高壓電纜接頭在線監(jiān)測系統(tǒng)的綜合預警機制

竇 巍，錢俊波,韓葉祥

(1.西寧供電公司，甘肅 西寧 810000；2.蘇州光格設備有限公司，江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

高壓電纜接頭由于制造工藝、施工安裝質量、敷設環(huán)境等因素的影響，容易出現(xiàn)諸多絕緣缺陷，是整個線纜設備的薄弱之處。據(jù)國家電網(wǎng)公司統(tǒng)計，70%以上的電力電纜運行故障是由于電纜附件缺陷引起的，其中最主要的就是電纜接頭故障。因此對電纜接頭的狀態(tài)監(jiān)測和故障預警具有重要的作用。目前業(yè)內主要采用局部放電、金屬護層接地電流、溫度等檢測技術來測量電纜接頭的絕緣狀況，各自具有不同的故障評估方法，但相對獨立，缺少綜合考量和預警評判。

1 電纜接頭監(jiān)測的關鍵技術[1,2,3]

1.1 局部放電

局部放電是指發(fā)生在電力設備絕緣層但尚未擊穿的高頻放電，是絕緣層缺陷在強電場作用下發(fā)生的反復放電，長期運行將產(chǎn)生累積效應，導致電纜絕緣層的介電性能惡化，最終導致整個絕緣層的擊穿，造成嚴重的后果。因此局部放電是衡量電力電纜運行健康與否的重要指標。對于高壓電纜接頭而言，一般使用高頻電流互感器(HFCT, High Frequency Current Transformer)卡在接頭的接地線上，通過電磁感應高頻脈沖電流信號，間接獲得局部放電的脈沖信號。

圖1 電纜中間接頭高頻局放檢測原理

1.2 接地環(huán)流、感應電壓

金屬屏蔽層接地電流，可以直接反映電纜主絕緣老化過程中電容量的變化，是判斷絕緣老化的重要依據(jù)。通過對接地電流或電壓(保護接地的情況下)的在線監(jiān)測，可以得到其變化趨勢，實時掌握主絕緣的老化狀況。接地電流或電壓的監(jiān)測相對比較簡單，一般使用低頻電流互感器或電壓互感器安裝在接地線上，如圖 2。

圖2 高壓電纜接頭直接接地電流(左)和保護接地電壓(右)檢測原理

1.3 接頭溫度

電纜絕緣缺陷導致絕緣水平不斷下降，泄露電流隨之增大，溫度升高。電纜中間接頭接觸電阻增大時，溫度不斷升高，加劇絕緣老化，不斷惡化。把測溫傳感器固定在電纜外護套上來檢測電纜接頭溫度，可實現(xiàn)對電纜接頭表面運行溫度24 h不間斷連續(xù)在線監(jiān)測。通過對高壓電纜本體護層溫度的統(tǒng)計分析，可全面掌握其工作狀況，及時了解電纜護層的老化情況，并在接頭溫度急劇升高達到極限溫度時，發(fā)出報警信號提醒有關人員緊急處理。

溫度作為常用的檢測參量，傳感技術相對比較成熟，針對電纜接頭類的點式測溫，一般使用接觸式傳感器如數(shù)字式溫度傳感器DS18B20、K型熱電偶等。

1.4 本體電流

電纜本體電流監(jiān)測雖然不屬于電纜接頭狀態(tài)監(jiān)測，但可以反映負荷的變化情況，間接影響接頭局部放電、接地電流/電壓、溫度等參量的監(jiān)測值，所以在預警評估時可作借鑒。其監(jiān)測原理如圖3所示。

圖3 高壓電纜本體電流檢測原理

2 電纜接頭監(jiān)測對象的相關特性

2.1 負荷影響

有實驗表明，不同負荷下電纜局部放電的測量結果明顯不同，放電頻次隨負荷的增長而增加，放電幅值也呈不同程度的增大[4]。這一結論在實際工程應用中也得到了進一步驗證，圖4和圖 5所示為某220 kV電纜接頭在2018年4月1日至4月5日幾天的放電趨勢圖，可以發(fā)現(xiàn)每天在約18:50～22:20期間放電頻次和放電量幅值都會變大，而該時間段正好是日常下班后的用電高峰期，電纜的負荷相對較大。

