高壓充油電纜漏油故障定位方法應用及探討

黃小衛， 臧源源， 王和喜

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

高壓充油電纜漏油故障定位方法應用及探討

黃小衛， 臧源源， 王和喜

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

高壓充油電纜因其電氣性能穩定而廣泛應用于輸配電領域，但卻容易受外力破壞或者其它原因導致滲油漏油。對可能用于充油電纜漏油故障定位的幾種方法進行了分析，探討了其適用范圍和各自的優缺點，并進行了改進，拓展了適用范圍。對充油電纜發生漏油故障時，壓力降與流量的變化關系進行了分析，提出了壓力-流量比例的方法，將統計學觀念應用于漏油故障定位，以提高定位精度。此外，還對負壓波在充油電纜漏油故障定位中應用的可行性進行了探討。

充油電纜；漏油；油壓；流量；故障定位

0 引 言

充油電纜是利用補充浸漬原理來消除絕緣層中形成的氣隙，以此提高電纜工作場強［1］。由于其可靠性高、維護工作量少、電纜及附件通用率高、適用電壓等級高等優點［2］，從1924年意大利安裝的第一條充油電纜開始［3］，它就廣泛應用于高電壓長距離的輸電領域。1983年投運的加拿大本土與溫哥華島跨海聯網工程采用的就是39 km（兩段，分別長30 km、9 km）500 kV充油電纜［4］；2009年6月30日投運的海南聯網工程使用的也是31 km 500 kV充油電纜［5］；2012年開始規劃建設的英國Western Link英格蘭—蘇格蘭聯網工程采用的海底電纜，其電壓等級600 kV，長度420 km，電纜類型仍然是充油。可見充油電纜還將在輸電系統中繼續得以廣泛運行。

充油電纜電氣性能穩定，其自身電氣擊穿的幾率非常小，因此更多的故障是由于外力破壞或者施工工藝的差異導致電纜出現漏油。對于海底電纜來說，出現的故障更高達90％以上是由于外力破壞所導致的［6］。充油電纜一旦出現此類故障，將會向外排油，以防止外部潮氣、水分等侵入電纜內部，造成電纜的損傷。充油電纜的供油系統一般都安裝有流量、壓力監測裝置，因此完全可以利用電纜向外排油時檢測到的壓力、流量等相關信息，對漏油點進行定位。

1 凍結法漏油點測尋

用凍結法進行充油電纜漏油點故障測尋的原理如圖1所示，圖中X點為漏油點，泄漏點查找過程中需要測量觀察電纜兩端油壓。故障定位時首先用液氮或液態空氣冷凍A點絕緣油［7］，若圖中壓力表示數P1不變，P2下降，則漏油點X在A點右側；然后在A點左側尋找B點，用同樣的方法在故障電纜右端B點進行冷凍，若P1下降，P2不變，則漏油點在AB之間。在AB之間反復尋找冷點進行測尋，縮短故障點的范圍，直到找到故障點。

圖1　兩端供油充油電纜凍結法原理

若充油電纜為一端供油，需將完好的電纜與發生泄漏的電纜油通道在一端連接起來［7］，如圖2所示，然后采取上述方法進行故障測尋。

圖2　一端供油充油電纜凍結法原理圖

用凍結法進行漏油點定位的方法可以查找到輕微的滲漏油故障，但是此種方法需要反復進行測尋，花費時間較長；對于水底或者海底充油電纜，冷凍則不易實現，而且水底或者海底充油電纜故障后需要向外排油，不宜將一端與供油系統進行隔離；另外電纜一般敷設于地下，反復測量過程中也需要反復開挖，電纜越長，工作量越大。因此，冷凍法進行漏油故障點的定位適合于陸上距離不太長的充油電纜。

2 流量法漏油點測尋

2.1流量法泄漏定位的原理

傳統的流量法需要電纜兩端壓力相同，用流量法進行漏油故障點定位時，需要將故障電纜與完好電纜的另一端連接起來［8］，如圖3所示，其中C相X點發生漏油，L為單相電纜長度。按照流體力學的相關理論，長管道的壓力降為管道體積流量與流阻之積，如圖3所示，從B相電纜首端到漏油點與從C相首端到漏油點壓力降是相等的，圖中流阻與距離是成正比的［9-10］，則可以得到

圖3　流量法漏油故障定位示意圖

式中，QC、QB分別為C相和B相電纜油道中的體積流量，由安裝在供油系統入口處的流量計測出。

則可以計算得出漏油故障點據C相首端的距離為：

為消除環境溫度等因素造成的干擾，常采取的措施是在式（1）中B、C兩相的流量同時減去正常相A相的流量，得到校正后的漏油點距離為：

2.2流量法泄漏故障定位的改進

上述流量法泄漏定位只適用于一端供油的充油電纜，而且當電纜斷成兩節時，該方法也不適用；對于兩端供油的系統，由于電纜兩端壓力不相同，則同樣無法實現。

實際上絕緣油在電纜油道中流動時，屬于流體力學中的層流范疇［9］，其體積流量、壓力滿足哈根-泊肅葉定律，即

式中：Q為管道中的體積流量；ΔP為壓力降；μ為流體的粘滯系數；r為管道半徑；L為管道長度。若令

則R即為前面提到的流阻，它與管道長度成正比。

由式（4）可知，電纜內部絕緣油及油道的參數均為已知量，若能夠測量或計算出流量與壓力降，即可得出漏油點到電纜首末端的距離。

對于兩端供油的系統，若電纜兩端均裝有壓力表和流量計，如圖4所示，電纜兩端測量得到的壓力、流量分別為P1、Q1，P2、Q2，設漏油點壓力為Px，從電纜兩端到漏油點分別使用哈根-泊肅葉定律得

