國網(wǎng)江蘇省電力有限公司技能培訓(xùn)中心 王德海 傅洪全 陳曦 郭玉威 黃澤華

1 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在地區(qū)電網(wǎng)中電纜線路的使用占比越來越高，其中交聯(lián)聚乙烯電纜憑借良好的電氣性能以及在生產(chǎn)、運(yùn)輸、運(yùn)行、維護(hù)等方面的便捷優(yōu)勢，獲得愈加廣泛的應(yīng)用。為了保證高壓電纜的可靠運(yùn)行，有些電纜運(yùn)行現(xiàn)場使用在線故障定位技術(shù)[1]，用于電纜缺陷監(jiān)測和故障測距，并且對(duì)于故障預(yù)警和故障精準(zhǔn)定位可以提供有力支撐，從而提高電力生產(chǎn)效能[2-3]。交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣耐壓試驗(yàn)是電纜出廠、電纜交接和預(yù)防性試驗(yàn)的常規(guī)項(xiàng)目。一般圍繞交聯(lián)聚乙烯電纜本身的材料特性以及運(yùn)行電場環(huán)境，搭建對(duì)應(yīng)的測試系統(tǒng)進(jìn)行絕緣耐壓測試。在電纜測試過程中，可以配置電纜測試儀器排除電纜潛伏性故障隱患，為產(chǎn)品順利出廠和現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行提供進(jìn)一步的有效保障。

2 電纜耐壓試驗(yàn)實(shí)例

國內(nèi)某單位曾對(duì)一條35kV 交聯(lián)聚乙烯電纜進(jìn)行絕緣耐壓測試，電纜出現(xiàn)擊穿故障。在現(xiàn)場測試時(shí)同時(shí)配置分布式缺陷探測裝置，使用行波技術(shù)進(jìn)行輔助監(jiān)測，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場情況定點(diǎn)采用分布式傳感器嵌入時(shí)間同步技術(shù)，可以對(duì)采錄數(shù)據(jù)作綜合多端關(guān)聯(lián)性分析。通過對(duì)缺陷探測裝置記錄下的成組故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，確定了準(zhǔn)確的電纜故障位置，經(jīng)過查找，電纜故障位置和故障測距分析結(jié)果一致。此次電纜故障記錄的數(shù)據(jù)特征較為全面，可以為后續(xù)交聯(lián)聚乙烯電纜故障數(shù)據(jù)的特征分析提供很好的借鑒。

案例中測試的電纜為35kV 三芯交聯(lián)聚乙烯電纜，型號(hào)為HYJQF41-F26/35kV，共兩段，兩段間經(jīng)電纜中間件連接。電纜一段長度約為7.38km，電纜二段為1.07km，電纜全長約為8.45km。工作人員使用數(shù)字兆歐表對(duì)電纜三相對(duì)地分別進(jìn)行絕緣電阻測量，測量結(jié)果正常，選擇電纜一段的始端逐相接入高壓測試電源，測量相遠(yuǎn)端開路，電纜外護(hù)鎧接地，設(shè)置現(xiàn)場圍欄等防護(hù)措施。開始進(jìn)行升壓測試，升壓測試過程中電纜某一相出現(xiàn)擊穿故障，探測裝置捕捉到的故障數(shù)據(jù)。

2.1 從時(shí)間維度展開波形分析

2.1.1 波形簇中第Ⅰ類脈沖成組分析

遠(yuǎn)程召喚探測裝置采集的數(shù)據(jù)并提取多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將記錄數(shù)據(jù)組分別匹配帶通數(shù)字濾波器適用故障特征頻域，進(jìn)行濾波處理。第一組探測數(shù)據(jù)處理后，故障波形分析如圖1所示。由圖1a可知，采錄的數(shù)據(jù)波形中高頻特征豐富，相關(guān)脈沖信號(hào)周期性特征明顯。為了便于分析，將圖1a中所標(biāo)示的具有明顯反向周期性的關(guān)聯(lián)脈沖稱為第Ⅰ類脈沖。以時(shí)間維度坐標(biāo)將圖中波形數(shù)據(jù)基于時(shí)域展開，根據(jù)波形圖中關(guān)聯(lián)脈沖間隔進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定，如圖1b所示，標(biāo)定的時(shí)間間隔t1為84.82μs，t2為84.83μs、t3為84.85μs。

