敬 強(qiáng)，鄭新龍，李世強(qiáng)

（舟山電力局，浙江 舟山 316021）

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海島能源的需求日益增大。海島電力輸送主要依賴(lài)海底電力電纜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)海纜），隨著海纜的大量使用，海纜故障也不斷增加。如何快速準(zhǔn)確地找出海纜故障點(diǎn)，迅速恢復(fù)供電，已經(jīng)成為電力部門(mén)面臨的又一新課題。2010年8月10日，上海蘆潮港送嵊泗縣的60 km±50 kV直流輸電海纜雙極停運(yùn)。事故發(fā)生后，由于海纜較長(zhǎng)、探測(cè)技術(shù)和能力不足，故障定位和檢修工作極為困難，導(dǎo)致查找故障和停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嵊泗電網(wǎng)全網(wǎng)停電，限電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12天，引起了媒體的廣泛關(guān)注，社會(huì)影響極大。因此，必須積極探索海纜故障測(cè)試技術(shù)，快速準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，大大縮短海纜修復(fù)時(shí)間，以盡可能減少因海纜故障停電造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1 海纜故障探測(cè)的步驟

1.1 確定故障性質(zhì)

了解故障海纜的有關(guān)情況以確定故障性質(zhì)，判斷故障為接地、短路、斷線(xiàn)還是它們的混合；是單相、兩相、還是三相故障。

1.2 故障測(cè)距

故障測(cè)距即粗測(cè)，是在海纜的一端采用相應(yīng)的故障測(cè)試方法初步確定故障距離，縮小故障點(diǎn)范圍，便于更快找到故障點(diǎn)。

1.3 精確測(cè)定故障點(diǎn)

按照故障測(cè)距結(jié)果，依據(jù)海纜路由資料，找出故障點(diǎn)大致位置，在初步確定的區(qū)域內(nèi)，采用對(duì)應(yīng)的定點(diǎn)儀器，確定故障點(diǎn)的精確位置。

2 故障測(cè)距方法

海纜故障探測(cè)要經(jīng)過(guò)以上3個(gè)步驟，其中故障測(cè)距是整個(gè)探測(cè)過(guò)程的關(guān)鍵。只有解決了測(cè)距難題，才能迅速找到故障點(diǎn)。

海纜的運(yùn)行環(huán)境與陸地電纜有較大差異，但絕緣性能與陸地電纜一致，因此海纜的故障探測(cè)技術(shù)可參考陸地電纜故障測(cè)試。

當(dāng)前，電纜故障測(cè)距技術(shù)主要有兩大類(lèi)：利用電纜阻抗探測(cè)電纜故障（即阻抗法）和利用電纜中的行波探測(cè)電纜故障（即行波法）。

阻抗法是通過(guò)測(cè)量和計(jì)算故障點(diǎn)到測(cè)量端的阻抗，然后根據(jù)線(xiàn)路參數(shù)，列寫(xiě)求解故障點(diǎn)方程，求得故障距離。

行波法又分為低壓脈沖反射法、脈沖電流法和二次脈沖法。

（1）低壓脈沖法適用于電纜的低阻、短路與斷路故障，而不能用于高阻與閃絡(luò)故障。

（2）脈沖電流法通過(guò)線(xiàn)性電流耦合器采集電纜中的電流行波信號(hào)，以高壓擊穿電纜故障點(diǎn)，用儀器采集并記錄擊穿故障點(diǎn)所產(chǎn)生的電流行波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量故障點(diǎn)放電脈沖在故障點(diǎn)與測(cè)量端之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)確定電纜故障距離。

（3）二次脈沖法是最新發(fā)展的電纜故障預(yù)定位方法，其原理是先發(fā)射1個(gè)低壓脈沖，低壓脈沖在高阻或間歇性電纜故障點(diǎn)不能被反射，而在電纜末端發(fā)生開(kāi)路反射，儀器將這個(gè)顯示電纜全長(zhǎng)的波形存儲(chǔ)起來(lái)；之后高壓電容器放電，使電纜故障點(diǎn)發(fā)生閃絡(luò)，在故障點(diǎn)起弧的瞬間也會(huì)觸發(fā)1個(gè)低壓脈沖，并疊加在高壓信號(hào)上從故障點(diǎn)發(fā)生短路反射。將前后2次低壓脈沖波形進(jìn)行疊加對(duì)比，2條軌跡將有清楚的發(fā)散點(diǎn)，該點(diǎn)即為故障點(diǎn)。但是二次脈沖法對(duì)起弧后的低壓脈沖發(fā)射間隔要求比較高，如果故障點(diǎn)受潮嚴(yán)重，故障點(diǎn)擊穿過(guò)程較長(zhǎng)，低壓脈沖的發(fā)射間隔將相應(yīng)增加；且故障點(diǎn)維持低阻狀態(tài)的時(shí)間不確定，施加二次脈沖時(shí)的控制有難度。

