岳靈平，朱弘釗，俞強(qiáng)，黃松林，季世超

（1.國網(wǎng)湖州供電公司，浙江 湖州 313000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

電力電纜作為連接發(fā)、供電、用電網(wǎng)絡(luò)的橋梁和紐帶，其使用量正在逐年增加。交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜以其優(yōu)越的電氣、熱及力學(xué)性能和敷設(shè)容易、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)被越來越廣泛地應(yīng)用，并成為電纜發(fā)展的主流。電力企業(yè)的大量運(yùn)行實(shí)踐表明，電力電纜并不是免維護(hù)的。電力電纜鋪設(shè)在地下，運(yùn)行環(huán)境相對惡劣，電纜故障時(shí)有發(fā)生，容易造成突發(fā)停電及火災(zāi)隱患。由于電纜中間頭制作質(zhì)量不良、壓接頭不緊、接觸電阻過大、外力沖擊等外部原因，以及電纜長期運(yùn)行所造成的電纜頭溫度升高，造成電纜過熱燒穿絕緣，甚至發(fā)生火災(zāi)。電纜絕緣擊穿，發(fā)生短路故障、接地故障等事故，造成停電、火災(zāi)等事故，降低了供電可靠性。電纜線路還會發(fā)生被盜竊和其它人為破壞事故。這些都會給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，無論是供電企業(yè)，還是用電企業(yè)，每年都要投入大量的人力物力，對電力電纜及設(shè)施進(jìn)行維護(hù)和管理。當(dāng)前，社會對電力行業(yè)供電可靠性提出了更高的要求，需要保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。電力電纜在線監(jiān)測技術(shù)在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于安全隱患識別、故障點(diǎn)診斷、預(yù)警研判等方面，目前已成為電力故障檢測的重要手段。

1 交聯(lián)聚乙烯電力電纜故障分析

1.1 電纜主絕緣自恢復(fù)故障分析

交聯(lián)聚乙烯電力電纜的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，電纜本體由導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)體屏蔽、交聯(lián)聚乙烯絕緣、外半導(dǎo)體屏蔽、軟銅帶、包帶和外護(hù)套組成。

圖1 XLPE電力電纜結(jié)構(gòu)

由于電纜材料本身和電纜制造、敷設(shè)過程中不可避免地存在缺陷，受運(yùn)行中的電、熱、化學(xué)和環(huán)境等因素的影響，電纜主絕緣會發(fā)生不同程度的老化。對于交聯(lián)聚乙烯電力電纜，當(dāng)電纜主絕緣中存在缺陷、微孔和水分時(shí)，由于缺陷或微孔處的電場畸變，在電場的作用下，會發(fā)生水樹老化現(xiàn)象。伴隨水樹枝生長，水樹枝尖端的電場將愈加集中，局部高電場強(qiáng)度最終會導(dǎo)致水樹枝尖端產(chǎn)生電樹枝，從而導(dǎo)致電纜主絕緣擊穿。統(tǒng)計(jì)資料表明，水樹枝現(xiàn)象是造成交聯(lián)聚乙烯電纜老化、主絕緣下降，以致在運(yùn)行中被擊穿的主要原因。當(dāng)水樹枝引起電纜主絕緣擊穿時(shí)將產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，使得水氣蒸發(fā)烘干，因而當(dāng)電弧熄滅后電纜主絕緣又恢復(fù)到能夠耐受正常運(yùn)行電壓的水平?？梢?，由水樹枝引起的電纜主絕緣故障具有自恢復(fù)性。實(shí)際監(jiān)測表明，水樹枝引起電纜主絕緣自恢復(fù)故障的擊穿時(shí)刻往往發(fā)生在電壓峰值附近，故障持續(xù)時(shí)間一般不超過1/4工頻周期，而且所有自恢復(fù)故障產(chǎn)生的電流、電壓波形非常相似，如圖2和圖3所示。

圖2和圖3顯示了XLPE電纜主絕緣自恢復(fù)故障的發(fā)展過程。圖2記錄的故障發(fā)生在2012年3月14日2時(shí)28分2秒，圖3記錄的故障發(fā)生在同一天的2時(shí)31分12秒，距離第一次故障的時(shí)間不到三分種，這兩組波形幾乎一致，實(shí)際上為同一故障點(diǎn)所產(chǎn)生。

