電流諧波環(huán)境下電纜故障監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TP274；TM75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）05-0189-04

Abstract：Inorderto solve the problemoffault monitoring intheoperation of power cables，starting fromthe analysisof thecomposition，functional requirements and technical indicators ofthe monitoring system，acable fault monitoring system was built based on the high-frequency pulse current method.The monitoring process and method of partial discharge monitoring system were analyzes andoptimizes，and the cable fault ina current harmonic environment by improving the optimization strategy were detects andanalyzes.The results showed thatthe of-line monitoring partial discharge monitoring system could monitor thecable electrical signalandotherdata in thecurrent harmonic environment inreal time，and accurately judge the cable fault point in the current harmonic environment，and therange was accurate within 2O maround the monitoring point.Combined with the cable setting during cable operation inthe current harmonic environment，the precise location of the cable faultcouldbe further investigated，and the cause of the cable fault and the cable troubleshooting measures could be given in combination with the monitoring system database.

Key words：current harmonics；cable failure；high-frequency pulse current method；ofline monitoring； positioning monitoring

電力電纜故障是一種在輸電和配電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)和外部環(huán)境變化等因素，在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生短路、斷網(wǎng)等故障的現(xiàn)象。常見的故障原因包括絕緣老化、短路、接頭接觸不良等[1]然而，由于電力電纜系統(tǒng)復(fù)雜、分布范圍廣、使用環(huán)境惡劣等因素，電纜故障點(diǎn)不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定程度上會(huì)給電力電纜運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)損失[2]。急需設(shè)計(jì)一種電纜故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保障在電力電纜運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并在故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)、快速查找與測(cè)量故障位置，排除故障隱患。無(wú)論哪種類型的電力電纜故障[3]，都需要首先查找故障發(fā)生的位置，然后基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)或者現(xiàn)有監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析預(yù)判，這個(gè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)采集的全面性等在很大程度上將決定故障監(jiān)測(cè)和排除效率。雖然目前采用差分法、方向耦合法、電磁耦合法、超高頻電容耦合法、超聲波檢測(cè)法等監(jiān)測(cè)方法能在一定程度上對(duì)電纜故障進(jìn)行檢測(cè)，但是同時(shí)存在誤差大、監(jiān)測(cè)工序復(fù)雜、靈敏度低等問題[46]。為解決電力電纜運(yùn)行過(guò)程中的故障能便捷、高效監(jiān)測(cè)難題，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和功能要求[]，基于高頻脈沖電流法搭建了電纜故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程和方法等方面進(jìn)行分析和優(yōu)化，并對(duì)某電流諧波環(huán)境下的電纜故障進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果將有助于電力電纜故障監(jiān)測(cè)，提高電流諧波環(huán)境下電纜運(yùn)行的可靠性和安全性。

1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及功能要求

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

電纜故障監(jiān)測(cè)項(xiàng)目眾多，主要包括需要監(jiān)測(cè)區(qū)域電纜及其配件的局部放電情況，以及對(duì)電纜運(yùn)行期間的絕緣狀態(tài)等情況進(jìn)行收集和分析等[8]。圖1所示為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖，在電纜設(shè)備實(shí)施運(yùn)行過(guò)程中，電纜相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)電纜網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)中涉及交換機(jī)、局部監(jiān)控主機(jī)、采集器、接地線和接頭等。此外，還包括各主機(jī)部分自帶的信號(hào)采集單元、傳輸數(shù)據(jù)控制單元、感性傳感器、控制單元和軟件系統(tǒng)等。通信光纜、六類網(wǎng)線和同軸電纜用于采集單元和控制計(jì)算機(jī)之間的傳輸[9]

1.2 功能要求

電流諧波環(huán)境下電纜故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要滿足如下要求[1°]：（1）能夠?qū)\(yùn)行電纜的放電量、放電次數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析；（2）能夠測(cè)試電纜系統(tǒng)的頻率、相位分辨率等參數(shù)；（3）能夠?qū)χ芷诜秶鷥?nèi)的放電譜圖進(jìn)行記錄和分析；（4）能夠構(gòu)建多參數(shù)（放電量、放電相位等）數(shù)據(jù)庫(kù)，并在線查詢、分析，為電纜故障診斷提供預(yù)警和報(bào)警信號(hào)；（5）具備監(jiān)測(cè)程序軟件，可近距離和遠(yuǎn)程對(duì)電纜系統(tǒng)進(jìn)行診斷；（6）需要配制濾波器，對(duì)電纜系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行采集，避免干擾信號(hào)；（7）監(jiān)控中心與運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)控主機(jī)應(yīng)保持同步運(yùn)行等。

1.3主要監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)

