10kV地下配電電纜與接頭故障預警探索及裝置研究

廣東電網有限責任公司江門鶴山供電局 陳 黠 陳興堯 鄧俊超 馮國全 鐘玉城

隨著現代電力系統的不斷發展，地下配電電纜逐漸成了城市中的主要輸電方式之一。然而，由于地下電纜安裝在復雜的環境中，存在著被擠壓、損壞或老化等多種因素導致的故障風險。為確保電力系統的可靠性和穩定性，及時預警和處理地下電纜故障已成為電力工程師們必須解決的問題之一[1]。本文將以10kV地下配電電纜與接頭故障預警探索及裝置研究為題，從預警方法、解決方案等多個方面進行探討。

1 10kV地下電纜監測優化方案探討

1.1 地下配電電纜故障的原因

電纜故障的主要原因有以下三種原因：一是電纜老化。地下電纜使用壽命長，經過多年的使用，電纜的絕緣層和護套會出現老化，導致電纜故障。二是電纜接頭不良。地下電纜接頭不良會導致電纜出現溫升，增加電纜故障的風險。三是線路施工不當。線路施工中，如果對地下電纜的絕緣層和護套造成損傷，會導致電纜故障。以上三種原因是導致地下配電電纜故障的主要原因。其中，電纜中間接頭用于電纜的連接，且是電纜的薄弱環節。據對故障統計分析，中間接頭故障導致的電纜故障占電纜總故障70%。

而配電電纜通常采用淺溝、排管甚至直埋等方式鋪設，巡視難度大，無法掌握電纜的運行狀態；配電電纜現場情況復雜，導致故障點精確定位，需要大量的時間和人力物力；目前主城區通道資源有限，大量電纜同溝鋪設，高壓電纜及接頭因為施工工藝問題，或達到一定年限以后，常會發生絕緣被擊穿而造成事故，一旦著火會造成多根同溝電纜燒毀，引起大范圍停電事故，從而可能造成重大的經濟損失。

為確保電力網絡的安全，國內外專家研究了一些技術手段對地下配電電纜與接頭進行實時監測，從而實現故障預警。目前，常見的地下配電電纜故障預警方法主要包括以下幾點。

一是紅外熱像法[2]：通過紅外熱像儀對地下電纜的溫度進行監測，一旦電纜發生故障，溫度就會出現異常，從而及時預警。二是聲波法：通過傳感器監測地下電纜發出的聲波信號，一旦電纜出現故障，聲波信號就會發生變化，從而及時預警。三是放電法：通過對地下電纜放電信號進行監測，一旦電纜發生局部放電，就會產生放電信號，從而及時預警。以上三種方法中，放電法即對高壓電纜進行局部放電的在線監測是目前公認的有效預防電纜故障的方法。

本文針對以上配電電纜與接頭存在的實際問題，提出了一個高壓電纜綜合在線監測系統[3-5]。通過對電纜局放與電纜周邊運行環境進行實時監控，可在重大電纜事故發生前的數周至數十周的時間范圍內發出告警信息，防止故障的發生。

1.2 監測設備的放置

高頻信號在向兩端傳播過程中，由于電纜的物理特性，相對于低頻成分，其高頻成分會衰減的更厲害。地下電纜的高頻信號衰減常數，決定了高頻信號如何衰減，為了有效監測局放信號，監測設備與局放信號源的距離不能過大。如圖1所示是一個典型的地下電纜總衰減常數與電纜各個部分對總衰減常數貢獻圖，從圖中可以看出電纜總衰減常數隨著信號頻率變大而變大。實際中，不同電纜的結構與材料差別比較大，從而導致高頻局放信號在傳輸中的高頻衰減常數并不相同，相差甚至比較大。

圖1 地下電纜總衰減常數與電纜各個部分衰減系數圖

兩個局放波到達高頻采樣設備之間的時間差Δt，與距離的關系如圖2所示。圖中L2為局放設備與變電站的距離；v為局放信號傳播速度；x為高頻采樣設備與局放源的距離。從而可以推導出x=2L2-vxΔt。

圖2 電纜局放信號傳播與高頻監測設備采集

由于局放傳播速度快，要精確地測量局放源頭，時間差Δt測量要求準確。而時間差的測量與高頻采樣波形捕獲緊密相關。如圖2所示，精確測量時間差的關鍵為：一是設備采樣頻率要足夠高，這樣才能準確記錄波形；二是局放波本身要特征明顯，這樣才能準確判定波形的時間差。圖2中，局放波本身脈沖寬度較大，脈沖起始點與脈沖峰值就很難準確判定，從而導致很難準確測量時間差。為了準確測量時間差，根據圖2和其他文獻，有效監測局放信號，監測設備與地下電纜局放信號源距離一般應小于3km，也即一個監測設備可監測鄰近2～3km范圍內電纜局放狀況。如圖2所示，如將監測設備，每隔2km，放置于電纜處，理論上則可監測設備左右4km范圍內的局放信號，從而實現對該段電纜絕緣故障水平有效監控。

