寬頻阻抗法在配網(wǎng)架空線纜隱患監(jiān)測(cè)技術(shù)

文/王浩兵

1 引言

配網(wǎng)架空線纜可分為絕緣電纜和裸導(dǎo)線，其中絕緣電纜主要是出線和入線電纜，較多的應(yīng)用在城區(qū)配網(wǎng)中。裸導(dǎo)線主要用于配網(wǎng)的輸電線路，線路距離較長(zhǎng)。兩者的運(yùn)行環(huán)境不同，故障隱患表現(xiàn)特征也有較大的區(qū)別。絕緣架空電纜常見(jiàn)的故障有進(jìn)出線終端接頭發(fā)熱、膨脹、爆炸，接地環(huán)流和主絕緣問(wèn)題。裸導(dǎo)線主要存在的問(wèn)題是懸弧度過(guò)大、樹(shù)障、短路接地不易查找等。從管理上，架空裸導(dǎo)線更多的投入在線路故障尋址和隱患排除領(lǐng)域，而絕緣電纜主要是線纜自身的絕緣安全指標(biāo)問(wèn)題。

2 主流監(jiān)測(cè)技術(shù)討論

不考慮軟件后端的一些故障模型識(shí)別、故障選線等軟件信息處理的技術(shù)，架空線纜的監(jiān)測(cè)主流技術(shù)如表1所示。

如架空絕緣線纜的主流技術(shù)，都可以通過(guò)高速采集系統(tǒng)試驗(yàn)，其中溫度、環(huán)流等可以通過(guò)微處理自帶的低速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，因而采用高速采集方案時(shí)，無(wú)需同步考慮溫度和環(huán)流的額外采集通道。此外，絕緣老化的監(jiān)測(cè)技術(shù)目前有以下兩種主流技術(shù)：

（1）基于介質(zhì)損耗的監(jiān)測(cè)；

（2）基于寬頻阻抗的監(jiān)測(cè)。

介質(zhì)損耗監(jiān)測(cè)在電纜停電領(lǐng)域應(yīng)用較普遍，它實(shí)質(zhì)是一種電場(chǎng)作用下電荷遷移特性的表征，介質(zhì)損耗參數(shù)和設(shè)備的體積、長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系，因而有廣泛適用的價(jià)值；但介質(zhì)損耗也存在一些技術(shù)瓶頸，如試驗(yàn)電壓偏高，長(zhǎng)距離電纜所需試驗(yàn)容量大，通常要分段試驗(yàn)，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效率低；介質(zhì)損耗測(cè)量易受環(huán)境溫濕度影響，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性偏低；介質(zhì)損耗還存在無(wú)法識(shí)別老化位置等不足。由于電纜的老化通常是局部缺陷導(dǎo)致的進(jìn)水或化學(xué)物在絕緣層生長(zhǎng)，導(dǎo)致絕緣層劣化、水樹(shù)老化、電樹(shù)枝尖端放電等，發(fā)現(xiàn)局部信息能及早處理隱患，延緩老化趨勢(shì)，相比整體老化更加有現(xiàn)實(shí)意義。

寬頻阻抗法是一種通過(guò)絕緣阻抗對(duì)頻率的敏感性差異開(kāi)展對(duì)電纜絕緣特性的綜合評(píng)估技術(shù)，它有試驗(yàn)電壓低、無(wú)絕緣破壞，靈敏度高，重復(fù)性好的特點(diǎn)，可以較好的彌補(bǔ)介質(zhì)損耗的物局部信息的缺陷。但寬頻阻抗法需要寬頻試驗(yàn)源，試驗(yàn)時(shí)必須滿足一定試驗(yàn)帶寬才能充分捕捉到被試品的相關(guān)參數(shù)，采集系統(tǒng)的工作頻率高，功耗偏大，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，需充分考慮監(jiān)測(cè)裝置的布局和安全維護(hù)問(wèn)題。

相比較架空裸導(dǎo)線的振動(dòng)、樹(shù)障、覆冰等監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用常規(guī)的低速采集無(wú)法實(shí)現(xiàn)，尤其是覆冰和斷裂的情況，通常需要發(fā)射源配合使用，如雷達(dá)或掃頻信號(hào)。當(dāng)然也可采用覆冰傳感器進(jìn)行裸導(dǎo)線表面覆冰的監(jiān)測(cè)，其輸出為低頻電壓信號(hào)，但覆冰類(lèi)傳感器要長(zhǎng)期運(yùn)行戶(hù)外，其可靠性還未得到普遍認(rèn)可。

表1：配網(wǎng)架空線路的部分主流監(jiān)測(cè)技術(shù)

表2：配網(wǎng)主流監(jiān)測(cè)技術(shù)分類(lèi)

根據(jù)實(shí)際需要，并非所有的環(huán)境都有必要開(kāi)展樹(shù)障和覆冰的監(jiān)測(cè)，有必要對(duì)以上技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)實(shí)施的技術(shù)種類(lèi)進(jìn)行優(yōu)化。

將表1主流監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)如下：

如表2所示，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)可分為三個(gè)類(lèi)別，其中類(lèi)別2 和類(lèi)別3 如果采用高頻采集方案且不考慮覆冰探測(cè)，則列別2 可以兼容類(lèi)別3 的的技術(shù)。

3 寬頻阻抗法應(yīng)用特點(diǎn)

