南水北調電纜型故障定位及負荷監測系統的研究

□王卓然 □張亞輝 □張大鵬

（河南省水利勘測設計研究有限公司）

0 引言

南水北調中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路已于2014年9月建成并通電運行，供電線路主要采用架空方式由南向北沿著南水北調中線總干渠敷設，供電線路在進出降壓站和受黃河南段復雜地形地物的影響，在南35kV永久供電線路系統中使用了較多的地埋高壓電力電纜。因電纜存在相間及相對地存在電容，且電纜線路相間及相對地間電容遠遠大于架空線路容易造成短路故障，需要設置一套新型的電纜型故障定位及負荷監測系統，來完成對整個南水北調中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路的維護、檢測。

1 設置監測系統的必要性

南水北調中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路在正常運行條件時，高壓三相電力電纜電容電流會迅速增大，容易超過隔離開關分斷能力，可能引起誤操作，因高壓電力電纜埋設在南水北調總干渠右岸封閉綠化帶內，不利于快速查找、分析故障原因。當35kV永久供電線路系統發生單相接地故障時，接地電弧不易自行熄滅，繼而發展成相間短路，單相接地故障易發生電弧接地過電壓，在一個工頻周波內，健全相過電壓可達3～3.40倍正常相電壓，使整個配電網絡絕緣薄弱的設備放電擊穿，引起設備損壞，造成系統斷電，使整個南水北調中線一期工程黃河南段35kV永久供電線路供電可靠性降低，嚴重影響南水北調中線一期工程的決策調度，故建立一套電纜監測系統勢在必行。

電纜型故障定位及負荷監測系統可安裝在沿南水北調總干渠布設降壓站的環網開關柜、電纜分支箱或箱式變壓器等電力設備中，主要用于監測開關位置狀態、相應電纜區段的短路或接地故障以及電纜溫度異常告警，同時采集線路上的實時負荷電流值及電纜實時溫度值，保障線路的安全、可靠的運行。

2 監測系統功能概述

電纜型故障定位及負荷監測系統是基于配網監測主站，以零序電壓、線電壓、接地暫態電流和線路穩態電流等多個參量為特征值，綜合判斷，排除空載涌流、臨近干擾等影響，實現更準確的故障檢測，使得故障定位的功能更為可信，是建立在故障指示器技術、小無線/GPRS/GSM通信技術、web技術三大技術之上，基于通用的B/S架構方案，具備臺區信息管理與分析，架空及電纜線路故障數據分析和異常事件上報、動態圖形化顯示及故障快速定位，支持客戶已有CAD格式線路圖的直接導入功能，以及日志、查詢、遙控操作、短信服務、系統配置等應用功能。

電纜型故障定位及負荷監測系統采用雙電流互感器技術，供電與采樣分開，電流測量精度控制高，在3%以內，啟動電流<5A采用微功率無線與遙信終端通信，工程實施簡單，使用功耗較低。

3 監測系統設備組成

電纜型故障定位及負荷監測系統主要由電纜型配網監測主站、故障指示器，配網遙信終端等部分組成。

將配網監測主站設備布置在沿南水北調中線總干渠布置的降壓站內，用以監測區間內供電線路的運行情況，配網監測主站設備布置在降壓站的調度控制室內。配網監測主站具備線路故障數據分析和異常事件上報，動態的圖形顯示以及故障快速定位，并支持對故障記錄線路電流及溫度數據的查詢檢索等應用功能。

電纜型故障指示器具備故障監測及上報，線路實時負荷電流測量以及線路電纜溫度測量采集等功能，并支持微功率無線通信，與配網遙信終端進行數據交互。電纜型故障指示器中集成了低功耗MCU，可實時采集相電流、相線溫度，進行電流越限、溫度越限的分析，并將相關電流、溫度、故障信息通過無線通信上傳至通信終端。

配網遙信終端擬安置在南水北調中線總干渠降壓站通訊室的自動化控制柜設備中，采用模塊化以及低功耗的設計，是監測系統的基礎單元，是一個接口界面單元，具有豐富的無線調試功能，可進行信號強度、通信能力、中繼通信等功能調試。配網遙信終端的主要功能用于遙信量的采集電纜線路（短路及接地故障以及溫度異常故障）監測、線路模擬量（電流及溫度數據）采集及監測。