圖1 故障波形示意圖一

將數(shù)據(jù)中后續(xù)的相關(guān)脈沖依次展開，其信號(hào)連續(xù)變化的時(shí)間周期性特征一致。從圖1中可以看出，經(jīng)過三個(gè)周期后，關(guān)聯(lián)脈沖波形的幅值出現(xiàn)一定衰減，但脈沖反極性變化的周期性特征依舊明顯。選取其他的兩組記錄數(shù)據(jù)，依次濾波，并進(jìn)行相應(yīng)第Ⅰ類脈沖信號(hào)的時(shí)間標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)間間隔一致，信號(hào)變化的奇異點(diǎn)周期性特征一致，第Ⅰ類脈沖時(shí)間周期值如表1所示。

表1 第Ⅰ類脈沖時(shí)間周期值（單位：μs）

2.1.2 波形簇中第Ⅱ類脈沖關(guān)聯(lián)分析

對(duì)多組數(shù)據(jù)波形進(jìn)行觀察，圖1a中脈沖幅值較小的部分具有周期性特征。為便于分析，如故障波形分析圖2a所示脈沖簇稱為第Ⅱ類脈沖，將記錄數(shù)據(jù)繼續(xù)沿時(shí)間軸展開分析，分別標(biāo)定脈沖關(guān)聯(lián)的信號(hào)間隔周期。將所召取多組數(shù)據(jù)依次進(jìn)行周期標(biāo)定，結(jié)果如圖2所示。

圖2 故障波形示意圖二

第Ⅱ類脈沖時(shí)間周期值如表2所示。從表2可以看出，多組數(shù)據(jù)中Ⅱ類脈沖信號(hào)變化的奇異點(diǎn)周期性特征一致。

表2 第Ⅱ類脈沖時(shí)間周期值（單位：μs）

2.1.3 波形簇中第Ⅰ類脈沖、第Ⅱ類脈沖匯總分析

獲取現(xiàn)場電纜波速度，將兩類脈沖特征作匯總分析?，F(xiàn)場經(jīng)過測量校核，該測試電纜波速度為174m/μs，按表1、表2所標(biāo)定時(shí)間值進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用距離計(jì)算公式，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。通過對(duì)分列記錄波形中不同的相關(guān)脈沖進(jìn)行分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，特征距離計(jì)算結(jié)果一致，且均指向兩端電纜中間連接位置，兩類脈沖均以時(shí)間維度計(jì)算后，其故障長度計(jì)算結(jié)果吻合。

表3 第Ⅰ類脈沖相關(guān)距離計(jì)算值

表4 第Ⅱ類脈沖相關(guān)距離計(jì)算值

2.2 從波形故障特征作關(guān)聯(lián)分析

利用疊加原理理論，電纜線路運(yùn)行過程中出現(xiàn)接地故障相當(dāng)于在接地點(diǎn)瞬時(shí)加入了虛擬的故障電源，此電源與故障前電纜線路承載的穩(wěn)態(tài)激勵(lì)電源極性相反，幅值相等。故障電源和故障點(diǎn)兩端的電纜線路構(gòu)成了基于故障分量的傳輸網(wǎng)絡(luò)，由故障點(diǎn)和電纜線路兩邊的端點(diǎn)構(gòu)成了兩段故障分量傳輸區(qū)段。