當局放信號從問題點產生后，其沿著電纜向兩端傳播。如圖2所示，在放置一個監測設備的情況下，當局放信號向左傳播時，在t1時刻，高頻采樣裝置會捕獲到第一個局放波形，此為局放波Ⅰ。從局放源向右傳播的局放波，在到達變電站2后，會反射，向左傳播，并在t2時刻到達高頻采樣裝置，并被捕獲，此為局放波Ⅱ。

1.3 局放監測設備

局部放電由于脈沖時間較短，放電信號的頻率范圍可從直流跨越到幾千兆赫，高頻脈沖信號在電纜中傳輸時，其高頻成分很快衰減，但仍然在兆極。為了有效地監測到局放信號，需要高頻采樣（一般大于50MHz）。因為要采集高頻信號，對于采樣設備，需要精心處理（如圖3所示）。

圖3 高頻采樣監測裝置實物

在設計局放監測設備時，需要注意一些技術細節，比如選擇合適的頻段：局放信號通常包含一系列頻率成分，因此設備應能夠在廣泛的頻段內進行監測。選擇適當的頻段可確保能夠捕捉到故障產生的局放信號。而高靈敏度和寬動態范圍的設計也較為關鍵。局放信號通常比較微弱，因此設備需要具備高靈敏度，能夠檢測到低幅值的局放信號。

同時，由于局放信號的幅值可能在不同故障情況下有較大差異，設備還應具備寬動態范圍，以保證在不同故障條件下都能夠準確測量。由于現場干擾大，局放監測設備應具備較強的抗干擾能力，能夠有效地抑制來自外部環境的干擾信號，以保證測量結果的準確性和可靠性。而由于局放信號通常具有快速變化的特點，因此設備需要具備快速的采樣和處理能力，以捕捉和分析局放信號的動態變化。

目前，主流監測設備都具備多通道監測能力。為了全面監測電纜系統中的局放情況，設備應具備多通道監測能力，可以同時監測多個接頭或區域，以提供更全面的故障信息。為了防止停電時數據丟失，局放設備一般也具有數據記錄和初步分析功能。如此以幫助工程師進行故障診斷和評估，為維護決策提供支持。

出于對安全性和可靠性考慮，設計中應考慮設備的安全性和可靠性，包括電氣隔離、防護措施、抗干擾設計等，以確保設備在工作環境中的穩定運行和使用安全。

該高頻采樣裝置的系統，高頻CT輸出高頻局放信號到前端處理電路。前端處理電路的濾波器將噪波濾去，再輸出到高頻模數轉換器（ADC）。ADC的輸出通過FPGA讀取，處理后，經過WI-FI傳送到現場人員使用的電腦上，經專業軟件處理，即可得出監測設備監控電纜的絕緣狀態。而且采用大容量存儲卡存儲現場數據，確保數據完整可靠。設備封裝采用IP65設計，可以在野外惡劣條件下運行。

2 初步結果與討論

監測設備測試所錄的高頻波如圖4所示。

圖4 測試結果

從圖4可以看出，系統可以高頻采樣暫態信號，并將所錄波形上傳到上位機上進行處理。設備目前已安裝投入運行，系統運行穩定，采集所得數據在分析驗證當中。

3 結語

本文對10kV地下配電電纜與接頭故障預警進行了探索。通過分析電纜與接頭的故障原因和特點，提出了一種基于預警技術的解決方案。該方案結合了傳感器技術、數據采集與處理技術以及故障診斷算法，通過對電纜局放參數的監測，及時發現異常情況，并通過故障診斷算法進行故障類型的判斷和定位，實現了對地下配電電纜與接頭的實時監測和故障預警。

本方案的實施可有效減少電力系統的故障停電時間，提高供電的可靠性和穩定性。同時，通過實時監測和故障預警，可以減少維修和檢修的成本和工作量，這對于電力系統運維和管理具有重要意義。未來，將進一步研究和改進這一方案，探索更加先進的監測技術和故障診斷算法，提高電力系統的故障預警能力，為電力系統的安全穩定運行提供強有力的支持。