廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門鶴山供電局 陳 黠 陳興堯 鄧俊超 馮國(guó)全 鐘玉城

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，地下配電電纜逐漸成了城市中的主要輸電方式之一。然而，由于地下電纜安裝在復(fù)雜的環(huán)境中，存在著被擠壓、損壞或老化等多種因素導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)。為確保電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，及時(shí)預(yù)警和處理地下電纜故障已成為電力工程師們必須解決的問題之一[1]。本文將以10kV地下配電電纜與接頭故障預(yù)警探索及裝置研究為題，從預(yù)警方法、解決方案等多個(gè)方面進(jìn)行探討。

1 10kV地下電纜監(jiān)測(cè)優(yōu)化方案探討

1.1 地下配電電纜故障的原因

電纜故障的主要原因有以下三種原因：一是電纜老化。地下電纜使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)過多年的使用，電纜的絕緣層和護(hù)套會(huì)出現(xiàn)老化，導(dǎo)致電纜故障。二是電纜接頭不良。地下電纜接頭不良會(huì)導(dǎo)致電纜出現(xiàn)溫升，增加電纜故障的風(fēng)險(xiǎn)。三是線路施工不當(dāng)。線路施工中，如果對(duì)地下電纜的絕緣層和護(hù)套造成損傷，會(huì)導(dǎo)致電纜故障。以上三種原因是導(dǎo)致地下配電電纜故障的主要原因。其中，電纜中間接頭用于電纜的連接，且是電纜的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)對(duì)故障統(tǒng)計(jì)分析，中間接頭故障導(dǎo)致的電纜故障占電纜總故障70%。

而配電電纜通常采用淺溝、排管甚至直埋等方式鋪設(shè)，巡視難度大，無(wú)法掌握電纜的運(yùn)行狀態(tài)；配電電纜現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，導(dǎo)致故障點(diǎn)精確定位，需要大量的時(shí)間和人力物力；目前主城區(qū)通道資源有限，大量電纜同溝鋪設(shè)，高壓電纜及接頭因?yàn)槭┕すに噯栴}，或達(dá)到一定年限以后，常會(huì)發(fā)生絕緣被擊穿而造成事故，一旦著火會(huì)造成多根同溝電纜燒毀，引起大范圍停電事故，從而可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

為確保電力網(wǎng)絡(luò)的安全，國(guó)內(nèi)外專家研究了一些技術(shù)手段對(duì)地下配電電纜與接頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。目前，常見的地下配電電纜故障預(yù)警方法主要包括以下幾點(diǎn)。

一是紅外熱像法[2]：通過紅外熱像儀對(duì)地下電纜的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦電纜發(fā)生故障，溫度就會(huì)出現(xiàn)異常，從而及時(shí)預(yù)警。二是聲波法：通過傳感器監(jiān)測(cè)地下電纜發(fā)出的聲波信號(hào)，一旦電纜出現(xiàn)故障，聲波信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化，從而及時(shí)預(yù)警。三是放電法：通過對(duì)地下電纜放電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦電纜發(fā)生局部放電，就會(huì)產(chǎn)生放電信號(hào)，從而及時(shí)預(yù)警。以上三種方法中，放電法即對(duì)高壓電纜進(jìn)行局部放電的在線監(jiān)測(cè)是目前公認(rèn)的有效預(yù)防電纜故障的方法。

本文針對(duì)以上配電電纜與接頭存在的實(shí)際問題，提出了一個(gè)高壓電纜綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-5]。通過對(duì)電纜局放與電纜周邊運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可在重大電纜事故發(fā)生前的數(shù)周至數(shù)十周的時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)出告警信息，防止故障的發(fā)生。

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備的放置

高頻信號(hào)在向兩端傳播過程中，由于電纜的物理特性，相對(duì)于低頻成分，其高頻成分會(huì)衰減的更厲害。地下電纜的高頻信號(hào)衰減常數(shù)，決定了高頻信號(hào)如何衰減，為了有效監(jiān)測(cè)局放信號(hào)，監(jiān)測(cè)設(shè)備與局放信號(hào)源的距離不能過大。如圖1所示是一個(gè)典型的地下電纜總衰減常數(shù)與電纜各個(gè)部分對(duì)總衰減常數(shù)貢獻(xiàn)圖，從圖中可以看出電纜總衰減常數(shù)隨著信號(hào)頻率變大而變大。實(shí)際中，不同電纜的結(jié)構(gòu)與材料差別比較大，從而導(dǎo)致高頻局放信號(hào)在傳輸中的高頻衰減常數(shù)并不相同，相差甚至比較大。

圖1 地下電纜總衰減常數(shù)與電纜各個(gè)部分衰減系數(shù)圖

兩個(gè)局放波到達(dá)高頻采樣設(shè)備之間的時(shí)間差Δt，與距離的關(guān)系如圖2所示。圖中L2為局放設(shè)備與變電站的距離；v為局放信號(hào)傳播速度；x為高頻采樣設(shè)備與局放源的距離。從而可以推導(dǎo)出x=2L2-vxΔt。

