冶金企業電力電纜在線監測及故障測距系統

韓天祥

根據高壓電纜工作原理，可以通過實時監控高壓電纜屏蔽層電流，預判斷高壓電纜頭及電纜本體存在的接地隱患。通過在1780高壓系統所做的小規模試驗，可以高壓電纜及電纜頭故障預判。本項目計劃對1780和150t煉鋼系統的35KV、10KV高壓電纜進行（除部分10KV連接電纜外）實時監控。監控機器設在相應的值班室，高壓配電室和現場電纜集中區域設立遠程站，通過DP網通訊。理論依據是利用暫態行波和穩態分量的分析方法，研究不同故障類型下電纜接地線電磁暫態信號以及穩態接地電流，判斷電纜絕緣狀況，同時利用高頻電流行波測距原理，來定位故障點，實現電纜故障點測距。

1 項目概況

冶金企業電力電纜屬隱蔽設備，因部分施工單位在施工過程中對電力設施保護意識比較淡薄，另外外力破壞的隱患一直威脅著電纜線路的安全運行，目前在冶金企業配電系統，所出現的異常中，電纜故障大約占35%，在電纜故障中，屬于外力破壞的約占70%左右。電力電纜出現故障一般分為三種情況：第一種是電纜三相短路，發生此類故障時，企業中斷供電，對供電可靠性造成較大影響；第二種是電纜兩相短路，出現此種問題也需要中斷供電；第三種是電纜單相接地，發生此類故障，雖不需要對企業中斷用電，但是非故障相對地電壓升高為線電壓，將對系統內的絕緣水平造成較大的破壞，特別是絕緣薄弱點，損壞更大。冶金企業的供電接線形式有其自身特點，所以當電纜遭受外力破壞發生故障時，故障維修存在一定困難，主要表現在故障點尋找困難、恢復時間長、對作業環境要求高、施工難度大、維修費用高。

根據之前案例冶金企業因電纜著火事故直接導致系統停產情況，對本維護范圍區域進行電纜運行情況分析，經過詳細的檢查、判斷和分析，最終分析發現本區域之前出現過天車滑線接地，造成變壓器中性點偏移導致接地電流增大的生產間高壓電力電纜的在線運行監測在國內由于高電壓、監測參數不明顯、且干擾量因素較多，考慮到設備投入等經濟因素，并沒有普遍應用，但是也不缺乏電纜在線監測研究案例。因工業生產需要用到大量的電力電纜，同時在不同使用環境下高壓電力電纜運行方式有所差異，這也為電力電纜運行監測工作帶來了一定困難，需要耗費大量的維修時間。所以工業生產中若能對電力電纜進行實時監控且提前發出預警信息，更利于快速解除故障隱患，以防更大火災事故發生。可在早期發現高壓電纜故障問題，盡早解決，避免事故擴大化。近幾年冶金企業的高壓電纜出現過兩次重大著火事故，一次是2009年能源中心2#變電站高壓電纜著火事故，另一次是2012年100t轉爐高壓電纜著火事故，兩次事故直接經濟損失至少1000萬元，間接經濟損失無法估量。

從著火事故總結得出，冶金企業高壓電纜屏蔽層增設監控的十分必要，將全部的三相高壓供配電系統都增設高壓電纜屏蔽監控，便于及時發現問題，降低事故發生概率。

2 監測和故障預警測距系統的運用

電纜系統在運行過程中存在瞬時性暫態故障，電纜系統運用在線監測系統功能，運行暫態行波技術，采用電纜瞬時性暫態故障的行波特征對電纜的絕緣狀況進行監測，實現電纜故障預警；同時利用行波測距技術、行波選線技術進行電纜故障定位及選線，實現電力電纜的在線監測。

本文介紹了冶金企業的電力電纜在線監測系統工作原理、關鍵技術以及系統構成，并且列舉了電力電纜在線監測的典型監測方案。

在線監測系統硬件部分包括：硬件電路、系統云端服務、傳感器調節電路、系統電源、無線數據通訊、系統現場主站及各監測裝置。硬件電路包括數據監測模塊、數據通訊模塊、管理模塊、電流泄漏傳感器、電源變換模塊、溫濕度傳感器。

