基于諧波法判斷電纜接地故障的方法研究

中煤平朔集團(tuán)有限公司動(dòng)力中心 張宇 李永寬

1 引言

電纜供電具有占地少、適合各種環(huán)境以及可靠性較高的優(yōu)勢(shì)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，供電設(shè)備使用電纜輸電已經(jīng)非常廣泛。但在電纜實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于環(huán)境原因、機(jī)械原因、質(zhì)量原因以及負(fù)載原因等，使電纜發(fā)生各種問題最終導(dǎo)致接地故障。所以通過對(duì)電纜老化、損傷的檢測(cè)能夠防止電纜出現(xiàn)接地故障，從而確保供電網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行。

2 諧波電纜檢測(cè)的原理

諧波主要是指檢測(cè)電流里具有基波頻率的電量，在電纜流過帶有基波頻率電流的時(shí)候，會(huì)在電纜產(chǎn)生磁化的電流。電纜正常狀態(tài)時(shí)，電纜會(huì)約束此電流，而如果電纜存在問題的時(shí)候，電纜介質(zhì)磁偶極將產(chǎn)生改變，電纜存在的異常會(huì)通過高次諧波表現(xiàn)出來，電纜介質(zhì)磁束的變化會(huì)導(dǎo)致渦電流的產(chǎn)生，電纜渦流示意圖如圖1所示。

圖1 電纜渦流示意圖

當(dāng)交流電流經(jīng)過電纜時(shí)，在電纜中會(huì)產(chǎn)生磁束φa,φb,φc......φn，因?yàn)榇攀l(fā)生變化，電纜會(huì)形成渦電流Ia1,Ib1,Ic1......In1以及Ia2,Ib2,Ic2......In2等[1]。如果此時(shí)電纜正常（介質(zhì)均勻），電纜磁束平衡渦電流會(huì)達(dá)到抵消的狀態(tài)，但是如果電纜存在缺陷，例如老化、介質(zhì)存在水分等情況時(shí)，電纜的磁束將發(fā)生變化，電纜存在損傷的磁束示意圖如圖2所示。

圖2 電纜存在損傷的磁束示意圖

由圖2可知，B、C 磁束和正常A 磁束不一樣，它能夠使電纜產(chǎn)生渦流，從而反映出電纜的實(shí)際狀況。機(jī)械作用導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生震動(dòng)出現(xiàn)渦流，這也是電流諧波主要產(chǎn)生的原因。

當(dāng)電纜受到機(jī)械作用發(fā)生沖擊脈沖的時(shí)候，電纜磁場(chǎng)會(huì)在沖擊作用下產(chǎn)生微小的運(yùn)動(dòng)，從而使其產(chǎn)生A、B渦電流。

機(jī)械原因產(chǎn)生渦流示意圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械原因產(chǎn)生渦流示意圖

如果電纜發(fā)生老化，會(huì)造成磁束發(fā)生變化出現(xiàn)高次諧波情況。老化情況包括機(jī)械老化、環(huán)境老化、電壓老化以及熱老化等。

通過對(duì)電纜老化和電纜產(chǎn)生高次諧波之間的連帶關(guān)系分析，能夠獲得缺陷電纜工作過程中電流和磁場(chǎng)分布的情況。所以，利用電纜諧波的分析能夠判斷出電纜存在的具體缺陷情況與位置[2]。

3 諧波電纜檢測(cè)的方法

3.1 仿真檢測(cè)

利用仿真對(duì)電纜進(jìn)行檢測(cè)要面臨以下問題。

一是搭建電纜仿真模型。二是確定電場(chǎng)變化和電纜問題之間的關(guān)系。三是磁場(chǎng)變化和電纜問題之間的關(guān)系。

利用FEM 有限元法進(jìn)行電纜磁場(chǎng)與電場(chǎng)的仿真，利用波導(dǎo)方程作為仿真的理論基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)TEM波可視三維仿真模擬，達(dá)到能夠定量、定向分析電纜電介質(zhì)、電量變化參數(shù)，從而達(dá)到分析電纜磁場(chǎng)、電場(chǎng)變化的目的。

在利用FEM有限元實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜磁場(chǎng)與電場(chǎng)的仿真時(shí)，在仿真模型中加進(jìn)故障樹分析理論，同時(shí)在仿真分析過程中，要改變樹的生長(zhǎng)過程，將一個(gè)微孔變成相互鏈接的微孔，通過觀察水樹的生長(zhǎng)判斷電場(chǎng)與磁場(chǎng)的變化。隨著水樹不斷地生長(zhǎng)，電纜芯處的磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之加強(qiáng)。磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小和相應(yīng)的位置不變，當(dāng)出現(xiàn)微孔的時(shí)候，隨著微孔不斷生長(zhǎng)以及水通道的產(chǎn)生，電纜絕緣的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)顯著波動(dòng)。