如表2所示，技術(shù)類(lèi)別1 和技術(shù)類(lèi)別2 主要是有源驅(qū)動(dòng)和無(wú)源驅(qū)動(dòng)的差異。有源驅(qū)動(dòng)主要目的是解決阻抗測(cè)試過(guò)程中的高頻等效元素的測(cè)量。現(xiàn)有的寬頻阻抗測(cè)試裝置內(nèi)部包含了可控的變頻試驗(yàn)電源，它是一種通過(guò)掃頻阻抗的方式進(jìn)行絕緣老化和故障定位分析的技術(shù)。由于其不僅可實(shí)現(xiàn)整體老化，還可實(shí)現(xiàn)局部老化、局部斷線、短路的定位；針對(duì)裸導(dǎo)線，還可靈敏的監(jiān)測(cè)到線路對(duì)地電容、相間電容增大的隱患點(diǎn)和隱患位置，相比故障電流的監(jiān)測(cè)法只能識(shí)別故障塔基或塔基之間的位置，寬頻阻抗法還可較準(zhǔn)確的給出故障位置與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的長(zhǎng)度距離。寬頻阻抗法的另一優(yōu)勢(shì)是有監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)，多點(diǎn)定位的特點(diǎn)，只需在線纜終端布置硬件，可一次性完成數(shù)公里到數(shù)數(shù)十公里范圍內(nèi)絕緣電纜和架空線纜的測(cè)試或監(jiān)測(cè)，目前在停電狀態(tài)下已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用效果。由于其獨(dú)特的功能和較高的經(jīng)濟(jì)性，顯著降低監(jiān)測(cè)點(diǎn)的投資和運(yùn)維成本，在未來(lái)，寬頻阻抗法用于架空線路的在線監(jiān)測(cè)還會(huì)有更多的嘗試案例。

4 寬頻阻抗法面臨的問(wèn)題

寬頻阻抗法在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用中不可避免的面臨一些新的問(wèn)題，包括變頻信號(hào)的施加、濾波和采集的問(wèn)題。另外，寬頻阻抗法實(shí)質(zhì)是一種局部電容的監(jiān)測(cè)，并不能完全覆蓋對(duì)局部電容或整體電容不敏感的故障特征，比如針對(duì)絕緣電纜的溫度、局部放電，以及架空線纜的振動(dòng)等。同時(shí)，寬頻阻抗法應(yīng)用于線路覆冰監(jiān)測(cè)方面的有效性還未見(jiàn)相關(guān)案例報(bào)道。從硬件角度分析，寬頻阻抗法的試驗(yàn)源為數(shù)十赫茲到數(shù)十兆赫茲，硬件的采樣率達(dá)100 兆赫茲以上，已經(jīng)完全具備振動(dòng)信號(hào)、放電高頻信號(hào)、溫度信號(hào)的采集能力。但由于溫度、振動(dòng)信號(hào)有明顯的局部特征，僅通過(guò)終端頭布置寬頻阻抗法的現(xiàn)有監(jiān)測(cè)硬件很難探測(cè)到遠(yuǎn)距離的振動(dòng)信號(hào)。寬頻阻抗法的戶(hù)外多點(diǎn)應(yīng)用盡管可滿足其他參數(shù)的監(jiān)測(cè)，但又存在數(shù)據(jù)傳輸大、高速采集系統(tǒng)功耗偏高、整體可靠性遇到挑戰(zhàn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)成本偏高的問(wèn)題，因此現(xiàn)有的寬頻阻抗技術(shù)應(yīng)用于多點(diǎn)監(jiān)測(cè)并不理想。

5 改進(jìn)型寬頻阻抗監(jiān)測(cè)技術(shù)

寬頻阻抗法監(jiān)測(cè)技術(shù)可以通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)源，降低采集系統(tǒng)的工作負(fù)荷等手段提升現(xiàn)場(chǎng)可操作性。主流的寬頻阻抗法采用線性掃頻技術(shù)，但每秒采集頻率通常小于10 個(gè)，如需試驗(yàn)1000 個(gè)頻率點(diǎn)，則可能需要數(shù)分鐘時(shí)間，因而試驗(yàn)周期較長(zhǎng)；采用Chirp 雷達(dá)掃頻方式，可實(shí)現(xiàn)每秒600 個(gè)頻率以上的采樣速度。Chirp 雷達(dá)波的產(chǎn)生已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)化模塊，只需要控制好信號(hào)的發(fā)射相位和采樣時(shí)差就能滿足重復(fù)性要求。另外，基于短時(shí)階躍脈沖的試驗(yàn)源也有較好的抗干擾和寬帶的特性，可通過(guò)頻譜分解的方式，解析出多個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗信息，從而得到寬頻阻抗特性曲線。

同時(shí)還可以看到，振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)于輸電線路運(yùn)維非常重要，未來(lái)將寬頻阻抗法和振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)更好的結(jié)合，對(duì)提高配網(wǎng)架空線路的監(jiān)測(cè)管理有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

6 小結(jié)

本篇討論了配網(wǎng)架空線線路的常用監(jiān)測(cè)技術(shù)，淺要分析了技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行了技術(shù)分類(lèi)，認(rèn)為寬頻阻抗在線監(jiān)測(cè)法有較好的技術(shù)融合性，可在單端布置監(jiān)測(cè)裝置的情況下兼容多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。在架空線纜實(shí)施基于寬頻阻抗的監(jiān)測(cè)技術(shù)是可行的，其應(yīng)用還能促進(jìn)管理效率的提升，降低運(yùn)維成本。但寬頻阻抗法并不能覆蓋所有的重要監(jiān)測(cè)參數(shù)，比如有明顯局部特征的溫度和振動(dòng)信號(hào)等。未來(lái)通過(guò)提升寬頻阻抗法的工作效率，采用新型試驗(yàn)源，將寬頻阻抗法和其他低功耗的局部監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合，或針對(duì)覆冰和斷裂開(kāi)展基于寬頻阻抗法的高靈敏參數(shù)建模，將會(huì)有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。