3 故障波形分析

3.1 脈沖電流法測(cè)試波形

脈沖電流法用線(xiàn)性電流耦合器LH采集電纜中的電流行波信號(hào)，其原理如圖1所示。

圖1 脈沖電流法原理

LH實(shí)際上是一個(gè)空心線(xiàn)圈，與地線(xiàn)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相匝連，即耦合感應(yīng)地線(xiàn)中的電流變化。當(dāng)故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電流行波到達(dá)后，線(xiàn)性電流耦合器輸出一脈沖信號(hào)，因此可以從線(xiàn)性電流耦合器有無(wú)脈沖信號(hào)輸出來(lái)判斷測(cè)量點(diǎn)是否有電流行波出現(xiàn)。

圖2給出了故障點(diǎn)的低阻故障脈沖反射波形。由該直流閃絡(luò)電流行波網(wǎng)格圖可以看出，t=0時(shí)，球間隙擊穿，注入的高電壓波E沿電纜前進(jìn)，相應(yīng)的電流波為i0=E/Z0。時(shí)間τ后，高電壓波到達(dá)故障點(diǎn)，故障點(diǎn)開(kāi)始電離，經(jīng)放電延時(shí)td后，形成短路電弧，擊穿放電，故障點(diǎn)電壓由E突跳為零。此時(shí)產(chǎn)生1個(gè)與高壓脈沖相反的正突跳電壓E0以及相應(yīng)的電流i0，i0=E/Z0，其中Z0為電纜波阻抗。

圖2 直接擊穿的脈沖電流行波網(wǎng)格圖

3.2 放電延時(shí)

根據(jù)分布參數(shù)傳輸線(xiàn)理論，行波信號(hào)在電纜中傳播，遇到阻抗不匹配點(diǎn)（波阻抗不同的電纜）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生2個(gè)波即入射波和反射波，定義入射波Ui和反射波Uf關(guān)系的是反射系數(shù)ρu：

式中：Z為阻抗不匹配點(diǎn)的等效阻抗；Z0為線(xiàn)路波阻抗。

若Z→∞，即電纜開(kāi)路時(shí)，ρu=1，反射脈沖與入射脈沖大小相等、方向相同，開(kāi)路點(diǎn)出現(xiàn)電壓加倍現(xiàn)象。

若Z=0，即電纜短路或擊穿時(shí)，ρu=0，入射脈沖與反射脈沖大小相等、方向相反，短路點(diǎn)出現(xiàn)電流加倍現(xiàn)象。

若 Z＜Z0，則-1＜ρu＜0，入射脈沖與反射脈沖極性相反，且反射脈沖幅度比入射脈沖幅度小。

脈沖電流波形的第一個(gè)脈沖是球間隙擊穿時(shí)電容對(duì)電纜放電引起的。故障點(diǎn)擊穿短路后，2τ+td時(shí)刻，故障點(diǎn)放電電流脈沖到達(dá)測(cè)量點(diǎn)，并與測(cè)量點(diǎn)的反射脈沖迭加，幅值為故障點(diǎn)放電電流脈沖的2倍，即2E/Z0（Z=0的情形），以后的脈沖則是電流行波在故障點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間來(lái)回反射所造成的。故障點(diǎn)的第二個(gè)反射脈沖在波形上與第一個(gè)反射脈沖之間的距離即故障距離。如圖3所示，Δt即故障反射波形的反射時(shí)間。

Δt=2τ； L=V·Δt/2

式中：L為故障點(diǎn)距離；V為脈沖波速。

圖3 脈沖電流法電流波形

需要注意的是，電容對(duì)電纜的放電脈沖與故障點(diǎn)放電脈沖的時(shí)間差并非脈沖在故障點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)間往返一次的時(shí)間2τ，而是比2τ多放電延時(shí)td，且td是不確定的，它與施加到故障點(diǎn)上的電壓、故障點(diǎn)破壞程度、電纜絕緣材料等因素有關(guān)。

3.3 雜散電感引起的反脈沖

在實(shí)際波形中，由于擊穿后電纜與電容中儲(chǔ)存的能量會(huì)不斷消耗，電纜中的電流隨時(shí)間增加趨近于0；脈沖在電纜傳播過(guò)程中會(huì)有損耗，因此反射脈沖的幅度會(huì)不斷減小，變化逐漸緩慢；電容器本身和測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)存在的雜散電感Ls對(duì)高頻行波信號(hào)也有影響，阻礙了回路中的電流變化。

電感Ls引起的反射如圖4所示。

圖4 雜散電感等效電路及對(duì)電流直角波的反射

開(kāi)始時(shí)因電感上的電流不能突變，相當(dāng)于開(kāi)路，電流行波反射系數(shù)為-1，出現(xiàn)負(fù)反射，波形向負(fù)方向變化。隨著時(shí)間增加，電感上電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，電感相當(dāng)于短路，電流行波反射系數(shù)為+1，出現(xiàn)正反射，波形再向正方向變化，故波形上會(huì)出現(xiàn)小的負(fù)脈沖即反脈沖（與發(fā)射脈沖比較）。