隨著樹的不斷生長(zhǎng)，最大密度電流會(huì)出現(xiàn)在樹的末梢，可是因?yàn)槲⒖壮跏寄┒说碾娏髟黾樱率勾艌?chǎng)最大強(qiáng)度也出現(xiàn)在微孔初始末端。利用仿真模型的分析，能夠獲得水樹故障對(duì)電纜絕緣磁場(chǎng)分布產(chǎn)生的影響，還有造成分子密度電流的變化規(guī)律。因?yàn)殡娎|電流不斷變化，致使電纜磁通也隨之變化，最終使電纜磁場(chǎng)的強(qiáng)度也發(fā)生變化，磁場(chǎng)發(fā)生變化和電流發(fā)生變化具有一定關(guān)聯(lián)性，它們的變化會(huì)導(dǎo)致電纜線芯出現(xiàn)高次諧波。通過仿真模型的研究得出，當(dāng)電纜發(fā)生老化的情況時(shí)，電纜會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)變化以及電流變化，其老化的程度能夠利用高次諧波的變化參數(shù)反映出來[3]。

3.2 試驗(yàn)檢測(cè)研究

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)電纜產(chǎn)生諧波和電纜出現(xiàn)老化故障之間存在的聯(lián)系進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與分析，通過試驗(yàn)研究分析獲得電纜出現(xiàn)的老化和出現(xiàn)諧波的關(guān)系，經(jīng)過研究逐步完善試驗(yàn)方法。電纜試驗(yàn)檢測(cè)研究主要是利用正常的電纜與老化的電纜對(duì)比試驗(yàn)的方法，研究電纜產(chǎn)生諧波和電纜老化存在的關(guān)系。

對(duì)電纜電流損耗的測(cè)定能夠間接對(duì)電纜電流損耗諧波進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試原理是將正弦電壓加在電容以及XLPE 試驗(yàn)電纜上，這兩路的電流接入電橋，這時(shí)調(diào)節(jié)電橋使其平衡，由于電纜容性的電流被補(bǔ)償，這時(shí)只存在損耗的電流，而示波器將損耗的電流數(shù)據(jù)采集，并將這一信號(hào)實(shí)施轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得諧波電流分量的信息，依據(jù)諧波分量以及相位對(duì)電纜老化的狀況進(jìn)行判斷。

電橋判斷法是通過高壓流比電橋?qū)嵤┑模琁x與IS是流過電容與樣品電流，經(jīng)過電橋電容Cd與電阻R將電流分成Is1與Is2。當(dāng)電橋處在平衡狀態(tài)時(shí)，利用調(diào)整電容Cd與N2的變比達(dá)到Is1與IX2兩者抵消，具體如公式（1）所示：

式（1）中：Ix為流過電容電流；IS為流過電纜樣品電流；N為變比。

通過調(diào)整電橋中的Cd使電流Is2變?yōu)榱悖@時(shí)變壓器檢測(cè)裝置會(huì)檢測(cè)出和Is2相對(duì)應(yīng)的電流輸出，因?yàn)椴牧蟭anδ的數(shù)量級(jí)別是10.3～10.4，所以，Is2電流和損耗的電流相等。由于放大器與變壓器的特性關(guān)系，會(huì)使放大器信號(hào)輸出產(chǎn)生失真現(xiàn)象，所以需要利用反卷積的技術(shù)將實(shí)際損耗的波形與電流反映出來[4]。

通過研究試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，電纜存在老化情況，其電流損耗具有很大畸變性，諧波的分量和電纜擊穿的強(qiáng)度、水樹的長(zhǎng)度存在緊密的聯(lián)系，和介質(zhì)電損耗的測(cè)量方法相比，采用諧波的測(cè)量方法能夠?qū)Σ煌A段水樹的測(cè)量起到非常好的效果。

3.3 諧波測(cè)量

利用試驗(yàn)、仿真方法能夠找出電力損耗諧波的分量，通過分量能夠證明電纜損壞的程度。對(duì)于諧波檢測(cè)電纜技術(shù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，從而使諧波檢測(cè)技術(shù)得到大范圍的應(yīng)用。現(xiàn)階段，諧波檢測(cè)電纜技術(shù)主要有兩種，分別是測(cè)量電纜損耗的電流和測(cè)量電纜感應(yīng)的電流。