解式（6）、式（7）組成的方程組可得到故障點距電纜首端距離為：

圖4　流量法故障定位的改進

傳統的流量法進行泄漏點定位，只需測量兩端的流量即可，但是該種方法只適用于一端供油的且電纜未發生斷裂的情況。進行改進后，需要測量兩端的流量、壓力共四個數值，一定程度上會使誤差增大，但是該種方法能夠應用于兩端供油的系統；而且當電纜斷裂時，兩端分別排油，該方法也能檢測出斷裂點的位置，因水底或者海底的充油電纜，發生故障或者斷裂時需要向外排油，該方法具有較大優勢，但是由于其精度問題，此種方法只能作為故障定位的初步手段，得到故障點的大致位置，然后采取更為準確的故障定位方法。

3 壓力-流量比例法泄漏定位

上述流量法依據單次測量數據，計算得到故障點的位置，當其他原因導致某一測量數據出現誤差時將直接影響故障定位的結果。壓力-流量比例法就是采用統計學的方法，測量多組壓力、流速（體積流量），依據其關系推導出故障點的位置。

壓力-流量比例法原理如圖5所示，設漏油點距電纜兩端A、B距離分別為χ1、χ2，當從一端供油時，流量穩定后，故障點與電纜另一端的壓力是相等的。泄漏定位時，先從A端供油，當流量Q1穩定后，AB兩端壓力差P1-P2也即AX之間的壓力差，此時依據式（4）也即哈根-泊肅葉定律可得：

圖5　壓力-流量比例法示意圖

可見，AB兩端壓力差與漏油的流量成正比，比例系數直接與故障點到A端的距離有關。改變供油端的壓力P1，記錄多組數據P1-P2及Q1，在坐標軸中描繪出數據點，應近似在一條直線上，如圖6a，求出該直線的斜率k1。

圖6　壓力差與流量關系示意圖

用同樣的方法，在B端供油，當流量穩定后，可得到：

改變壓力P2，記錄多組數據，在坐標軸中描繪出數據點，如圖6b，求出該直線的斜率k2。

依據式（9）、式（10）可知，k1、k2分別只與χ1、χ2相關，且可得出：

則可計算得出漏油故障點距A、B兩端距離分別為：

用壓力-流量比例法對漏油故障點進行定位，需要采集多次測量的數據，在坐標系中描點，作出擬合直線，此種方法是實驗研究中的常用方法，可以大大減少誤差，而且當某一組數據明顯發生偏離時，可以認為是測量錯誤，直接舍棄，避免對故障定位精確度產生影響。上述雖然說明針對的是兩端供油的充油電纜，但是對于一端供油的系統，可以采取臨時供油箱的方式，進行電纜另一端數據的測量，也可實現漏油點的定位。遺憾的是該種方法只能適用于電纜未發生截斷的情況；另外由于故障定位過程中需要另外一端停止供油，對于水底或者海底的充油電纜，出現故障后需要兩邊同時向外排油，該方法也不太適用。

4 負壓波法泄漏定位

當充油電纜發生泄漏時，由于油道內外的壓差，漏油處立即產生因流體物質損失而引起的局部液體密度減小，出現瞬時壓力降低，這個瞬時的壓力下降作用在流體介質上，就作為減壓波源通過管線和流體介質向泄漏點的上下游以聲速傳播［11］。這種現象依次向泄漏區上下游擴散，相當于在泄漏點處產生了以一定波速傳播的負壓力波［12］。設置在充油電纜兩端或泵站兩端的傳感器拾取壓力波信號，根據泄漏產生的負壓波傳播到上下游的時間差和油道內壓力波的傳播速度，即可定位到故障漏油點的具體位置。

負壓波法進行漏油點定位的原理如圖7所示，漏油點為X，設其距充油電纜首端A距離為χ，兩端裝設壓力傳感器，記錄A、B兩端壓力發生突變的時間T1、T2，兩端裝設GPS時鐘以確保兩端時間同步，則負壓波到達AB兩端的時間差為Δt=T1-T2，若負壓波的波速為υ，則

可以計算出：

圖7　負壓波法漏油點故障定位

負壓波的傳播速度υ大致等于聲波在管輸流體內的傳播速度，一般會達到1 000～1 200 m/s［12］，其大小取決于油道內絕緣油液體的彈性、密度以及油管道的彈性等［13］，由下式計算得出［14］：

