高壓電纜接頭在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的綜合預(yù)警機(jī)制

竇 巍，錢俊波,韓葉祥

(1.西寧供電公司，甘肅 西寧 810000；2.蘇州光格設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

高壓電纜接頭由于制造工藝、施工安裝質(zhì)量、敷設(shè)環(huán)境等因素的影響，容易出現(xiàn)諸多絕緣缺陷，是整個(gè)線纜設(shè)備的薄弱之處。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)，70%以上的電力電纜運(yùn)行故障是由于電纜附件缺陷引起的，其中最主要的就是電纜接頭故障。因此對(duì)電纜接頭的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警具有重要的作用。目前業(yè)內(nèi)主要采用局部放電、金屬護(hù)層接地電流、溫度等檢測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量電纜接頭的絕緣狀況，各自具有不同的故障評(píng)估方法，但相對(duì)獨(dú)立，缺少綜合考量和預(yù)警評(píng)判。

1 電纜接頭監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)[1,2,3]

1.1 局部放電

局部放電是指發(fā)生在電力設(shè)備絕緣層但尚未擊穿的高頻放電，是絕緣層缺陷在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生的反復(fù)放電，長(zhǎng)期運(yùn)行將產(chǎn)生累積效應(yīng)，導(dǎo)致電纜絕緣層的介電性能惡化，最終導(dǎo)致整個(gè)絕緣層的擊穿，造成嚴(yán)重的后果。因此局部放電是衡量電力電纜運(yùn)行健康與否的重要指標(biāo)。對(duì)于高壓電纜接頭而言，一般使用高頻電流互感器(HFCT, High Frequency Current Transformer)卡在接頭的接地線上，通過(guò)電磁感應(yīng)高頻脈沖電流信號(hào)，間接獲得局部放電的脈沖信號(hào)。

圖1 電纜中間接頭高頻局放檢測(cè)原理

1.2 接地環(huán)流、感應(yīng)電壓

金屬屏蔽層接地電流，可以直接反映電纜主絕緣老化過(guò)程中電容量的變化，是判斷絕緣老化的重要依據(jù)。通過(guò)對(duì)接地電流或電壓(保護(hù)接地的情況下)的在線監(jiān)測(cè)，可以得到其變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)掌握主絕緣的老化狀況。接地電流或電壓的監(jiān)測(cè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，一般使用低頻電流互感器或電壓互感器安裝在接地線上，如圖 2。

圖2 高壓電纜接頭直接接地電流(左)和保護(hù)接地電壓(右)檢測(cè)原理

1.3 接頭溫度

電纜絕緣缺陷導(dǎo)致絕緣水平不斷下降，泄露電流隨之增大，溫度升高。電纜中間接頭接觸電阻增大時(shí)，溫度不斷升高，加劇絕緣老化，不斷惡化。把測(cè)溫傳感器固定在電纜外護(hù)套上來(lái)檢測(cè)電纜接頭溫度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜接頭表面運(yùn)行溫度24 h不間斷連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)高壓電纜本體護(hù)層溫度的統(tǒng)計(jì)分析，可全面掌握其工作狀況，及時(shí)了解電纜護(hù)層的老化情況，并在接頭溫度急劇升高達(dá)到極限溫度時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒有關(guān)人員緊急處理。

溫度作為常用的檢測(cè)參量，傳感技術(shù)相對(duì)比較成熟，針對(duì)電纜接頭類的點(diǎn)式測(cè)溫，一般使用接觸式傳感器如數(shù)字式溫度傳感器DS18B20、K型熱電偶等。

1.4 本體電流

電纜本體電流監(jiān)測(cè)雖然不屬于電纜接頭狀態(tài)監(jiān)測(cè)，但可以反映負(fù)荷的變化情況，間接影響接頭局部放電、接地電流/電壓、溫度等參量的監(jiān)測(cè)值，所以在預(yù)警評(píng)估時(shí)可作借鑒。其監(jiān)測(cè)原理如圖3所示。

圖3 高壓電纜本體電流檢測(cè)原理

2 電纜接頭監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)特性

2.1 負(fù)荷影響

有實(shí)驗(yàn)表明，不同負(fù)荷下電纜局部放電的測(cè)量結(jié)果明顯不同，放電頻次隨負(fù)荷的增長(zhǎng)而增加，放電幅值也呈不同程度的增大[4]。這一結(jié)論在實(shí)際工程應(yīng)用中也得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，圖4和圖 5所示為某220 kV電纜接頭在2018年4月1日至4月5日幾天的放電趨勢(shì)圖，可以發(fā)現(xiàn)每天在約18:50～22:20期間放電頻次和放電量幅值都會(huì)變大，而該時(shí)間段正好是日常下班后的用電高峰期，電纜的負(fù)荷相對(duì)較大。