初始時(shí)刻背向而行的故障分量在各自傳輸區(qū)段內(nèi)呈現(xiàn)往返傳播的末端特性，考慮實(shí)際故障點(diǎn)的接地電阻阻抗特性并不能構(gòu)成兩段完全的封閉區(qū)段。各自傳播的故障分量在故障點(diǎn)反射的同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)故障分量的透射，透射后的故障分量疊加到對(duì)端區(qū)段內(nèi)的傳播過程之中，這樣在一端傳播過程中顯現(xiàn)出另一段傳輸區(qū)段內(nèi)的故障分量傳輸過程特征。

此次交聯(lián)聚乙烯電纜故障采集到的數(shù)組波形中，以第Ⅰ類脈沖中的第一個(gè)脈沖極性作為參考，后續(xù)的第二個(gè)脈沖極性與之比較呈現(xiàn)反極性，第三個(gè)脈沖極性和初始脈沖極性相同，依序展開來看，第Ⅰ脈沖中的能量幅值呈階梯狀疊加變化，極性呈正反交替變化，其周期性特征符合電纜線路低阻故障的特征。

同樣以第Ⅰ類脈沖組中的第一個(gè)脈沖極性作為參考，第Ⅱ類脈沖中第一個(gè)脈沖極性為同極性，第二個(gè)脈沖極性為反極性，依序展開，后續(xù)脈沖亦呈現(xiàn)反向周期性變化特征，脈沖變化的幅值更小，結(jié)合脈沖的幅值、極性可以判識(shí)第Ⅱ類脈沖中的脈沖信號(hào)為故障信號(hào)由電纜故障擊穿點(diǎn)傳至電纜兩段末端的反射脈沖簇。以時(shí)間為序，以故障脈沖傳播網(wǎng)格圖作為標(biāo)識(shí)，網(wǎng)格圖中電纜一段的脈沖及極性標(biāo)識(shí)和裝置記錄數(shù)據(jù)中脈沖組一致，由此可以確認(rèn)發(fā)生電纜出現(xiàn)故障的確切位置。

從脈沖相關(guān)性角度分析，第Ⅰ類脈沖的初始脈沖和后續(xù)脈沖具有明顯的相關(guān)特征，其能量幅值呈現(xiàn)周期性衰減。提取采樣后的記錄數(shù)值，取其信號(hào)極值，計(jì)算信號(hào)標(biāo)幺值。相應(yīng)得到的電纜故障脈沖信號(hào)的衰減周期特性曲線，在脈沖信號(hào)的傳播過程中可以看出，脈沖信號(hào)后續(xù)出現(xiàn)了頻散。

經(jīng)過綜合分析可以看出，此次35kV 高壓電纜出現(xiàn)擊穿故障后，產(chǎn)生的故障分量在沿線路傳播過程中受到電纜本體、故障點(diǎn)等故障后系統(tǒng)內(nèi)各參與因素的電氣特性的約束，呈現(xiàn)出有限的暫態(tài)過程。利用缺陷裝置記錄下的故障分量的傳播過程，可以標(biāo)定出明顯的故障信號(hào)的辨識(shí)特征。通過關(guān)聯(lián)性分析，可以得到明確的電纜故障位置，從而為高壓電纜本體的缺陷分析以及電纜在運(yùn)行或試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障定位查找等提供極為有力的現(xiàn)場支撐。

3 結(jié)語

此次35kV 交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣耐壓測試過程中通過電纜缺陷監(jiān)測裝置記錄的故障擊穿數(shù)據(jù)，包含了電纜出現(xiàn)故障后的電氣量變化過程，通過對(duì)數(shù)據(jù)特征分析準(zhǔn)確判定了電纜故障位置。通過此次耐壓測試發(fā)現(xiàn)，在電纜試驗(yàn)、運(yùn)行檢驗(yàn)等諸多現(xiàn)場，可針對(duì)性地配置相應(yīng)的電纜缺陷（故障）探測設(shè)備對(duì)電纜進(jìn)行輔助性監(jiān)測，為電纜試驗(yàn)、運(yùn)行檢驗(yàn)等過程提供必要的保障，為故障特征深入研究具有典型的指導(dǎo)意義。