長距離電力電纜絕緣在線監測及故障定位技術研究

吳琳楠

摘要：我國供電網絡是世界上最大的供電網絡，其覆蓋范圍廣、區間跨區大，因此供電的難度也很大。在長距離輸電過程中，電纜絕緣在線監測技術的應用非常關鍵，監測精度關系到故障判斷的準確率和故障具體發生位置的判斷。強化長距離電力電纜絕緣在線監測和故障定位技術的研究對于我國電力產業的長效發展有著重要的意義，因此本人選擇該課題進行了研究，希望對我國電力行業發展做出一定的貢獻。

關鍵詞：長距離供電;電纜絕緣;在線監測;故障定位

隨著我國供電技術的發展，長距離輸電效率和質量逐步得到提升。長距離輸電過程中最為重要的一環是對電纜絕緣進行在線監測，實時獲取電纜絕緣的各項運行數據和指標，通過分析數據找出線路的故障所在區域，進而對故障問題進行分析和處理。電纜絕緣體在電場作用、風力作用和機械作用下容易出現老化的問題，如果絕緣體結構發生較為明顯的變化，這一影響到長距離輸電的質量。因此必須采取措施對電纜故障進行監測，并及時地對相關故障進行處理。

一、長距離電力電纜絕緣監測方法

在各個小段中三相電纜金屬護層的分布形式是分段交叉互聯，不過這種分布方法中的三相電纜導電線芯的分布形式非交叉互聯形式，在三相電纜主絕緣中的容性電流和阻性電流經由導電線芯流向電纜護層，雖然無法利用測量電纜接地線中電流的方法將電纜主絕緣電流具體素質測量，但是若將導電線芯至電纜主絕緣流動的電流測定，那么就能將該問題解決。針對此問題，可以采取同時測得電纜兩端導電線芯電流的方法進行獲取電流數據，因為電流具有連續性特點，測量時也要要將電纜無源性考慮在內，三相電纜主絕緣中通過的電流計算方法為各相電纜首端導電線芯中流經的電流與該電纜末端導電線芯流經電流的差值。線芯電感、電容和電阻等是電力電纜電氣參數，這些參數是電纜的一次參數。同時還有二次參數，包括相移常數、波阻抗以及衰減常數等，二次參數能夠通過計算一次參數獲取。如圖1，電纜線芯有效電阻使用R表示，線芯電感使用L表示，電纜絕緣電阻使用Ri表示，電纜絕緣電容使用C表示。借助于基爾霍夫電流定律進行分析可得電纜主絕緣中通過的電流與電纜首端導電線芯中流經的電流與電纜末端導電線芯中流經的電流差的值相等。所以各相電纜首末兩端通過電流互感器能夠獲得流經這兩段的電流數值，獲得電流的數值后使用首末兩端的電流瞬時值作差即可，得到電纜絕緣中具體的泄漏電流值，這種方法也被稱為雙CT法。分析雙CT法原理能夠得出三相電纜金屬護層無論是否采取交叉互聯的方式進行連接，雙CT法所測電纜絕緣中的電流都是準確定。所以雙CT法能夠被應用于所有電力電纜絕緣在線監測，其能夠精確地監測出電纜的絕緣狀態。

在通過雙CT法對三相電力電纜絕緣進行在線監測時可以采取以下方案：首先，需要將電流互感器安裝在電纜首端和末端，首端電流互感器中獲取的電流數據與末端電流互感器獲得的數據進行相減可以后的流過主絕緣泄漏電流;其次，借助于電壓互感器測量三相電纜電壓，通過相關計算能夠得到電纜主絕緣中流經的泄漏電流以及主絕緣電纜電壓二者之間的相角差余角，獲得介質損耗角素質，通過計算進一步獲取介質損耗因數的具體素質。介質損耗因數能夠有效地將電力電纜絕緣缺陷反映出來，其是當前電力系統中判斷電容性設備絕緣能力的主要指標，所以本人借助于介質損耗因數數值具體地對電纜絕緣狀況進行了評估。在進行監測時在線監測系統難點主要集中在采集電纜首、末電流信號，此時可以借助于GPS技術中的授時功能獲取電力系統的同步時鐘信號，將GPS接收器安裝到電纜兩端，利用GPS天線獲得精確的時間信息，同時借助于通訊設施將同步秒脈沖信號發送給系統中的微處理器，只有利用微處理器能夠將電纜兩端A/D轉換芯片啟動進行數據采集。數據傳輸采主要以GPRS為主，在獲取電流、電壓信號后利用GPRS將這些信號發送至上位機系統中，進而在上位機中對相關結果進行展示。