配網遙信終端可以同時監測24路開關節點狀態，并生成相應的遙信變位信息及SOE信息。并通過微功率無線可與線路的帶通信功能故障指示器進行通信，實現對線路故障監測、實時電流負荷及電纜溫度數據的采集。采集到的數據通過光纖或者無線信道上報配網監測主站。

4 監測系統特點

4.1 綜合布線采用無線通信技術

傳統的監控、監測設備的綜合布線一般通過光纖或電氣等有線連接方式，布線及維護困難。南水北調中線一期工程35kV永久供電線路的電纜型故障定位及負荷監測系統，提出采用無線通信方式進行連接，免去在南水北調現場布線和線路改造而帶來的困難。

遠程通信方式為GPRS或以太網，采集通信方式采用微功率無線方式；本地采集通信頻率為505MHz；具有電流采樣高精度的特點。

4.2 低啟動電流供電方式

取電裝置供電能力與35kV永久供電線路電流的大小直接相關，在線路電流較小時，取電裝置供電能力較弱，目前需要供電線路電流>30A才能提供大約3W的供電能力，嚴重限制了此類產品的應用范圍。電纜型故障定位及負荷監測系統可在降低設備功耗的同時，通過雙電源供電方式，提高CT取電裝置供電能力。可將啟動電流控制在13A以內，明顯優于當前國內平均水平。

4.3 獨特供電方式

傳統的監測系統設備零序電流傳感器不具備自供電能力，如果將采樣單元安置在傳感器內部，則需定期更換鋰電池，維護相對困難。擬在南水北調中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路上設置的電纜型故障定位及負荷監測系統將零序電流采樣單元安置在A相電流傳感器中，相電流傳感器可由自身的取電CT供電，具有免維護功能，因此具有靈活的供電方式，支持從CT電流互感器自取電源或通過PT電壓互感器提供電源，以滿足不同的功能需求。

CT自取電方式需要在南水北調中線一期工程35kV永久供電線路的電流>13A的情況下，遠低于傳統監測設備要求的33A，作為終端的可靠供電電源，采用CT自取電供電方式的特點有：

在電源引接過程中無需一次設備改造，可完全兼容現有網絡結構，設備安裝、調試快捷，停電時間較短，設備采用超級電容儲存能量，供電持久耐用，在永久供電線路停電后可持續工作90min以上，解決了終端采用充電電池使用壽命短與電池容量不足的問題。

以PT柜為終端提供可靠電源的主要特點有。

專為配電自動化工程提供可靠電源的一種實用新型專利裝置（專利號：ZL201220279735.9）；采用氧化鋅避雷裝置，具備獨立的柜體防雷性能；采用電子防一次設備帶電誤操作裝置，一、二次設備隔離，安全性高；采用戶外式電壓互感器，容量達1000 VA，供電可靠性高；采用智能溫濕度控制，裝置實現柜內溫濕度、氣流循環動態控制，延長設備使用壽命；可根據現場情況需要，提供DC12V、DC24V、DC48V直流電源端口實現設備接口零轉換。

電纜型故障定位及負荷監測系統采用雙電流互感器技術，在應用雙電流互感器技術后，可將電流測量精度控制在3%以內，啟動電流<5A，領先于當前國內水平。在設備運行中可在一次設備不停電的情況下，對安裝在環網柜或開關站內的故障指示器通過無線掌機進行檢修和維護，縮短整個南水北調供電系統的維護時間。

5 結語

電纜型故障定位及負荷監測系統基于微功率無線組網技術的配網監測與故障定位系統，綜合配電線路的智能監測需求，采集信息全面，故障檢測與定位準確，并可有效節省投資，降低運行維護成本。

據統計，單相接地故障占所有故障的70%以上，該故障的檢測在我國配網系統中一直比較困難，特別是在長距離輸電線路中。為了滿足南水北調中線工程供電系統的需求，建立一套電纜型故障定位及負荷監測系統，對整個南水北調中線一期工程寶豐郟縣段35kV永久供電線路的電纜運行情況進行實時監測是必要的。

［1］劉學軍.繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，2007.

［2］谷水清主編.電力系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.

［3］馬福.雷擊變電所地電位干擾及防護措施研究[D].長沙：長沙理工大學，2009.