2.1 系統軟件結構

主站系統采用基于B/S方式的系統管理軟件，采用局域網方式與監測終端通訊。系統還附帶云端訪問功能，通過任意一臺聯網主機，即可訪問電纜在線監測系統運行情況，設備運行情況以及告警情況等。

監測中心軟件是整個供電設備監控系統的核心，具備數據傳輸、處理、分析功能，實時接收由各監控裝置傳輸的數據，經過分析處理，進行存儲、轉發或顯示；而且它也接收各個操作裝置發送過來的監測、控制等各種指令，并把這些指令轉發給指定的監測裝置。

本系統架構于JBoss ESB基礎之上，使得整個系統的可靠性、可擴展性得到了極大的保證。本系統采用Java語言開發，保證了系統的跨平臺性，即在windows，linux或者Unix操作系統上面均可以無縫運行，保證了系統的可擴展性和可維護性，為系統的穩定運行和擴展提供了極大的便利和保障。

本系統在設計和實施時，從軟件體系架構和硬件服務器架構兩個方面充分考慮了未來的可擴展性，在橫向和縱向兩個維度都可以方便的實現系統的延展。

值班人員可在監控中心或通過遠程訪問的方式，直觀的查看各條電纜線路運行情況，當出現異常時系統會自動彈出報警提示。方便了工作人員對電力電纜日常的監測和維護，并且系統自動保留原始數據以便以后的利用。電力電纜狀態監控系統的應用將減少工作人員親自與運行電纜近距離接觸的機會，提高安全可靠性。查看該條線纜選中時間段監測到的波形信息，根據相關的波形信息，可分析出該線纜目前的運行狀況，實現實時監控的功能。

2.2 工作原理

將高壓電纜屏蔽層一端接地，在高壓電纜屏蔽層接地端加裝一臺50：5的電流互感器，電流互感器輸出的AC0-5A信號進入電流轉換器，電流轉換器輸出的DC4-20mA信號進入PLC模擬量輸入模塊，通過西門子S7編程軟件編制監控、報警程序，使用INTOCH軟件制作畫面監控、畫面報警，同時通過編制程序和安裝聲光報警器實現聲音報警。

因1780系統35KV高壓電纜、150t系統35KV高壓電纜、120t系統35KV高壓電纜監控畫面和編制的程序基本一致，因此只列出150tSVC系統35KV高壓電纜屏蔽層電流監控的畫面和程序。

在35KV單芯電纜供電回路中，電纜屏蔽層無論是單端接地還是雙端接地還是一端接地一端接保護器，也就是說必定有一個接地點，當線路發生接地故障時，故障點電流一部分流經屏蔽層接地點構成回路。本方案通過在屏蔽層接地處加裝一零序電流互感器檢測屏蔽層中工頻容性電流幅值的變化，作為接地故障判斷依據，同時結合PLC編程技術，在CPU中存儲邏輯判斷程序，當系統發生接地故障時，通過人機界面顯示接地回路提醒運行人員及時采取應對措施，快速判斷并切除故障回路。關于150t10KV電纜頭在線監控實施，利用屏蔽層電流檢測手段結合成熟的PLC技術針對150t外圍高壓電纜實施在線監控，該方案主要涉及三個區域，包括150t轉爐變壓器區域、150t連鑄變壓器區域以及150t一次除塵區域。每條回路均采用兩端檢測方式，即電源側和設備側電纜頭屏蔽層引出線分別加裝采樣電流互感器，遠端設備側通過設置遠程站利用光纖將電流數據傳輸至150t高壓室總站。該方案的實施能夠及時有效的發現電纜隱患，發出預警，通知運行人員采取應對措施，從而提前避免電氣事故的發生。

電纜在線監測系統利用瞬時性暫態故障自熄滅的特點，以及行波選線、測距原理，根據電纜瞬時性接地后的絕緣狀態更接近于永久故障的現象，對電纜的絕緣狀態進行監測，對電纜故障進行預警，并且同時完成選線、測距功能。