同樣地隨著負荷的增大，電纜接頭的溫度和接地電流也會變大，在評判這些參量的變化趨勢時，應當充分考慮負荷的變化因素，以免誤報預警。

2.2 三相平衡狀態(tài)和局部放電的非一致性

理論上由于三相電纜的對稱性，三相接頭的溫度和接地電流/電壓應當相等。實際工程中由于環(huán)境和施工工藝等影響，不可能絕對相等，但正常情況下差異不大。只是當護層絕緣出現(xiàn)缺陷，三相電纜金屬護層的感應點式就會出現(xiàn)不平衡，進而產(chǎn)生較大的環(huán)流和局部過熱。因此，比較三相溫度和接地環(huán)流/電壓之間的平衡度，可以反映電纜絕緣外護套的異常狀態(tài)。

而局部放電由于形成的原因不同，三相之間反而不會一致，如果三相均出現(xiàn)類似的放電情況，原因往往是同源的空間干擾放電所致(當然也不排除接地線路之間的電氣交叉?zhèn)鲗г颍瑐鞲衅鞑贾脮r需要注意)。

圖4 局部放電隨負荷變化的放電頻次趨勢圖

圖5 局部放電隨負荷變化的放電量趨勢圖

3 預警機制

準確及時的故障預警是高壓電纜接頭在線監(jiān)測系統(tǒng)最重要的功能目標所在，對各個監(jiān)測點的局部放電、接地環(huán)流/電壓、溫度等關鍵測量參量的閾值預警是不夠全面的，有必要綜合考慮各種關聯(lián)因素，分不同機制給出不同類型和等級的預警，制定相應的應對措施。

3.1 閾值預警

閾值預警比較簡單，只需設定各個參量的閾值，當達到時觸發(fā)告警，靈敏度很高，相對于溫度、電流/電壓等直觀的測量參量來說非常適用，但對于局部放電等復雜間接的參量就過于簡單。一般只作最基本的預警，使電力運檢人員得到初步的提醒和關注。電纜接頭相關閾值預警包括以表1中幾類(表中Th為相關參量的預警閾值)。

3.2 負荷比預警

負荷比預警是考慮到負荷對電纜接頭局部放電、溫度、接地電流/電壓等參量的影響而定，但局部放電和溫度與負荷之間的關系尚不能定量明確，需要根據(jù)實際現(xiàn)場的情況作出粗略的評估。局部放電負荷影響評估的方法是：取得本體電流的額定值IL和高峰值IH，以及相應模擬局部放電信號的放電量QL和QH、放電頻次NL和NH，則得到放電量相對負荷變化率為：

kQ=(QH-QL)/(IH-IL)

(1)

表1 閾值預警

放電頻次相對負荷變化率為：

kN=(NH-NL)/(IH-IL)

(2)

溫度則按同樣的方法取得溫度相對負荷變化率：

kT=(TH-TL)/(IH-IL)

(3)

接地電流與負荷之間存在比較直接的關聯(lián)，按照相關標準[5]直接使用負荷比值來計算。負荷比預警包括表2中的幾類。

表2 負荷比預警

3.3 三相平衡預警

三相平衡預警是針對三相線纜之間接地電流/電壓、溫度差異過大而反映的異常告警。評估數(shù)值之間的差異可以用差值、極差、方差、標準差等很多方式，文獻[5] 使用峰值相比的方法，比較簡單，如表 3所示。