式中：K為絕緣液體的體積彈性系數；ρ為絕緣液體的密度；E為油管道的彈性模量；D為油道的直徑；e為管壁厚度；C1為與管道約束條件有關的修正系數。這些參數均為絕緣油液體及油管道的具體物理參數，查詢對應的材料手冊，即可查出具體數值，因此，測量出了負壓波到達電纜兩端的時間差，即可對漏油故障點進行定位。

負壓波泄漏定位法雖然目前尚未在充油電纜故障定位中得到應用，但是它在自來水管道、陸地及海底輸油管道泄漏定位中均得到了應用。當海纜遭受破壞而出現滲漏油時，壓力曲線將會有一明顯的突變，此時讀取兩邊壓力曲線突變的時間，兩者相減即為負壓波到達兩端油泵站的時間差，依據絕緣油和海纜本體的相關參數，即可計算出漏油點的距離。

采用負壓波法進行充油電纜漏油故障定位，其負壓波類似于行波測距中傳輸的行波，只要充油電纜兩端采用的傳感器精度較高，故障定位的精度也能大大提高。值得注意的是，在供油系統中閥門的關閉、電纜負荷變化時也可能導致負壓波的產生，使兩端壓力產生突變，在海底輸油管道中，過濾此類誤差采取的方法是對提取的負壓波信號進行小波變換；小波變換能夠對信號進行時間和尺度的放大，能夠有效地檢測出信號的奇異性［15］，從而識別出電纜故障漏油時的負壓波信號。

事實上，在充油電纜中通過對壓力、流量的綜合分析判斷，即可得出電纜是否遭到破壞。圖8所示即為海南聯網系統500 kV海底充油電纜兩端的油泵站對海底電纜是否遭受外力破壞啟動緊急油流模式的監控示意圖。當海纜出現滲漏油時，系統通過檢測到的壓力流量信息判斷出海纜遭受破壞，負壓波傳到兩側油泵站，則對應電纜的緊急油流模式告警燈（圖中Rescue operation active）將常亮，系統將立即啟動緊急油流模式向外排油。圖9所示是海南聯網系統500kV海底充油電纜兩端油泵站系統監測到的油流油壓等相關信號，其中就有油壓隨時間變化的波形圖，此圖是海底電纜在穩定運行時的狀況，因此，壓力隨時間變化的波形圖是一條直線。可見，在充油電纜中，對負壓波的識別還是較容易實現的，但是目前缺少試驗及工程應用的驗證。

負壓波泄漏定位不僅可以對充油電纜滲漏油故障進行定位，當電纜斷裂成兩截時，同樣可以進行判斷。對于水底或者海底的充油電纜，需要向外排油，負壓波傳到電纜兩端的同時，供油系統也立即可以判斷出故障，而啟動緊急排油程序，可見負壓波故障定位方法不會妨礙到水底或者海底充油電纜的緊急排油。但是需要指出的是，對于水底或者海底充油電纜，受外界水壓的影響，當泄漏量較小時，壓力變化將不足以達到兩端供油系統壓力告警的限值，此時可能會無法檢測到負壓波信號。

圖8　海南聯網系統油泵站緊急油流模式監控示意圖

圖9　海南聯網海底電纜油壓波形圖

5 結束語

當充油電纜發生故障時，可以通過檢測其供油系統兩端的壓力、流量等相關數據，直接檢測到漏油點實現故障定位。本文所述幾種方法各有利弊，在實際操作過程中可以綜合考慮，進行故障定位，如流量法因數據單薄容易產生誤差，可以采用該方法先進行初步故障定位，將大致漏油位置確定，然后采用冷凍法，進一步縮小故障檢測范圍。壓力-流量比例法采用統計學的方法，誤差較小，可以對陸地充油電纜進行較為準確的故障定位。負壓波法雖然目前未見其應用于充油電纜，但是該方法精度可靠，操作簡單，還可以實現在線故障定位，目前已在海底輸油管道中有所應用，經過分析，理論上是能夠應用于陸上、水底甚至海底充油電纜的故障定位的，但是目前缺少試驗驗證及工程應用的實例。

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The Discussion and Application on the Method of the Fault Location for the Leakage of the High-Voltage Oil-Filled Cables

HUANG Xiao-wei，ZANG Yuan-yuan，WANG He-xi
（Guangzhou Bureau，EHV，China Southern Power Grid，Guangzhou 510405，China）

The high-voltage oil-filled cables are widely used in the field of the power transmission and distribution，with the stable electrical properties。However，they are easy to be damaged by external force，which could results in a leakage.The possible methods that can be used for the leakage location for the oil-filled cable is analyzed in this paper.Moreover，we have discussed the range of application，both the merit and demerit for each method，and some improving advices for this methods are put forward so as to expand the range of application.The relationship between the pressure drop and the flow is also analyzed，and a new method，pressure-flow ratio is proposed，which apples the statistics concept to the leakage fault location so as to improve the accuracy.Besides，the feasibility of the negative pressure wave used for the fault location for the leakage is also discussed in this paper.

oil-filled cable；leakage；oil pressure；flow；fault location

TM247.3

A

1672-6901（2015）06-0036-05

2015-02-12

黃小衛（1985-），男，助理工程師.

作者地址：海南海口市濱海大道103號財富廣場14樓BCD［570105］.