電流諧波環境下電纜故障監測技術研究

中圖分類號：TP274；TM75 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）05-0189-04

Abstract：Inorderto solve the problemoffault monitoring intheoperation of power cables，starting fromthe analysisof thecomposition，functional requirements and technical indicators ofthe monitoring system，acable fault monitoring system was built based on the high-frequency pulse current method.The monitoring process and method of partial discharge monitoring system were analyzes andoptimizes，and the cable fault ina current harmonic environment by improving the optimization strategy were detects andanalyzes.The results showed thatthe of-line monitoring partial discharge monitoring system could monitor thecable electrical signalandotherdata in thecurrent harmonic environment inreal time，and accurately judge the cable fault point in the current harmonic environment，and therange was accurate within 2O maround the monitoring point.Combined with the cable setting during cable operation inthe current harmonic environment，the precise location of the cable faultcouldbe further investigated，and the cause of the cable fault and the cable troubleshooting measures could be given in combination with the monitoring system database.

Key words：current harmonics；cable failure；high-frequency pulse current method；ofline monitoring； positioning monitoring

電力電纜故障是一種在輸電和配電系統運行過程中，由于系統部件設計和外部環境變化等因素，在局部范圍內產生短路、斷網等故障的現象。常見的故障原因包括絕緣老化、短路、接頭接觸不良等[1]然而，由于電力電纜系統復雜、分布范圍廣、使用環境惡劣等因素，電纜故障點不能被及時發現，在一定程度上會給電力電纜運行帶來風險挑戰和經濟損失[2]。急需設計一種電纜故障監測系統，以保障在電力電纜運行過程中，實時監測系統運行狀態，并在故障發生時能夠及時、快速查找與測量故障位置，排除故障隱患。無論哪種類型的電力電纜故障[3]，都需要首先查找故障發生的位置，然后基于傳統經驗或者現有監測結果進行分析預判，這個過程中，監測系統的功能、數據采集的全面性等在很大程度上將決定故障監測和排除效率。雖然目前采用差分法、方向耦合法、電磁耦合法、超高頻電容耦合法、超聲波檢測法等監測方法能在一定程度上對電纜故障進行檢測，但是同時存在誤差大、監測工序復雜、靈敏度低等問題[46]。為解決電力電纜運行過程中的故障能便捷、高效監測難題，通過分析監測系統組成和功能要求[]，基于高頻脈沖電流法搭建了電纜故障監測系統，從局部放電監測系統監測過程和方法等方面進行分析和優化，并對某電流諧波環境下的電纜故障進行檢測分析，結果將有助于電力電纜故障監測，提高電流諧波環境下電纜運行的可靠性和安全性。

1監測系統組成及功能要求

1.1 監測系統組成

電纜故障監測項目眾多，主要包括需要監測區域電纜及其配件的局部放電情況，以及對電纜運行期間的絕緣狀態等情況進行收集和分析等[8]。圖1所示為在線監測系統示意圖，在電纜設備實施運行過程中，電纜相關數據通過電纜網運行監控中心進行監測，系統中涉及交換機、局部監控主機、采集器、接地線和接頭等。此外，還包括各主機部分自帶的信號采集單元、傳輸數據控制單元、感性傳感器、控制單元和軟件系統等。通信光纜、六類網線和同軸電纜用于采集單元和控制計算機之間的傳輸[9]

1.2 功能要求

電流諧波環境下電纜故障監測系統需要滿足如下要求[1°]：（1）能夠對運行電纜的放電量、放電次數等進行檢測和統計分析；（2）能夠測試電纜系統的頻率、相位分辨率等參數；（3）能夠對周期范圍內的放電譜圖進行記錄和分析；（4）能夠構建多參數（放電量、放電相位等）數據庫，并在線查詢、分析，為電纜故障診斷提供預警和報警信號；（5）具備監測程序軟件，可近距離和遠程對電纜系統進行診斷；（6）需要配制濾波器，對電纜系統的信號進行采集，避免干擾信號；（7）監控中心與運行過程中的監控主機應保持同步運行等。

1.3主要監測技術指標

常見的在線監測技術指標主要包括總體參數、數據采集硬件技術參數、HFCT傳感器技術參數、TEV 傳感器技術參數、軟件功能等幾個方面[11]。如總體參數包括：電源、功率、主保險絲、工作溫度、存儲溫度、相對溫度、操作環境和防護級別要求等，數據采集硬件技術參數包括：探測頻率范圍、使用局放傳感器、數據采集方法、觸發源、采集周期、采樣率、最小脈沖上升時間、最大記錄存儲數據、數據管理等，TEV傳感器技術參數包括：-3dB頻率響應、典型上升時間、負載阻抗等；軟件功能主要包括：用戶界面、瀏覽器兼容性、局放數據顯示、HTML網頁瀏覽界面等[12]。其中，HFCT傳感器和 TEV 傳感器的主要技術指標如表1所示。