圖2 XLPE 電纜主絕緣自恢復(fù)故障產(chǎn)生的電壓和電流波形(1)

圖3 XLPE 電纜主絕緣自恢復(fù)故障產(chǎn)生的電壓和電流波形(2)

圖2和圖3所示的電壓、電流波形反映了XLPE電纜主絕緣自恢復(fù)故障的整體時(shí)域特性。將圖2或圖3波形的突變部分放大后，可以觀察到XLPE電纜主絕緣自恢復(fù)故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)行波現(xiàn)象，如圖4所示，據(jù)此可以在線獲得電纜絕緣自恢復(fù)故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

圖4 電纜主絕緣自恢復(fù)故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)行波波形

隨著時(shí)間的推移，由水樹枝引起XLPE電纜的主絕緣擊穿故障將越來越頻繁，如圖5所示，并最終導(dǎo)致電纜主絕緣永久性擊穿。大量資料顯示，如果電纜主絕緣在一天內(nèi)發(fā)生10次自恢復(fù)故障，則在大多數(shù)情況下（可能性超過90%），電纜主絕緣永久性擊穿故障將在3天以內(nèi)發(fā)生。

圖5 典型的XLPE 電纜主絕緣自恢復(fù)故障發(fā)生頻率圖

以上對交聯(lián)聚乙烯電力電纜的主絕緣故障分析表明，在永久性主絕緣故障發(fā)生以前，如能盡早監(jiān)測到主絕緣自恢復(fù)故障及其位置，即可達(dá)到電力電纜在線監(jiān)測與故障預(yù)警的目的。

1.2 單芯電纜護(hù)層絕緣故障分析

單芯電力電纜的金屬護(hù)層通常采用一端直接接地、另一端經(jīng)保護(hù)間隙接地方式。電纜在正常運(yùn)行情況下，其金屬護(hù)層的穩(wěn)態(tài)接地電流（環(huán)流）極小，主要是容性電流。設(shè)單芯電纜在正常運(yùn)行情況下的三相芯線電壓分別為UA、UB、UC，負(fù)荷電流分別為IA、IB、IC。

以A相為例，其金屬護(hù)層在正常運(yùn)行情況下的穩(wěn)態(tài)接地電流可以表示為：

式中：C為每相電纜芯線與該相金屬護(hù)層之間的等效電容。

假定A相電纜于X處發(fā)生了金屬護(hù)層絕緣故障，使得X處的對地電阻由無窮大變?yōu)镽e，如圖6所示。

圖6 三相單芯電纜A 相金屬護(hù)層絕緣故障示意圖

取電纜護(hù)層接地點(diǎn)G的電位為參考電位，故障點(diǎn)X通過大地與G形成電流通路。護(hù)層穩(wěn)態(tài)接地線電流可以表示為：

式中：MAA、MBA、MCA分別為A、B、C相電纜芯線對于A-X-Re-G回路的互感系數(shù)；L為護(hù)層故障點(diǎn)到接地端的等效電感。比較式（1）和式（2）可以發(fā)現(xiàn)，單芯電纜金屬護(hù)層多點(diǎn)接地產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)接地電流比單點(diǎn)接地時(shí)多了一項(xiàng)增量。電纜主絕緣可恢復(fù)性故障時(shí)，在電纜護(hù)層上產(chǎn)生高頻暫態(tài)行波現(xiàn)象，如果利用實(shí)時(shí)超高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，同樣可以記錄到單芯電纜金屬護(hù)層故障產(chǎn)生的高頻暫態(tài)行波現(xiàn)象，據(jù)此可以在線獲得電纜護(hù)層故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。綜上所述，對于單芯電纜，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜金屬護(hù)層接地電流及其穩(wěn)態(tài)和高頻暫態(tài)變化量，可以實(shí)現(xiàn)電纜護(hù)層的在線監(jiān)測與故障預(yù)警。

2 監(jiān)測系統(tǒng)基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電力電纜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測基本原理