同樣地隨著負(fù)荷的增大，電纜接頭的溫度和接地電流也會(huì)變大，在評(píng)判這些參量的變化趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮負(fù)荷的變化因素，以免誤報(bào)預(yù)警。

2.2 三相平衡狀態(tài)和局部放電的非一致性

理論上由于三相電纜的對(duì)稱性，三相接頭的溫度和接地電流/電壓應(yīng)當(dāng)相等。實(shí)際工程中由于環(huán)境和施工工藝等影響，不可能絕對(duì)相等，但正常情況下差異不大。只是當(dāng)護(hù)層絕緣出現(xiàn)缺陷，三相電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)點(diǎn)式就會(huì)出現(xiàn)不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生較大的環(huán)流和局部過(guò)熱。因此，比較三相溫度和接地環(huán)流/電壓之間的平衡度，可以反映電纜絕緣外護(hù)套的異常狀態(tài)。

而局部放電由于形成的原因不同，三相之間反而不會(huì)一致，如果三相均出現(xiàn)類似的放電情況，原因往往是同源的空間干擾放電所致(當(dāng)然也不排除接地線路之間的電氣交叉?zhèn)鲗?dǎo)原因，傳感器布置時(shí)需要注意)。

圖4 局部放電隨負(fù)荷變化的放電頻次趨勢(shì)圖

圖5 局部放電隨負(fù)荷變化的放電量趨勢(shì)圖

3 預(yù)警機(jī)制

準(zhǔn)確及時(shí)的故障預(yù)警是高壓電纜接頭在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最重要的功能目標(biāo)所在，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的局部放電、接地環(huán)流/電壓、溫度等關(guān)鍵測(cè)量參量的閾值預(yù)警是不夠全面的，有必要綜合考慮各種關(guān)聯(lián)因素，分不同機(jī)制給出不同類型和等級(jí)的預(yù)警，制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

3.1 閾值預(yù)警

閾值預(yù)警比較簡(jiǎn)單，只需設(shè)定各個(gè)參量的閾值，當(dāng)達(dá)到時(shí)觸發(fā)告警，靈敏度很高，相對(duì)于溫度、電流/電壓等直觀的測(cè)量參量來(lái)說(shuō)非常適用，但對(duì)于局部放電等復(fù)雜間接的參量就過(guò)于簡(jiǎn)單。一般只作最基本的預(yù)警，使電力運(yùn)檢人員得到初步的提醒和關(guān)注。電纜接頭相關(guān)閾值預(yù)警包括以表1中幾類(表中Th為相關(guān)參量的預(yù)警閾值)。

3.2 負(fù)荷比預(yù)警

負(fù)荷比預(yù)警是考慮到負(fù)荷對(duì)電纜接頭局部放電、溫度、接地電流/電壓等參量的影響而定，但局部放電和溫度與負(fù)荷之間的關(guān)系尚不能定量明確，需要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的情況作出粗略的評(píng)估。局部放電負(fù)荷影響評(píng)估的方法是：取得本體電流的額定值IL和高峰值IH，以及相應(yīng)模擬局部放電信號(hào)的放電量QL和QH、放電頻次NL和NH，則得到放電量相對(duì)負(fù)荷變化率為：

kQ=(QH-QL)/(IH-IL)

(1)

表1 閾值預(yù)警

放電頻次相對(duì)負(fù)荷變化率為：

kN=(NH-NL)/(IH-IL)

(2)

溫度則按同樣的方法取得溫度相對(duì)負(fù)荷變化率：

kT=(TH-TL)/(IH-IL)

(3)

接地電流與負(fù)荷之間存在比較直接的關(guān)聯(lián)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]直接使用負(fù)荷比值來(lái)計(jì)算。負(fù)荷比預(yù)警包括表2中的幾類。

表2 負(fù)荷比預(yù)警

3.3 三相平衡預(yù)警

三相平衡預(yù)警是針對(duì)三相線纜之間接地電流/電壓、溫度差異過(guò)大而反映的異常告警。評(píng)估數(shù)值之間的差異可以用差值、極差、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等很多方式，文獻(xiàn)[5] 使用峰值相比的方法，比較簡(jiǎn)單，如表 3所示。

表3 三相平衡預(yù)警

另外對(duì)于局部放電三相之間對(duì)稱情況，如果排除三相信號(hào)源電氣傳導(dǎo)的因素，可以視作同源的空間干擾所致，應(yīng)當(dāng)防止誤報(bào)。判斷局部放電信號(hào)三相之間的對(duì)稱性，如果只從放電幅值和頻次來(lái)比較則失之輕率，還需要考慮放電相位分布特性、時(shí)頻脈沖特征等。本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)放電相位數(shù)據(jù)進(jìn)行二維統(tǒng)計(jì)，提取脈沖重復(fù)率、偏斜度、陡峭度、幅值偏差、相位偏差、正負(fù)半周相關(guān)性等參量(具體計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[6] )，按照相位的上下半周期取得如所示一共10個(gè)特征量，如表4。