2 監測結果與分析

2.1 離線局部放電監測

圖2所示為局部放電測試系統構成示意圖，涉及 110～500kV 電纜、PD傳感器、電纜接頭、噪音天線、光發信器。為了高效率實現電流諧波環境下電纜故障監測，采用了高頻脈沖電流法（高頻頻率80MHz ），在實際系統搭建過程中，在電纜終端裝配有傳感器。PD傳感器通過通信光纖傳遞信號，在通道開關控制下，將接收信號傳遞給數據主機，其中4個BPF通道可單獨運行也可以并行運行，然后進行4通道高速AD變換，同時將信息進行儲存（內存記憶）[13]。在顯示端口設置有4通道、8個窗同時顯示，結合頻譜分析儀和示波器的測試結果，在臺式電腦或者手提電腦顯示。此外，通過電腦終端自帶的分析軟件，可選擇f-q-t圖譜識別、x-q-t圖譜識別、 圖譜識別、多重邏輯門識別和高壓同步信號噪音抑制門等[14]，最終實現電纜內部局部信號監測，為故障診斷提供依據。

2.2 離線局部放電監測過程與方法

對某區域的電流諧波環境下電纜局部放電監測進行測試，通過6次在線監測仍然無法判別是否局放，因此采用離線局部測試的方法進行監測，圖3所示為終端電氣接線圖。包括地面、一樓、二樓、三樓、四樓、PDM主機連接示波器、頻譜儀和PC終端，通過分析模擬PD信號發生器接收到的A相、B相和C相信號，觀察各個階段的信號變化，確認電流諧波環境下電纜局部放電信號發出的位置[15]

圖4所示為電流諧波環境下電纜故障電位監測系統組成，包括電力電纜端、行波采集系統、通信網絡和行波綜合分析端。在電流諧波環境下電纜實際運行過程中，將行波采集系統安裝在電纜終端上，對電力電纜數據進行全天候采集，并通過通信網絡（光纖通信或者無線通信網絡）實時傳輸給行波綜合分析系統[16]。行波綜合分析系統根據采集到的電纜信號進行自動分析，給出預警信號，也可以人工遠程提取電力電纜運行過程中的數據進行故障排查，并提取過往故障數據、解決措施等[17]，給出新的故障點及排除方案。

數據，結果如表2所示。在對監測過程和系統構成進行系統改進前，監測系統能監測到A相、B相和C相的信號，且A相和B相信號較為相似，而C相出現局部波形特征；在系統改進后，系統仍然能夠監測到A相、B相和C相的信號，且A相和B相的局部波形明顯減弱，而C相的局部波形明顯增強。對比分析可知，A相中含有明顯的局部波動，從而通過采集時間間隔判別諧波環境下電纜監測故障點[18] 。

通過對電流諧波環境下電纜監測過程中放電信號進行監測，分別記錄了A相、B相和C相的采集

2.3離線局部放電監測結果

圖5所示為人工注入信號反射時間和原信號反射時間對比圖。其中，S1、S2和S3表示不同區域的電纜節點。

由圖5對比分析可知，電流諧波環境下電纜監測過程中實時監測獲得的原信號反射時間，與人工注入信號改進后的反射時間存在一定差異。通過反射時間差異可大致判斷故障點距離監測點的距離，并由此結合電流諧波環境下電纜運行過程中的電纜設置情況[19]，判斷故障位置大致位于監測點周圍20m范圍內。后續可根據定位監測系統進一步排查，找出電纜故障位置并進行故障分析，給出電流諧波環境下電纜故障排除措施[20]

3結語

（1）通過電流諧波環境下電纜監測系統原理分析，給出了在線監測系統組成，并提出了在線監測系統功能要求和技術指標；（2）為了高效率實現電流諧波環境下電纜故障監測，采用了高頻脈沖電流法（80MHz）進行離線局部放電監測，介紹了離線局部放電監測過程與方法；（3）通過改進優化方案對某電流諧波環境下的電纜故障進行檢測分析，采用離線監測局部放電監測系統，可準確判斷電流諧波環境下電纜故障點，范圍精確在監測點周圍 20m 內。

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（責任編輯：蘇帆）