考慮到故障點(diǎn)的放電延時(shí)和雜散電感，脈沖電流法測(cè)試波形應(yīng)如圖5所示，電容對(duì)電纜的放電脈沖與故障點(diǎn)脈沖的時(shí)間差（即波形上第一個(gè)正脈沖與第二個(gè)正脈沖之間的時(shí)間），比2τ多出了放電延時(shí)時(shí)間td和雜散電感影響的t0；而td不確定，它與施加到故障點(diǎn)上的電壓、故障點(diǎn)破壞程度、電纜絕緣材料等因素有關(guān)。故障距離計(jì)算時(shí)，應(yīng)該取第二個(gè)正脈沖到第三個(gè)正脈沖前面的負(fù)脈沖之間的時(shí)間差2τ。

圖5 線(xiàn)性耦合器實(shí)際輸出波形

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形分析

4.1 2009年某次充油海纜故障

該段海纜為充油海纜，全長(zhǎng)約4.9 km，故障脈沖電流波形如圖6所示。

圖6 充油海纜故障脈沖電流波形

故障距離以第二個(gè)正脈沖到第三個(gè)正脈沖前面的負(fù)脈沖之間的時(shí)間差計(jì)算，得到故障點(diǎn)距測(cè)量點(diǎn)的距離約為：

式中：V為波速，160 m/μs。

長(zhǎng)距離測(cè)試時(shí)，td和t0一般會(huì)因反射波衰減而不明顯，所以故障距離應(yīng)為：

由于雜散電感和放電延時(shí)的影響，故障波形第一個(gè)反射脈沖和第二個(gè)反射脈沖之間的時(shí)間差存在誤差 t誤差。

4.2 蘆潮港-嵊泗直流雙極海纜故障

2011年1月，蘆潮港-嵊泗直流雙極海纜出現(xiàn)故障。海纜全長(zhǎng)約61 km，由于海纜較長(zhǎng)，測(cè)量脈沖信號(hào)的衰減比較大。

采用脈沖電流法測(cè)得故障波形如圖7所示。

圖7 高壓法測(cè)試波形

認(rèn)真分析測(cè)試波形，發(fā)現(xiàn)測(cè)試波形比標(biāo)準(zhǔn)脈沖電流測(cè)試波形缺少反脈沖，而且沒(méi)有第三個(gè)反射波形。這是由于故障點(diǎn)距離測(cè)量點(diǎn)較遠(yuǎn)，傳播過(guò)程中存在衰減，反射脈沖不明顯或者已消失（衰減），只能以脈沖下降處為起點(diǎn)計(jì)算故障點(diǎn)距離，故障距離就存在誤差，t誤差=td+t0。

對(duì)于同樣材質(zhì)的海纜（上述兩段海纜均為充油海纜），其故障點(diǎn)擊穿時(shí)間應(yīng)差異不大，可近似選用同樣的td。又因采用同一套儀器進(jìn)行測(cè)試，所以t0也近似。

計(jì)算實(shí)際故障距離L：

現(xiàn)場(chǎng)打撈后確認(rèn)，實(shí)際故障距離約6 890 m，實(shí)際故障點(diǎn)與測(cè)算故障點(diǎn)誤差約2.1%。

長(zhǎng)距離故障測(cè)試過(guò)程中的誤差主要源于雜散電感Ls和放電延時(shí)td。對(duì)于同一故障測(cè)試裝置，由于雜散電感Ls只與電容器本身和測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)相關(guān)，因此只要測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)不變，其雜散電感基本不變，則t0近似不變。對(duì)于同一根故障海纜，由于其狀況基本一致，可選用同樣的td，誤差并不明顯。在測(cè)試結(jié)果中考慮t0和td對(duì)測(cè)試引起的影響，可使故障測(cè)量更加準(zhǔn)確。

5 總結(jié)

（1）由于海纜具有距離長(zhǎng)、信號(hào)衰減大的特點(diǎn)，海纜故障測(cè)試時(shí)更應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，根據(jù)海纜的故障類(lèi)型、敷設(shè)特點(diǎn)等綜合考慮，采用合適的方法來(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)。

（2）由于長(zhǎng)距離故障探測(cè)時(shí)存在反射信號(hào)衰減嚴(yán)重的問(wèn)題，可以考慮通過(guò)提高沖擊電壓的幅度、加大測(cè)試脈沖的幅度和寬度，來(lái)提高故障回波波形幅度；通過(guò)增加取樣線(xiàn)圈的圈數(shù)、增加LH與地線(xiàn)間的耦合度等方法來(lái)提高采集到的波形幅度，從而獲得更為精確的故障波形，減小測(cè)試誤差。

[1]牟龍華，劉建華.電力電纜故障測(cè)距方法的基本工作原理[J].繼電器，1999,27（4）：22-24.

[2]鹿洪剛，覃劍，陳祥訓(xùn)，等.電力電纜故障測(cè)距綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（20）：58-63.

[3]徐丙根，李勝祥，陳宗軍.電力電纜故障探測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[4]張棟國(guó).電纜故障分析與測(cè)試[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.