對于單芯電力電纜，其金屬護(hù)層故障必然會表現(xiàn)為護(hù)層接地電流的變化。由于電磁耦合作用，當(dāng)電纜主絕緣品質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，也會反應(yīng)在金屬護(hù)層接地電流的變化上。電纜金屬護(hù)層接地電流的變化量明顯區(qū)別于正常情況下的護(hù)層接地電流，其中不僅含有幅值明顯的穩(wěn)態(tài)分量，而且還含有豐富的高頻暫態(tài)行波分量。可見，對電纜金屬護(hù)層接地電流進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)測，不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜金屬護(hù)層的絕緣故障，從而消除電纜主絕緣故障隱患，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜主絕緣自恢復(fù)故障，從而實(shí)現(xiàn)電纜在線故障預(yù)警。為此，提出通過同時(shí)在線監(jiān)測電纜金屬護(hù)層接地線電流中的工頻穩(wěn)態(tài)故障分量和高頻暫態(tài)行波故障分量來發(fā)現(xiàn)電纜護(hù)層絕緣故障和主絕緣自恢復(fù)故障，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電纜在線故障預(yù)警。利用接地線穩(wěn)態(tài)電流的電纜在線監(jiān)測原理：對于金屬護(hù)層采用單端接地方式的單芯電力電纜，金屬護(hù)層在正常情況下的接地電流極小，主要是穩(wěn)態(tài)的容性電流。而一旦金屬護(hù)層出現(xiàn)多點(diǎn)接地，與大地形成回路后的穩(wěn)態(tài)接地電流（環(huán)流）將顯著增大。對于系統(tǒng)中性點(diǎn)采用小電阻接地方式的三芯和單芯電力電纜，當(dāng)電纜主絕緣發(fā)生自恢復(fù)故障時(shí)，在電纜金屬護(hù)層接地電流中也會出現(xiàn)變化顯著的暫態(tài)分量。因此，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電纜金屬護(hù)層的穩(wěn)態(tài)接地電流及其變化量，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜金屬護(hù)層的絕緣故障（對于單芯電纜），對電纜護(hù)層故障修復(fù)有助于避免水分、潮氣等從護(hù)層故障點(diǎn)進(jìn)入電纜主絕緣，從而避免引發(fā)主絕緣故障。還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜主絕緣自恢復(fù)故障（對于系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的電纜），無論是水樹枝引起的電纜主絕緣缺陷，還是電樹枝引起的電纜主絕緣缺陷，均能實(shí)現(xiàn)電纜在線故障預(yù)警。利用穩(wěn)態(tài)接地電流的電纜在線故障監(jiān)測判據(jù)可以表示為：

式中：Igφ為單芯電纜某一相的護(hù)層接地線電流；Ig為三芯電纜的護(hù)層接地線電流；IZD為整定值（躲過正常運(yùn)行情況下的電容電流）。

2.2 高頻暫態(tài)行波信號的獲取

由于電纜絕緣瞬時(shí)擊穿時(shí)將在電纜接地回路中產(chǎn)生極高頻率的暫態(tài)行波信號，故可以通過設(shè)計(jì)專門的傳感器來獲取電纜末端接地線上的暫態(tài)行波電流信號。傳感器頻帶需要根據(jù)行波測距精度以及抗干擾能力綜合考慮。當(dāng)傳感器的頻帶最低頻率為小于2MHz時(shí)，會采集到更多的自恢復(fù)故障信息，有助于對故障行波的分析。但由于頻帶降低同樣會采集到大量干擾信號影響行波波形的識別，降低測量的精度。當(dāng)傳感器頻帶最高頻率高于125MHz時(shí)，根據(jù)采樣定理，系統(tǒng)高頻采集單元的采集頻率至少要大于250M，由于成本的限制，沒有必要。采用的行波傳感器頻帶為2～125MHz。