圖2 電纜局放信號(hào)傳播與高頻監(jiān)測(cè)設(shè)備采集

由于局放傳播速度快，要精確地測(cè)量局放源頭，時(shí)間差Δt測(cè)量要求準(zhǔn)確。而時(shí)間差的測(cè)量與高頻采樣波形捕獲緊密相關(guān)。如圖2所示，精確測(cè)量時(shí)間差的關(guān)鍵為：一是設(shè)備采樣頻率要足夠高，這樣才能準(zhǔn)確記錄波形；二是局放波本身要特征明顯，這樣才能準(zhǔn)確判定波形的時(shí)間差。圖2中，局放波本身脈沖寬度較大，脈沖起始點(diǎn)與脈沖峰值就很難準(zhǔn)確判定，從而導(dǎo)致很難準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間差。為了準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間差，根據(jù)圖2和其他文獻(xiàn)，有效監(jiān)測(cè)局放信號(hào)，監(jiān)測(cè)設(shè)備與地下電纜局放信號(hào)源距離一般應(yīng)小于3km，也即一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備可監(jiān)測(cè)鄰近2～3km范圍內(nèi)電纜局放狀況。如圖2所示，如將監(jiān)測(cè)設(shè)備，每隔2km，放置于電纜處，理論上則可監(jiān)測(cè)設(shè)備左右4km范圍內(nèi)的局放信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該段電纜絕緣故障水平有效監(jiān)控。

當(dāng)局放信號(hào)從問題點(diǎn)產(chǎn)生后，其沿著電纜向兩端傳播。如圖2所示，在放置一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的情況下，當(dāng)局放信號(hào)向左傳播時(shí)，在t1時(shí)刻，高頻采樣裝置會(huì)捕獲到第一個(gè)局放波形，此為局放波Ⅰ。從局放源向右傳播的局放波，在到達(dá)變電站2后，會(huì)反射，向左傳播，并在t2時(shí)刻到達(dá)高頻采樣裝置，并被捕獲，此為局放波Ⅱ。

1.3 局放監(jiān)測(cè)設(shè)備

局部放電由于脈沖時(shí)間較短，放電信號(hào)的頻率范圍可從直流跨越到幾千兆赫，高頻脈沖信號(hào)在電纜中傳輸時(shí)，其高頻成分很快衰減，但仍然在兆極。為了有效地監(jiān)測(cè)到局放信號(hào)，需要高頻采樣（一般大于50MHz）。因?yàn)橐杉哳l信號(hào)，對(duì)于采樣設(shè)備，需要精心處理（如圖3所示）。

圖3 高頻采樣監(jiān)測(cè)裝置實(shí)物

在設(shè)計(jì)局放監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，需要注意一些技術(shù)細(xì)節(jié)，比如選擇合適的頻段：局放信號(hào)通常包含一系列頻率成分，因此設(shè)備應(yīng)能夠在廣泛的頻段內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選擇適當(dāng)?shù)念l段可確保能夠捕捉到故障產(chǎn)生的局放信號(hào)。而高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)計(jì)也較為關(guān)鍵。局放信號(hào)通常比較微弱，因此設(shè)備需要具備高靈敏度，能夠檢測(cè)到低幅值的局放信號(hào)。

同時(shí)，由于局放信號(hào)的幅值可能在不同故障情況下有較大差異，設(shè)備還應(yīng)具備寬動(dòng)態(tài)范圍，以保證在不同故障條件下都能夠準(zhǔn)確測(cè)量。由于現(xiàn)場(chǎng)干擾大，局放監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠有效地抑制來自外部環(huán)境的干擾信號(hào)，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。而由于局放信號(hào)通常具有快速變化的特點(diǎn)，因此設(shè)備需要具備快速的采樣和處理能力，以捕捉和分析局放信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化。

目前，主流監(jiān)測(cè)設(shè)備都具備多通道監(jiān)測(cè)能力。為了全面監(jiān)測(cè)電纜系統(tǒng)中的局放情況，設(shè)備應(yīng)具備多通道監(jiān)測(cè)能力，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)接頭或區(qū)域，以提供更全面的故障信息。為了防止停電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，局放設(shè)備一般也具有數(shù)據(jù)記錄和初步分析功能。如此以幫助工程師進(jìn)行故障診斷和評(píng)估，為維護(hù)決策提供支持。

出于對(duì)安全性和可靠性考慮，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮設(shè)備的安全性和可靠性，包括電氣隔離、防護(hù)措施、抗干擾設(shè)計(jì)等，以確保設(shè)備在工作環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行和使用安全。

該高頻采樣裝置的系統(tǒng)，高頻CT輸出高頻局放信號(hào)到前端處理電路。前端處理電路的濾波器將噪波濾去，再輸出到高頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。ADC的輸出通過FPGA讀取，處理后，經(jīng)過WI-FI傳送到現(xiàn)場(chǎng)人員使用的電腦上，經(jīng)專業(yè)軟件處理，即可得出監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)控電纜的絕緣狀態(tài)。而且采用大容量存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)完整可靠。設(shè)備封裝采用IP65設(shè)計(jì)，可以在野外惡劣條件下運(yùn)行。

2 初步結(jié)果與討論

監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)試所錄的高頻波如圖4所示。

圖4 測(cè)試結(jié)果

從圖4可以看出，系統(tǒng)可以高頻采樣暫態(tài)信號(hào)，并將所錄波形上傳到上位機(jī)上進(jìn)行處理。設(shè)備目前已安裝投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集所得數(shù)據(jù)在分析驗(yàn)證當(dāng)中。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)10kV地下配電電纜與接頭故障預(yù)警進(jìn)行了探索。通過分析電纜與接頭的故障原因和特點(diǎn)，提出了一種基于預(yù)警技術(shù)的解決方案。該方案結(jié)合了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)以及故障診斷算法，通過對(duì)電纜局放參數(shù)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并通過故障診斷算法進(jìn)行故障類型的判斷和定位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下配電電纜與接頭的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警。

本方案的實(shí)施可有效減少電力系統(tǒng)的故障停電時(shí)間，提高供電的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，可以減少維修和檢修的成本和工作量，這對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)維和管理具有重要意義。未來，將進(jìn)一步研究和改進(jìn)這一方案，探索更加先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和故障診斷算法，提高電力系統(tǒng)的故障預(yù)警能力，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的支持。