表3 三相平衡預警

另外對于局部放電三相之間對稱情況，如果排除三相信號源電氣傳導的因素，可以視作同源的空間干擾所致，應當防止誤報。判斷局部放電信號三相之間的對稱性，如果只從放電幅值和頻次來比較則失之輕率，還需要考慮放電相位分布特性、時頻脈沖特征等。本文采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對放電相位數(shù)據(jù)進行二維統(tǒng)計，提取脈沖重復率、偏斜度、陡峭度、幅值偏差、相位偏差、正負半周相關性等參量(具體計算公式參見文獻[6] )，按照相位的上下半周期取得如所示一共10個特征量，如表4。

表4 局部放電信號特征量

局部放電信號的特征向量表為

F={Nsp，Asp，F(xiàn)sp，Skp，Nsn，Asn，F(xiàn)sn，Skn}

計算任意兩相(如A、B相)之間的局部放電信號特征相關系數(shù)為：

(4)

(5)

當三相最小相關系數(shù)Min(CAB,CBC,CCA)≥Th時判為三相局放信號類似。

3.4 趨勢預警

趨勢預警是對一段時間內檢測參量的發(fā)展趨勢進行評估，判斷其增長率是否超過閾值而給出的預警。考慮到負荷變化、環(huán)境因素、季節(jié)變換等對局部放電、接頭溫度、接地電流/電壓等的影響，需要設法消除影響趨勢計算的波動干擾，可以采用抽樣、移動平均法和多項式擬合等方式來計算平均增長率[7]，設時間序列為：Y0,Y1,Y2,…,Yn-1，線性擬合后的平均增長率為：

(6)

趨勢預警有表5所示幾類。

3.5 綜合預警

綜合預警綜合考慮局部放電、接頭溫度、護套環(huán)流/電壓等所有檢測參量，根據(jù)其相關性與反映接頭缺陷的能力配置權重和閾值系數(shù)，計算電纜接頭的缺陷水平，從而給出告警。

閾值綜合預警的缺陷水平為：

(7)

表5 趨勢預警

式中，i為檢測參量類型，分別為局部放電放電量、局部放電放電頻次、接頭溫度、接頭溫升、護套環(huán)流、護套電壓6種(N=6)，wi、xi、Thi、pi分別為第i種參量的權重、測量值、閾值和閾值系數(shù)。

負荷比預警的缺陷水平為：

(8)

式中，i為檢測參量類型，分別為局部放電放電量、局部放電放電頻次、接頭溫度3種(N=3)，wi、xi、Thi、pi分別為第i種參量的權重、測量值、負荷比閾值和閾值系數(shù)，wIs、Is、ThIs、pIs分別是護套環(huán)流的權重、測量值、負荷比閾值和閾值系數(shù)，其余相關變量參見3.2節(jié)。

三相平衡預警的缺陷水平為：

(9)

式中，i為檢測參量類型，分別為接頭溫度護套電流、護套電壓3種(N=3)，wi、xMax_i、xMin_i、Thi、pi分別為第i種參量的權重、三相最大測量值、三相最小測量值、三相不平衡閾值和閾值系數(shù)。

趨勢預警的缺陷水平為：

(10)

式中，i為檢測參量類型，分別為接頭溫度護套電流、護套電壓3種(N=3)，wi、kxi、Thi、pi分別為第i種參量的權重、測量值在趨勢評估時間段內的平均增長率、平均增長率閾值和閾值系數(shù)。

四種綜合預警如表6所示。

表6 綜合預警

4 結束語

本文介紹了電纜接頭在線監(jiān)測的幾種關鍵技術及其相關特性，特別指出負荷的影響、三相之間的平衡或不對稱特性，提出了閾值預警、負荷比預警、三相平衡預警、趨勢預警等具體的預警機制，并在此基礎上提出幾種監(jiān)測參量相互結合起來的綜合預警，可以改進以往電纜接頭的綜合監(jiān)測系統(tǒng)只簡單匯集各種監(jiān)測參量并各自給出預警的做法。但對于其中相關閾值、權重或系數(shù)的合理選取仍然需要進一步的研究，以提高在線監(jiān)測預警的準確性和實時性。