3.3.1 測(cè)量電纜損耗電流

在電纜中諧波電流分量對(duì)于利用測(cè)量電流損耗對(duì)電纜進(jìn)行診斷的方法具有制約的作用，研究人員根據(jù)測(cè)試電流損耗諧波的原理研究出車載電纜檢測(cè)系統(tǒng)，車載電纜檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。該系統(tǒng)最長(zhǎng)能夠測(cè)試200m 長(zhǎng)的電纜，能夠?qū)嵤┝踊瘻y(cè)試負(fù)載1μF的電纜，當(dāng)前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到電纜的實(shí)際測(cè)試中。

圖4 車載電纜檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)在安裝氣體隔離開關(guān)的電纜使用上述檢測(cè)設(shè)備的時(shí)候，其檢測(cè)的信號(hào)容易受到互感器以及避雷器影響。所以在上述電纜測(cè)試時(shí)，需要將互感器、避雷器移除后再實(shí)施測(cè)量，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)試的時(shí)間延長(zhǎng)、費(fèi)用增加，因此研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的檢測(cè)電路，避免互感器與避雷器對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響。

這一電路主要是利用電流型互感器，減少電壓型互感器與避雷器影響電流損耗的測(cè)量，這種方式的應(yīng)用取得了很好的效果。由于上述系統(tǒng)在測(cè)試過程中必須由人工進(jìn)行電橋調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致工作時(shí)間較長(zhǎng)、效率低。因此，研究機(jī)構(gòu)又研究出一種自動(dòng)測(cè)試電流損耗分量的諧波測(cè)量裝置，該裝置利用線圈對(duì)電流補(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到電流的平衡。

電纜測(cè)試時(shí)，流經(jīng)電纜電流會(huì)在比較器線圈Nx上產(chǎn)生感應(yīng)電磁，Nd檢測(cè)線圈此時(shí)會(huì)檢測(cè)到信號(hào)U2（t），隨后系統(tǒng)會(huì)利用U1（t）與U2（t）獲得電流補(bǔ)償信號(hào)，再經(jīng)過電壓對(duì)電源進(jìn)行控制、對(duì)Nc線圈進(jìn)行控制，使其產(chǎn)生磁勢(shì)達(dá)到流比器耦合，通過多次的耦合最終達(dá)到電橋的平衡，也就是流比器輸出為0。在電橋平衡情況下獲得電纜損耗的因數(shù)和電纜電流損耗諧波的分量，最終達(dá)到對(duì)電纜老化產(chǎn)生接地的分析[5]。

3.3.2 測(cè)試電纜感應(yīng)電流

測(cè)試電纜感應(yīng)電流設(shè)備能夠現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電纜進(jìn)行測(cè)試，該設(shè)備能夠利用傳感器進(jìn)行電纜諧波電流采集，隨后對(duì)其進(jìn)行分析、處理，最后將分析處理結(jié)果和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比生成電纜診斷的報(bào)告，通過診斷報(bào)告能夠預(yù)測(cè)出電纜壽命，同時(shí)利用連續(xù)診斷的結(jié)果可以了解電纜今后變化的趨勢(shì)[6]。

上述兩種諧波電纜檢測(cè)的方法都能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電纜檢測(cè)，電纜檢測(cè)車能夠應(yīng)用在66kV 電纜的檢測(cè)。上述測(cè)量電纜損耗電流系統(tǒng)能夠?qū)χ袎旱碾娎|進(jìn)行檢測(cè)，而電纜感應(yīng)電流測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)?0kV以上的電纜進(jìn)行檢測(cè)，其效果非常顯著。

4 結(jié)語

本文針對(duì)電纜損傷、老化導(dǎo)致電纜接地故障的判斷方法進(jìn)行研究，諧波電纜診斷具有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)諧波電纜診斷的原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)諧波電纜診斷、試驗(yàn)以及檢測(cè)設(shè)備對(duì)諧波電纜診斷的優(yōu)缺點(diǎn)、發(fā)展進(jìn)行細(xì)致地分析。雖然目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)諧波電纜檢測(cè)的研究較多，但是仍然存在不足，今后還需要進(jìn)行不斷的完善，從而使諧波電纜檢測(cè)技術(shù)能夠大范圍地推廣，進(jìn)而確保供電網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行。