2.3 超高速數(shù)據(jù)采集

早期開發(fā)的行波測距裝置不具備行波波形采集記錄功能，只是使用一個(gè)電壓比較電路，通過判斷輸入信號是否超過門檻值來檢測行波脈沖。由于電壓行波信號上升速度一般比較慢，采用電壓比較法檢測出的行波脈沖到達(dá)時(shí)刻與實(shí)際的脈沖前沿之間往往有較大的時(shí)間延遲，影響故障測距精度。這種檢測方法還存在著易受干擾信號影響、檢測可靠性差的缺點(diǎn)。為了保證行波測距的精度，行波信號采集頻率應(yīng)當(dāng)提高到一定的程度，使用常規(guī)的由微處理器直接控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）的方式很難實(shí)現(xiàn)。為此，設(shè)計(jì)了專門的超高速數(shù)據(jù)采集電路單元來記錄故障電流行波信號，其采樣頻率為250MHz。高頻采集原理框圖如圖7所示，由高頻傳感器采集到的截止頻率大于2MHz的電磁暫態(tài)信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進(jìn)行增益調(diào)整和低通濾波送給高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和高速比較器，在現(xiàn)場可編程邏輯門陣的控制下根據(jù)高速比較器的輸出決定是否啟動高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲，中央處理器通過中斷得到數(shù)據(jù)有效信息，經(jīng)過算法處理，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)通訊方式上傳到上位機(jī)。

圖7 超高速采集電路原理框圖

3 電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測系統(tǒng)針對35kV及以上電力電纜的實(shí)際特點(diǎn)研制，采用分層分布式結(jié)構(gòu)，集各種先進(jìn)的數(shù)字化傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體，能夠適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境。通過對在運(yùn)行電壓下的電力電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)電力電纜的絕緣故障隱患并及時(shí)預(yù)報(bào)。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）從接地線電流中提取電纜主絕緣和金屬護(hù)層絕緣發(fā)生自恢復(fù)故障時(shí)的信號特征，實(shí)現(xiàn)了交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜在線故障預(yù)警和定位。

（2）不改變電纜運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)，不占用現(xiàn)有系統(tǒng)資源，在電纜接地導(dǎo)體上安裝電流傳感器，安全可靠。

（3）通過穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)監(jiān)測相結(jié)合，大大提高了抗干擾能力。

（4）通過累計(jì)電纜自恢復(fù)故障發(fā)生的次數(shù)發(fā)出黃色、橙色和紅色三級預(yù)警。

（5）系統(tǒng)采用全網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，無論分布式裝置或集中式裝置均采用以太網(wǎng)接口。通過對每個(gè)裝置分配不同的IP地址，能同時(shí)對多條電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和故障預(yù)警。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)接線及安裝

針對多條35kV線路的現(xiàn)狀，為保證線纜正常工作，擬對以上電纜線路實(shí)施在線監(jiān)測及故障預(yù)警，并且在預(yù)警過程中自動獲取故障信息，以便及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)知電纜線路可能存在的故障隱患及隱患位置，保障安全生產(chǎn)的需要。電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖8所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：安裝在變電所35kV回路的分布式電纜監(jiān)測終端通信網(wǎng)絡(luò)；安裝在主控室的電纜在線監(jiān)測主站系統(tǒng)。

圖8 電纜故障預(yù)警與測距在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主站系統(tǒng)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程調(diào)取各監(jiān)測終端記錄到的電纜在線監(jiān)測波形數(shù)據(jù)，并自動預(yù)報(bào)電纜故障。通信網(wǎng)絡(luò)直接采用電力調(diào)度SCADA數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。整體組織結(jié)構(gòu)及上位機(jī)機(jī)柜詳情如圖9所示。

圖9 35kV電纜在線監(jiān)測示意圖

4 結(jié)語

通過介紹電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測新技術(shù)，認(rèn)為該技術(shù)具有安全隱患識別、減少故障發(fā)生、故障點(diǎn)診斷等方面的功能，且具有布線方便、效率高、操作方便三個(gè)方面的優(yōu)勢，將其用于電纜故障在線監(jiān)測和診斷中，安全可靠，應(yīng)用價(jià)值高。電纜故障預(yù)警及測距在線監(jiān)測技術(shù)是保障高壓電纜安全可靠運(yùn)行的重要技術(shù)手段之一，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中交聯(lián)聚乙烯電纜水樹枝造成的常見缺陷和隱患。在自動連續(xù)監(jiān)測狀態(tài)下，利用通訊技術(shù)實(shí)時(shí)將電纜危險(xiǎn)征兆提報(bào)給監(jiān)測和檢修人員，而達(dá)到事故之前的計(jì)劃檢修，避免事故擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)損失。