在每條電纜接地金屬屏蔽層上安裝一個高頻傳感器，將電纜在發生故障前的微弱的暫態電流信號進行采集，并且傳輸到行波電流采集單元，通過采集單元信號處理后，轉換為數字信息上傳至系統上位機，系統軟件經特有算法，分析電纜主絕緣狀況，分級預警電纜故障，選擇故障線路。同時系統采集被監測電纜母線PT，通過超高頻電壓信號采集單元采集Ua、Ub、Uc、UL電壓行波信號，用于判定故障相，計算電纜故障距離。該系統融合先進的數字化傳感器技術、高速數據采集、通信技術和計算機技術、云計算為一體，能夠適應惡劣的運行環境，為正在運行中的電力電纜保駕護航。監測系統利用云服務功能將電纜故障預警信息上傳至多用戶云空間，設備管理人員可以實現遠程監控，可以讓相關負責人實時了解變電站內電纜運行狀況信息，確定電纜運行狀態，做到故障前的實時預警、選線和測距，從而實現電纜的狀態檢修。提高企業經濟效益。

冶金企業電網中的電力電纜，大多采用交聯聚乙烯絕緣電力電纜，電力電纜分為單芯電纜和三芯電纜。

電纜線路使時伴隨發生瞬時性故障，此刻會產生運動的電壓行波和電流行波與永久性故障。我們知道，行波由故障點向線路兩端傳播，當傳播到線路首端或末端時會發生折反射。我們需要在雙端測距法適合線路和結構復雜的架空線的電纜混合線路以及精確度需要極高，而且需要安裝的設備有2臺測距裝置。單端測距法的原理相對簡單，只需要在合適位置安裝1臺裝置，且不需要在線路上裝設通信通道，投資小，并且有時候配電線路末端不具備安裝檢測裝置的條件，此時可用單端法進行測距。

實際配電網中分支線眾多，在分支中或將存在著大量的波阻抗狀的不連續點。當判斷線路會發生故障時，故障行波會有較為復雜的折射和反射，使測量到的行波波形十分復雜，難以識別，因此需要對每一條分支線分別裝設行波測距裝置。

當過電壓引起絕緣擊穿放電時，造成運行電纜的瞬間燃弧，故障電弧使水氣蒸發烘干，電弧熄滅后絕緣又恢復到能夠耐受正常運行電壓的水平。通過特高頻技術我們發現由水樹枝造成的“可恢復故障”引起的電纜擊穿放電量在十幾到幾十微米數量級，持續時間小于2ms，并且其產生的瞬時電磁暫態信號的強度和波形形態明顯區別于局部放電(據資料顯示對于普通的局部放電局放量在5pC～20pC以內，持續時間3ms～5ms。或電網擾動產生的電磁暫態信號。

經過分析，綜保裝置在電纜頭監控方案中沒有較適合的功能利用，原因如下：

（1）150t10KV供電系統主變壓器中性點經電阻柜接地，如系統發生單相接地，接地電流較大，綜保裝置已開通零序保護跳閘功能，保護裝置零序電流端子已經接入，因此電纜頭監控屏蔽層電流無接入位置。

（2）監控用的電流互感器采用KXT10-50A（孔徑22mm）電流互感器，這種電流互感器可以直接輸出DC4-20mA的信號，無需加裝電流變送器進行數據轉換，每個監測點可節省資金900元左右。而綜保裝置只接受0A～5A的電流信號。

2.3 關鍵技術及創新點

高壓電纜屏蔽層通常需要進行接地處理，設置高壓電纜屏蔽層的目的是平衡三相交流電中所出現的不平衡電流，或達到電纜運行過程中單相接地故障短路電流需求，有效保護工業生產用高壓電力電纜遭受非平衡磁場下的電動力影響。經過研究發現電纜終端的應力區，更易造成損傷，導致電氣絕緣受損，縮短電纜終端使用壽命。系統采用高頻傳感器采集獲取電纜接地線暫態電流信號。傳感器安裝在電纜屏蔽層接地線處，要求傳感器前屏蔽層接地線做好絕緣處理。傳感器與采集單元間通過多芯屏蔽線連接。