二、長距離XLPE電力電纜絕緣故障診斷方法

電力的三相電纜的電磁聯系非常復雜，進行故障判斷時不能以獨立單相電纜視角對故障進行分析。單相接地故障類型是不對稱故障中的一種，如果三相電纜線路出現了不對稱故障，此時線路中電壓、電流出現互感耦合現象，計算故障距離時應該對電壓與電流開展相模變換處理，進而得到分解后的正序、負序和零序分量數值，其中負序、零序分量不能作為對稱故障測距的使用數值，正序分量可以在全部故障測距中使用，所以使用有效正序分量對各種故障類型進行故障測距非常有效。借助于對稱分量法獲得電流的相模變換數值時可以通過變換矩陣方程計算，想要驗證這種方法的正確與否，可以借助于數學計算軟件進行動態仿真，構建110kV電壓電纜短路故障模型，圖2所示。

借助于雙端同步短路故障定位法能夠獲取精確的電壓、電流數值，然后將獲得的數值輸入到故障測距公式中，對電力電纜長度進行設計，將單相接地、兩相接地、三相接地以及相間短路等故障類型輸入其中。借助于雙端同步短路故障定位法能夠獲取的結果是短路故障距離距離故障點非常近，計算的相對誤差低于0.1%，故障距離誤差的形成原因是計算誤差，所以這也要證明了該方法的可行性，這在一定程度也說明了雙端法在故障判斷中的有效性，雙端同步短路故障定位法的應用獲取了有效的。

如果三相電纜出現了單相接地、兩相接地、三相接地和相間短路等問題時，需要獲取三相電纜電壓、電流的主要變化特點，得出故障的具體類型。如果A相電纜出現接地故障，通過分析可以獲得電壓、電流變化，如圖3。

通過分析可以看出故障前電壓、電流的特點是對稱，在出現A相發生故障后，電路中的電壓變化是出現減小的趨勢，不過此時A相短路電流出現增加的趨勢。如果A、B相出現接地故障問題后，電纜首端電壓、電流也會發生新的變化，如圖4。

從分析能夠看出接地故障后電纜首端電流數值出現增加的趨勢，電纜首端電壓則出現降低的缺失。兩相相間短路故障的電流、電壓變化的整體趨勢類似，因為相間短路中安裝了過渡電阻，所以這為線路提供了保護裝置，使得電流的變化整體趨勢減少，兩相電壓降低的整體波動并不明顯。如果發生接地故障，電流數值增加，電壓數值減少。可以用GPS技術對故障進行確定，例如發生A相電力電纜發生單相接地，測得A相末端電流，通過計算得出延時10ns，此時電纜的B、C相不做其他處理。如果在電纜末端安裝延時器，可以得出同步誤差存在的情況下，故障距離誤差低于0.1%，所以在對存在同步誤差問題的故障距離進行測量時這種方法的誤差較小，想要獲得精度更高的數據，可以借助于GPS模塊，其獲得的數據誤差相對更小。利用添加三次諧波電壓源的方法對故障進行判斷可以得出雙端同步測距法受到電力中的諧波的影響相對較小。如果將電壓頻率控制在50Hz左右，而出電壓頻率波動帶來的影響更小。借助于雙CT法判斷長距離電纜絕緣中放電信號后，結合放電信號傳播函數關系能夠進一步將放電點位置確定。例如，在單相電纜故障定位中使用雙CT法可以有效對局部放電點進行定位。此時需要將電纜兩終端連接到架空線中，此時架空線出現電暈后的信號可能使得電纜內部局放電信號出現紊亂，所以應該區分被測局部放電信號的主要來源。在得到局部放電信號主要的成因后，確定電纜放電位置。通過分析局部放電信號可以得知架空線電暈信號產生的位置如果是電纜B端外部，可以使用雙CT法進一步將放電點與電纜兩端時間計算，利用函數可以得出被測信號的漣源是電纜B端外部。如果被測信號的來源主要是電纜A端外部，采用雙CT法測能夠得出放電點與電纜兩端的間隔，從而得出故障的主要問題，并結合具體的方法測得故障區域。這種方法得到了故障數據非常精確，能夠將故障的具體位置和類型判斷，工作人員則能夠結合這些判斷依據進行故障處理。

結束語：總而言之，對長距離電力電纜進行在線監測和故障定位對于輸電的穩定性有著重要的意義，長距離輸電過程中電纜絕緣發生故障必然會影響到電能的傳輸效率和質量，導致電路的各項參數發生明顯的變化，因此需要采取措施對電路故障所在區域進行判斷，獲得具體的故障成因和故障發生的位置，借助于合理的方法對相關故障進行分析，得出故障形成的具體激勵，制定相應的措施進行故障處理，實現對故障的有效處理。本文提出了雙CT電纜在線監測方法，分析了這種方法的具體使用機理和設計方法，并利用仿真模型建立故障判斷模式，通過分析相關數據得出了故障判斷方法的可行性，這對于長距離輸電穩定性的提升有著重要的意義，行業人員可以借助于這些方法對電纜進行檢測和故障檢查，在此基礎上對線路中存在問題的地方進行完善，實現對線路的優化，提升電能傳輸效率。