高壓電力電纜絕緣在線監(jiān)測及故障定位研究

李光肖+董雪

摘 要：首先分析了高壓電力電纜的故障類型，并基于雙CT法絕緣tanδ在線監(jiān)測和雙端同步電纜故障定位的淺析，介紹了在線狀態(tài)檢測技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，為實(shí)際的高壓電力電纜維護(hù)提供理論依據(jù)，并提出高壓電力電纜在實(shí)際運(yùn)行中的維護(hù)建議。

關(guān)鍵詞：電力電纜；絕緣在線監(jiān)測；故障定位

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.19.094

0 引言

電力電纜是電纜的一種，用于輸送和分配大功率電能。電力電纜作為地下輸電線路，是電網(wǎng)輸送和分配電能的主要方式之一，具有架空線路所不具備的優(yōu)點(diǎn)，例如地下敷設(shè)不占用空間，減少占地，不在地面架設(shè)桿塔和導(dǎo)線，不受外界環(huán)境影響，可以提高供電可靠性，減少運(yùn)維工作量等，特別適用于輸電線路密集、位于市區(qū)的變電站以及重要線路和重要負(fù)荷用戶。

隨著電網(wǎng)建設(shè)的加快，電力電纜的使用越來越多，保證電纜線路的安全運(yùn)行也成為非常關(guān)鍵的問題。電力電纜是出現(xiàn)絕緣故障率最高的設(shè)備，可引起線路短路、單相接地等重大事故，而且電纜一般敷設(shè)在電纜溝或電纜隧道里，環(huán)境復(fù)雜，故障信息和定位困難，因此，對電纜的在線狀態(tài)監(jiān)測和故障定位就成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)，也對電纜線路實(shí)際的維護(hù)具有積極意義。

目前電網(wǎng)使用的電力電纜大部分是交聯(lián)聚乙烯電纜，有些線路使用充油。某抽蓄公司動力電纜運(yùn)行已近二十年，電纜在長期發(fā)熱狀態(tài)下普遍出現(xiàn)了電纜絕緣性能降低或過熱的現(xiàn)象。有資料表明，絕緣老化在電纜故障比例中所占比率較高，因此電力電纜的絕緣在線監(jiān)測是迫切需要解決的問題。

1 電力電纜故障分類和原因分析

1.1 電力電纜故障分類

電力電纜故障可能是一種也可能是復(fù)合多種，大致分為以下兩種：

（1）低阻接地或短路故障：包括電纜一相或多相接地故障、絕緣電阻值較小。

（2）高阻或短路故障：接地或絕緣阻值較大。

（3）導(dǎo)體故障（開路故障）。主要是線芯導(dǎo)體和金屬屏蔽層故障，包括斷線和似斷非斷故障。

（4）絕緣層故障。包括主絕緣層和護(hù)套絕緣層故障。

1.2 電力電纜故障原因

（1）機(jī)械損傷是電纜故障占比較大也很常見的原因。輕微的損傷可能幾個(gè)月甚至幾年才發(fā)展成故障。電纜機(jī)械損傷的主要原因?yàn)榘惭b時(shí)拉傷或過度彎曲電纜、城建施工造成地下電纜損傷、車輛行駛的沖擊性負(fù)荷或震動造成金屬屏蔽層鉛（鋁）包損壞、終端頭或中間頭電纜護(hù)套或外殼脹裂、安裝電纜外皮擦傷或土地沉陷造成拉力過大等。例如某抽蓄電站原有電纜在敷設(shè)時(shí)彎曲半徑過小，電纜主絕緣受損，后期在電纜綜合治理工程中進(jìn)行更換。

（2）電纜絕緣層老化和變質(zhì)。電纜絕緣介質(zhì)在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生電離，絕緣層被腐蝕，這時(shí)絕緣層進(jìn)入水分會導(dǎo)致絕緣能力降低。電力電纜導(dǎo)電造成的電纜過熱也會使絕緣能力降低。

（3）雷擊等造成的過電壓。

（4）其他原因，如電纜的制造、設(shè)計(jì)工藝、安裝操作不當(dāng)?shù)取＠纾吵樾铍娬?00kV開關(guān)站發(fā)生500kV電纜頭滲油事故，事故原因是廠家安裝時(shí)未做好充分密封，密封性沒有達(dá)到規(guī)定要求，運(yùn)行一段時(shí)間在內(nèi)壓的作用下密封帶材發(fā)生變形。

2 絕緣在線檢測及故障定位

電纜絕緣在線監(jiān)測技術(shù)可以測試電力電纜的開路、短路、接地、低阻故障、高阻閃絡(luò)、泄露性故障以及電纜長度、埋地深度及走向等。

2.1 國內(nèi)絕緣在線檢測方法

我國電纜絕緣在線監(jiān)測研究起步比歐美國家晚幾十年，研究工作主要是國內(nèi)幾大高校和電力實(shí)驗(yàn)研究所在進(jìn)行。目前電力電纜絕緣的在線監(jiān)測方法主要有直流分量法、直流疊加法、低頻疊加法、交流疊加法、接地電流法、局部放電法和在線tanδ法等，其中比較實(shí)用的方法是局部放電法和tanδ法。

2.2 故障定位方法

電纜故障定位方法主要分為離線定位方法和在線定位方法。故障離線定位方法主要有行波法和阻抗法。故障在線定位方法主要是運(yùn)用GPS、高速光電傳感技術(shù)和小波分析等進(jìn)行在線監(jiān)測。

