地電流中也會出現變化顯著的暫態分量。因此，通過實時監測電纜金屬護層的穩態接地電流及其變化量，可以及時發現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，從而避免引發主絕緣故障。還可以及時發現電纜主絕緣自恢復故障（對于系統中性點經小電阻接地的電纜），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，均能實現電纜在線故障預警。利用穩態接地電流的電纜在線故障監測判據可以表示為：

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生極高頻率的暫態行波信號，故可以通過設計專門的傳感器來獲取電纜末端接地線上的暫態行波電流信號。傳感器頻帶需要根據行波測距精度以及抗干擾能力綜合考慮。當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。當傳感器頻帶最高頻率高于125MHz時，根據采樣定理，系統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 超高速數據采集

早期開發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當提高到一定的程度，使用常規的由微處理器直接控制模數轉換器（A/D）的方式很難實現。為此，設計了專門的超高速數據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的電磁暫態信號，經信號調理電路進行增益調整和低通濾波送給高速模數轉換和高速比較器，在現場可編程邏輯門陣的控制下根據高速比較器的輸出決定是否啟動高速模數轉換和存儲，中央處理器通過中斷得到數據有效信息，經過算法處理，通過以太網將數據以網絡通訊方式上傳到上位機。

圖7 超高速采集電路原理框圖

3 電纜故障預警及測距在線監測系統方案

3.1 系統主要特點

電纜故障預警及測距在線監測系統針對35kV及以上電力電纜的實際特點研制，采用分層分布式結構，集各種先進的數字化傳感器技術、微電子技術、通信技術和計算機技術為一體，能夠適應惡劣的運行環境。通過對在運行電壓下的電力電纜絕緣狀態監測，提前發現電力電纜的絕緣故障隱患并及時預報。系統具有以下特點。

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

（2）不改變電纜運行方式和結構，不占用現有系統資源，在電纜接地導體上安裝電流傳感器，安全可靠。

（3）通過穩態與暫態監測相結合，大大提高了抗干擾能力。

（4）通過累計電纜自恢復故障發生的次數發出黃色、橙色和紅色三級預警。

（5）系統采用全網絡化設計，無論分布式裝置或集中式裝置均采用以太網接口。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測和故障預警。

3.2 監測系統接線及安裝

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

圖8 電纜故障預警與測距在線監測系統結構圖

主站系統負責遠程調取各監測終端記錄到的電纜在線監測波形數據，并自動預報電纜故障。通信網絡直接采用電力調度SCADA數據通信網。整體組織結構及上位機機柜詳情如圖9所示。

圖9 35kV電纜在線監測示意圖

4 結語

通過介紹電纜故障預警及測距在線監測新技術，認為該技術具有安全隱患識別、減少故障發生、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勢，將其用于電纜故障在線監測和診斷中，安全可靠，應用價值高。電纜故障預警及測距在線監測技術是保障高壓電纜安全可靠運行的重要技術手段之一，能夠及時發現運行中交聯聚乙烯電纜水樹枝造成的常見缺陷和隱患。在自動連續監測狀態下，利用通訊技術實時將電纜危險征兆提報給監測和檢修人員，而達到事故之前的計劃檢修，避免事故擴大和經濟損失。