表4 局部放電信號(hào)特征量

局部放電信號(hào)的特征向量表為

F={Nsp，Asp，F(xiàn)sp，Skp，Nsn，Asn，F(xiàn)sn，Skn}

計(jì)算任意兩相(如A、B相)之間的局部放電信號(hào)特征相關(guān)系數(shù)為：

(4)

(5)

當(dāng)三相最小相關(guān)系數(shù)Min(CAB,CBC,CCA)≥Th時(shí)判為三相局放信號(hào)類似。

3.4 趨勢(shì)預(yù)警

趨勢(shì)預(yù)警是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)參量的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，判斷其增長(zhǎng)率是否超過(guò)閾值而給出的預(yù)警。考慮到負(fù)荷變化、環(huán)境因素、季節(jié)變換等對(duì)局部放電、接頭溫度、接地電流/電壓等的影響，需要設(shè)法消除影響趨勢(shì)計(jì)算的波動(dòng)干擾，可以采用抽樣、移動(dòng)平均法和多項(xiàng)式擬合等方式來(lái)計(jì)算平均增長(zhǎng)率[7]，設(shè)時(shí)間序列為：Y0,Y1,Y2,…,Yn-1，線性擬合后的平均增長(zhǎng)率為：

(6)

趨勢(shì)預(yù)警有表5所示幾類。

3.5 綜合預(yù)警

綜合預(yù)警綜合考慮局部放電、接頭溫度、護(hù)套環(huán)流/電壓等所有檢測(cè)參量，根據(jù)其相關(guān)性與反映接頭缺陷的能力配置權(quán)重和閾值系數(shù)，計(jì)算電纜接頭的缺陷水平，從而給出告警。

閾值綜合預(yù)警的缺陷水平為：

(7)

表5 趨勢(shì)預(yù)警

式中，i為檢測(cè)參量類型，分別為局部放電放電量、局部放電放電頻次、接頭溫度、接頭溫升、護(hù)套環(huán)流、護(hù)套電壓6種(N=6)，wi、xi、Thi、pi分別為第i種參量的權(quán)重、測(cè)量值、閾值和閾值系數(shù)。

負(fù)荷比預(yù)警的缺陷水平為：

(8)

式中，i為檢測(cè)參量類型，分別為局部放電放電量、局部放電放電頻次、接頭溫度3種(N=3)，wi、xi、Thi、pi分別為第i種參量的權(quán)重、測(cè)量值、負(fù)荷比閾值和閾值系數(shù)，wIs、Is、ThIs、pIs分別是護(hù)套環(huán)流的權(quán)重、測(cè)量值、負(fù)荷比閾值和閾值系數(shù)，其余相關(guān)變量參見(jiàn)3.2節(jié)。

三相平衡預(yù)警的缺陷水平為：

(9)

式中，i為檢測(cè)參量類型，分別為接頭溫度護(hù)套電流、護(hù)套電壓3種(N=3)，wi、xMax_i、xMin_i、Thi、pi分別為第i種參量的權(quán)重、三相最大測(cè)量值、三相最小測(cè)量值、三相不平衡閾值和閾值系數(shù)。

趨勢(shì)預(yù)警的缺陷水平為：

(10)

式中，i為檢測(cè)參量類型，分別為接頭溫度護(hù)套電流、護(hù)套電壓3種(N=3)，wi、kxi、Thi、pi分別為第i種參量的權(quán)重、測(cè)量值在趨勢(shì)評(píng)估時(shí)間段內(nèi)的平均增長(zhǎng)率、平均增長(zhǎng)率閾值和閾值系數(shù)。

四種綜合預(yù)警如表6所示。

表6 綜合預(yù)警

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了電纜接頭在線監(jiān)測(cè)的幾種關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)特性，特別指出負(fù)荷的影響、三相之間的平衡或不對(duì)稱特性，提出了閾值預(yù)警、負(fù)荷比預(yù)警、三相平衡預(yù)警、趨勢(shì)預(yù)警等具體的預(yù)警機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出幾種監(jiān)測(cè)參量相互結(jié)合起來(lái)的綜合預(yù)警，可以改進(jìn)以往電纜接頭的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只簡(jiǎn)單匯集各種監(jiān)測(cè)參量并各自給出預(yù)警的做法。但對(duì)于其中相關(guān)閾值、權(quán)重或系數(shù)的合理選取仍然需要進(jìn)一步的研究，以提高在線監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。