2.3 絕緣tanδ在線監(jiān)測

電纜絕緣在線監(jiān)測是目前比較熱門的研究方向，需要解決以下幾個(gè)問題：

（1）在電纜運(yùn)行狀況中存在的大量噪聲和諧波中提取并精確還原微弱的有效特征信號。

（2）如何在不影響電網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，正確選擇在線測試電源信號。

（3） 如何在盡量降低接地電路故障時(shí)對電網(wǎng)影響情況下，將測試源有效疊加到電網(wǎng)上。

基于雙CT法的電纜絕緣tanδ在線監(jiān)測方法，原理是流過電纜主絕緣的電流等于流入電纜首端導(dǎo)電線芯的電流與流出電纜末端導(dǎo)電線芯的電流的差，因此，在每相電纜的首末兩端分別安裝一個(gè)電流互感器來對電纜首端、末端的電流進(jìn)行測量，然后用測量得到的電纜首端電流的瞬時(shí)值減去電纜末端電流的瞬時(shí)值，便可得到流過電纜絕緣的泄漏電流值。無論三相電纜的金屬護(hù)層是否進(jìn)行交叉互聯(lián)，雙CT 法測量的都是流過電纜絕緣的電流。因此，雙CT 法適用于所有電力電纜絕緣的在線監(jiān)測技術(shù)，都可以實(shí)現(xiàn)對其絕緣狀態(tài)的檢測。

選擇分析三相電纜的其中一相，根據(jù)基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律并利用雙曲線函數(shù)，在不考慮同步誤差和電壓誤差的情況下，通過式（1）可以利用流過電纜兩端的電流的差值與電纜兩端電壓和的比值來對電纜的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，其結(jié)果將不會受流過電纜的負(fù)載電流變化的影響。

其中，假設(shè)電纜長度為2l，1、1分別表示電纜首端的電壓值、電流值，1、2分別表示電纜末端的電壓值、電流值，γ表示電纜的傳播系數(shù)，Zc表示波阻抗。

2.4 雙端同步電纜故障定位方法

雙端同步電纜故障定位方法分為雙端同步短路故障定位和雙端局部放電定位兩種。因?yàn)殡娎|的三相電壓和電流之間存在互感耦合，在故障定位計(jì)算時(shí)，需要將三相電壓、電流通過相模轉(zhuǎn)換分解成零序、正序和負(fù)序分量。負(fù)序、零序分量不適用于對稱故障的測距，而正序分量適用于所有故障類型的故障測距，因此使用正序分量進(jìn)行故障測距。假設(shè)A相電纜發(fā)生短路故障，在考慮同步誤差的情況下，電纜三相電壓和三相電流通過對稱分量法進(jìn)行相模變換，轉(zhuǎn)后為得到變換矩陣方程式，通過式（2）計(jì)算出A相電纜首端距離故障點(diǎn)的距離SA。endprint

其中，假設(shè)電纜長度為l，（1）1、（1）2分別表示電纜首端、末端電壓的正序分量，（1）1、（1）2分別表示電纜首端、末端電流的正序分量，γ表示電纜的傳播系數(shù)，Zc表示波阻抗。

3 高壓電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)

絕緣tanδ在線監(jiān)測和雙端同步電纜故障定位方法可以應(yīng)用在電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)中。在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由末端感應(yīng)器（RTU）或報(bào)警器、本地監(jiān)測主機(jī)、集控站、集控中經(jīng)以太網(wǎng)聯(lián)系組成。通過以太網(wǎng)將狀態(tài)監(jiān)測本地主機(jī)的數(shù)據(jù)匯總到集控站，最后將數(shù)據(jù)上傳至電纜狀態(tài)監(jiān)測疾控中心，可以將數(shù)據(jù)分析處理，作出對應(yīng)的電纜線路檢修決策。

電纜絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，流過接地線上的脈沖電流十分微弱，末端感應(yīng)器（電流傳感器）應(yīng)有較高的靈敏度，可以根據(jù)需要對傳感器輸出信號進(jìn)行放大處理，也要設(shè)計(jì)濾波電路干擾。電力電纜絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)電纜狀態(tài)監(jiān)測的有效方法之一，它可以在電纜運(yùn)行狀態(tài)下對電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，反映電纜的絕緣水平。在自動連續(xù)檢測狀態(tài)下，依據(jù)大量的數(shù)據(jù)以及判據(jù)的數(shù)模分析，可以判定絕緣狀態(tài)變化趨勢，從變化趨勢中尋找絕緣損毀的前期征兆，綜合判斷電纜運(yùn)行狀況，并通過GPS等實(shí)時(shí)通信技術(shù)提報(bào)電纜維護(hù)和檢修人員，并且提供相應(yīng)的故障測距信息，目前國內(nèi)多家廠家都和高校有合作，可以生產(chǎn)故障定位信息較精確的高壓電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，在事故發(fā)生之前及時(shí)定位、檢修，避免事故擴(kuò)大，減少必要經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)論

本文通過對基于雙CT法絕緣tanδ在線監(jiān)測和雙端同步電纜故障定位方法的淺析，對電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用具有實(shí)踐意義。新建的高壓電力電纜應(yīng)配備局部放電在線監(jiān)測裝置、電纜測溫裝置和電纜金屬護(hù)套多點(diǎn)接地監(jiān)測等其它裝置。在日常電纜的運(yùn)行維護(hù)中，可以同時(shí)使用電纜試驗(yàn)和配備電纜在線監(jiān)測兩種方式。其中電纜試驗(yàn)包括常規(guī)試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)，例如紅外測溫、電纜金屬護(hù)層接地電流帶電測試、主絕緣耐壓試驗(yàn)（新敷設(shè)或新作電纜端、接頭）、電纜護(hù)層過壓保護(hù)器絕緣電阻測試和接地系導(dǎo)通測試等；在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)定時(shí)檢查硬件裝置是否完好、在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)運(yùn)行是否正常。

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