按照高壓供配電系統的設計要求，三相四線制的系統中需要增加零序電流監控、保護，零序電流只應用于三相四線制的電路中，但在實際應用的高壓供配電系統中存在很多三相電路，往往我們會忽視這一部分電路中外部原因造成的漏電電流及系統本身不平衡電流的監控，這兩種電流較小時對電纜不會產生大的危害，一旦超過一定的數值，將會對整條高壓電纜產生破壞性的影響，燃燒后將會引燃附近的高壓電纜，對于整個供配電系統都是一個不小的危害。

高壓電纜屏蔽層一般情況下的作用主要是平衡三相交流電中所產生的不平衡電流，及滿足電纜運行時單相接地故障短路電流要求，保護運行中的高壓電纜免受變化的非平衡磁場下的電動力的作用，致使電力電纜終端長期處于由電動力所造成機械力的作用，尤其是對于電纜終端的應力區，更易造成損傷，導致電氣絕緣受損，縮短電纜終端使用壽命。

按照高壓供配電系統的設計要求，三相四線制的系統中需要增加零序電流監控、保護，零序電流只應用于三相四線制的電路中，但在實際應用的高壓供配電系統中存在很多三相電路，往往我們會忽視這一部分電路中外部原因造成的漏電電流及系統本身不平衡電流的監控，這兩種電流較小時對電纜不會產生大的危害，一旦超過一定的數值，將會對整條高壓電纜產生破壞性的影響，燃燒后將會引燃附近的高壓電纜，對于整個供配電系統都是一個不小的危害。

此項工作可有效地對高壓電纜屏蔽層中的電流進行監控，及時發現問題，及時解決問題，可大大的減小此類事故發生后的經濟損失。

此項工作可有效地對高壓電纜屏蔽層中的電流進行監控，及時發現問題，及時解決問題，可大大的減小此類事故發生后的經濟損失。

研究高頻傳感器在高壓電纜電磁暫態信號采集方面的應用、分析不同故障類型下放電現象，同時監測電纜金屬護層的穩態接地電流及其變化量，研究電纜運行過程的暫態行波和穩態分量，預測電纜絕緣狀況，學習行波測距原理驗證電纜故障點測距的可行性，完成電力電纜在線監測裝置的上線運行。

系統采用高頻傳感器采集獲取電纜接地線暫態電流信號。

主要技術指標如下：

（1）高頻電流信號采集傳感器：100K～5MHz帶寬。

（2）輸出阻抗：50Ω。

（3）運行環境溫度：-40℃～+70℃。

路由器：

使用的路由器通過MAC地址以及域名等多種數據，支持SSID廣播控制，支持基于MAC地址的訪問控制，過濾以實施訪問的安全策略。

技術指標：

（1）通訊網絡：4G全網通。

（2）輸入電壓：220V±20%。

3 結語

預計對150t、1780系統所有10KV的高壓電纜屏蔽層完成監控的安裝，因150t10KV高壓電纜全部為三芯電纜，三芯電纜幾乎全部采用雙端接地，此次計劃監控高壓電纜兩端屏蔽層電流，為節省費用電流互感器使用武漢科信和電子有限公司生產的KXT10-50A（孔徑22mm）電流互感器，該種電流互感器可直接輸出DC4-20mA信號，每個監測點可節省資金900元左右。監控需要在冶金轉爐變壓器室、150t連鑄變壓器室、150t綜合除塵配電室設置三個遠程站，遠程站之間使用光纖收發器通訊。值班人員可在監控中心或通過遠程訪問的方式，直觀的查看各條電纜線路運行情況，當出現異常時系統會自動彈出報警提示。方便了工作人員對電力電纜日常的監測和維護，并且系統自動保留原始數據以便以后的利用。電力電纜狀態監控系統的應用將減少工作人員親自與運行電纜近距離接觸的機會，提高安全可靠性。