探討110kV及以上電力電纜故障在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)方案

孫黎新 朱孟宗 王碩偉

摘要：常規(guī)的電力電纜故障定位設備為離線式，對于一些重要的電纜，需要在發(fā)生故障后立即得到故障位置信息以便迅速排除故障，否則會帶來巨大間接損失。經(jīng)過細致研究，結合GPS高精度授時、行波測距以及其他相關技術的最新研究成果，經(jīng)過反復優(yōu)化，提出110kV及以上電力電纜故障在線監(jiān)測解決方案，以實現(xiàn)電力電纜故障的在線監(jiān)測與定位。

關鍵詞：電纜故障；行波；在線；定位

一、概述

電力電纜發(fā)生故障會造成巨大的直接和間接損失，電力部門對電纜故障的預防，以及故障發(fā)生后及時的定位和修復都非常重視。

現(xiàn)在常規(guī)的電力電纜故障定位設備為離線式，已經(jīng)比較成熟。在電纜發(fā)生故障后，將電纜停運，在電纜的一端施加脈沖高壓將故障點擊穿形成行波，行波在故障點和近端脈沖電容之間來回反射，脈沖測距儀記錄電流（或電壓）行波，并根據(jù)兩次行波之間的時間差來確定故障距離。

對于一些重要的電纜，需要在發(fā)生故障后立即得到故障位置信息以便迅速排除故障，否則會帶來巨大間接損失。雖存在這樣的需求，但由于運行電纜和停運后的獨立電纜有著很大的區(qū)別，例如在電纜運行中，本條電纜和并聯(lián)的其他電纜均會產(chǎn)生強烈的行波干擾；發(fā)生故障時的電壓一般遠小于離線設備施加的脈沖高壓，產(chǎn)生的行波幅值也小得多；供電側(cè)（近端）的行波反射系數(shù)，也較離線測試時附加的脈沖儲能電容的反射系數(shù)小得多，造成行波很難在故障點和近端之間發(fā)生明顯的來回反射，綜合以上因素，傳統(tǒng)的單端行波反射法難以實現(xiàn)在線應用。

對于重要電纜，還有一種很重要的需求，在電纜發(fā)生永久性故障之前，往往會發(fā)生一系列的瞬時可恢復性故障（瞬時放電，但在下一個電壓過零點后電弧熄滅，故障得到恢復），預示著電纜的狀態(tài)發(fā)生劣化，如果能及時給出瞬時性故障的位置并統(tǒng)計瞬時故障發(fā)生的時間和次數(shù)，將會在一定程度上實現(xiàn)電纜的狀態(tài)檢修，更好的保證供電可靠性。

經(jīng)過細致研究，結合GPS高精度授時、行波測距以及其他相關技術的最新研究成果，經(jīng)過反復優(yōu)化，提出以下解決方案，以期實現(xiàn)電力電纜故障的在線監(jiān)測與定位。

二、電力電纜在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)簡介

1.基本原理：

在電纜首末端安裝本系統(tǒng)子站，電纜發(fā)生故障時，產(chǎn)生行波且向兩端傳播。兩端子站在確定發(fā)生故障后，將故障發(fā)生時刻及采集到的行波數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳至主站。主站結合電纜的長度、波速度等數(shù)據(jù)，可將故障點及時準確地定位。

適用范圍：（1）電壓等級：110kV及以上；（2）故障類型：相對地故障；（3）故障性質(zhì)：永久性故障、瞬時性故障

2.功能特點：

（1）提前預警故障隱患；（2）選定故障電纜線路；（3）及時報告故障位置；（4）電纜護層電流檢測；（5）防止電纜由于長期帶故障運行而發(fā)生火災；（6）能對瞬時性故障做出反應并定位；（7）實現(xiàn)電纜運行狀態(tài)檢修；（8）無漏報和誤報。

3.技術參數(shù)：

（1）電源輸入電壓：AC220V ±20% 或DC300V±20%。（2）子站裝置功耗：20W。（3）時間同步精度：<50ns。（4）子站采樣頻率：20MHz。（5）運行環(huán)境溫度：-20℃～50℃。（6）信號輸入電壓：AC100V，50Hz。（7）護層電流測量范圍：0～1000A。（8）通訊接口：10M以太網(wǎng)，或3G、4G無線通訊。（9）后備電池電壓：6V。（10）定位精度：<10m。

4.系統(tǒng)架構：

5.系統(tǒng)主站：

三、電力電纜故障在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)方案

1.需求：

檢測電纜為一條110kV電纜，共3條單芯電纜?，F(xiàn)需要安裝電纜故障在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)，統(tǒng)計故障信息，并且還需要實時監(jiān)測電纜護層環(huán)流，以便于發(fā)現(xiàn)護層絕緣破損故障，并實現(xiàn)永久性故障和瞬時性故障的實時在線測距定位。

安裝本系統(tǒng)后，根據(jù)瞬時性故障的統(tǒng)計信息，以及護層環(huán)流裝狀態(tài)，盡可能地實現(xiàn)電纜狀態(tài)檢修，提高供電可靠性；并在電纜發(fā)生故障后，將會及時給出故障距離，以利于迅速修復。

2.系統(tǒng)組成：

對于每條電纜線路（三條單芯電纜），本系統(tǒng)需要在線路兩端各安裝一臺子站，1條線路共2臺子站?？梢赃x擇室內(nèi)掛墻安裝的COT-6100子站，或者組屏安裝2U標準插箱的COT-6200子站（需在變電站提供屏位）。

具體安裝方案：

供電側(cè)：1臺子站安裝在供電側(cè)的110kV變電站（稱為A站），每臺子站需要接相應線路的三相PT輸出作為電壓信號輸入；用3個開合式CT掛在相應線路的三相CT信號輸出線上作為護層環(huán)流監(jiān)測CT。

受電側(cè)：1臺子站安裝在110kv受電側(cè)變電站（稱為B站），每臺子站需要接相應線路的三相PT輸出作為電壓信號輸入；用3個開合式CT掛在相應線路的三相CT信號輸出線上作為護層環(huán)流監(jiān)測CT。

在A/B兩側(cè)，均安裝一臺3G或4G無線路由器，每臺子站均接入交換機，再通過無線路由器進入網(wǎng)絡與主站建立連接。

在A/B兩側(cè)，均需安裝一只GPS天線作為精確的時間同步源。

在A/B兩側(cè)，均需安裝一個天線安裝座，用于安裝GPS天線和3G /4G天線，應將天線安裝座放置于屋頂，以便可靠接收GPS信號。

提供具有大帶寬、固定IP的服務器作為本系統(tǒng)的主站數(shù)據(jù)庫服務器和應用服務器，主站軟件采用BS結構，任何授權用戶均可在任意位置的任意上網(wǎng)計算機上，通過瀏覽器直接進行訪問。