常見的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)主要包括總體參數(shù)、數(shù)據(jù)采集硬件技術(shù)參數(shù)、HFCT傳感器技術(shù)參數(shù)、TEV 傳感器技術(shù)參數(shù)、軟件功能等幾個(gè)方面[11]。如總體參數(shù)包括：電源、功率、主保險(xiǎn)絲、工作溫度、存儲(chǔ)溫度、相對(duì)溫度、操作環(huán)境和防護(hù)級(jí)別要求等，數(shù)據(jù)采集硬件技術(shù)參數(shù)包括：探測(cè)頻率范圍、使用局放傳感器、數(shù)據(jù)采集方法、觸發(fā)源、采集周期、采樣率、最小脈沖上升時(shí)間、最大記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理等，TEV傳感器技術(shù)參數(shù)包括：-3dB頻率響應(yīng)、典型上升時(shí)間、負(fù)載阻抗等；軟件功能主要包括：用戶界面、瀏覽器兼容性、局放數(shù)據(jù)顯示、HTML網(wǎng)頁(yè)瀏覽界面等[12]。其中，HFCT傳感器和 TEV 傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 離線局部放電監(jiān)測(cè)

圖2所示為局部放電測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，涉及 110～500kV 電纜、PD傳感器、電纜接頭、噪音天線、光發(fā)信器。為了高效率實(shí)現(xiàn)電流諧波環(huán)境下電纜故障監(jiān)測(cè)，采用了高頻脈沖電流法（高頻頻率80MHz ），在實(shí)際系統(tǒng)搭建過(guò)程中，在電纜終端裝配有傳感器。PD傳感器通過(guò)通信光纖傳遞信號(hào)，在通道開關(guān)控制下，將接收信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)主機(jī)，其中4個(gè)BPF通道可單獨(dú)運(yùn)行也可以并行運(yùn)行，然后進(jìn)行4通道高速AD變換，同時(shí)將信息進(jìn)行儲(chǔ)存（內(nèi)存記憶）[13]。在顯示端口設(shè)置有4通道、8個(gè)窗同時(shí)顯示，結(jié)合頻譜分析儀和示波器的測(cè)試結(jié)果，在臺(tái)式電腦或者手提電腦顯示。此外，通過(guò)電腦終端自帶的分析軟件，可選擇f-q-t圖譜識(shí)別、x-q-t圖譜識(shí)別、 圖譜識(shí)別、多重邏輯門識(shí)別和高壓同步信號(hào)噪音抑制門等[14]，最終實(shí)現(xiàn)電纜內(nèi)部局部信號(hào)監(jiān)測(cè)，為故障診斷提供依據(jù)。

2.2 離線局部放電監(jiān)測(cè)過(guò)程與方法

對(duì)某區(qū)域的電流諧波環(huán)境下電纜局部放電監(jiān)測(cè)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)6次在線監(jiān)測(cè)仍然無(wú)法判別是否局放，因此采用離線局部測(cè)試的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖3所示為終端電氣接線圖。包括地面、一樓、二樓、三樓、四樓、PDM主機(jī)連接示波器、頻譜儀和PC終端，通過(guò)分析模擬PD信號(hào)發(fā)生器接收到的A相、B相和C相信號(hào)，觀察各個(gè)階段的信號(hào)變化，確認(rèn)電流諧波環(huán)境下電纜局部放電信號(hào)發(fā)出的位置[15]

圖4所示為電流諧波環(huán)境下電纜故障電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，包括電力電纜端、行波采集系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)和行波綜合分析端。在電流諧波環(huán)境下電纜實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，將行波采集系統(tǒng)安裝在電纜終端上，對(duì)電力電纜數(shù)據(jù)進(jìn)行全天候采集，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)（光纖通信或者無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)）實(shí)時(shí)傳輸給行波綜合分析系統(tǒng)[16]。行波綜合分析系統(tǒng)根據(jù)采集到的電纜信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)分析，給出預(yù)警信號(hào)，也可以人工遠(yuǎn)程提取電力電纜運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障排查，并提取過(guò)往故障數(shù)據(jù)、解決措施等[17]，給出新的故障點(diǎn)及排除方案。

數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。在對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程和系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)前，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)到A相、B相和C相的信號(hào)，且A相和B相信號(hào)較為相似，而C相出現(xiàn)局部波形特征；在系統(tǒng)改進(jìn)后，系統(tǒng)仍然能夠監(jiān)測(cè)到A相、B相和C相的信號(hào)，且A相和B相的局部波形明顯減弱，而C相的局部波形明顯增強(qiáng)。對(duì)比分析可知，A相中含有明顯的局部波動(dòng)，從而通過(guò)采集時(shí)間間隔判別諧波環(huán)境下電纜監(jiān)測(cè)故障點(diǎn)[18] 。

通過(guò)對(duì)電流諧波環(huán)境下電纜監(jiān)測(cè)過(guò)程中放電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別記錄了A相、B相和C相的采集

2.3離線局部放電監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5所示為人工注入信號(hào)反射時(shí)間和原信號(hào)反射時(shí)間對(duì)比圖。其中，S1、S2和S3表示不同區(qū)域的電纜節(jié)點(diǎn)。

由圖5對(duì)比分析可知，電流諧波環(huán)境下電纜監(jiān)測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得的原信號(hào)反射時(shí)間，與人工注入信號(hào)改進(jìn)后的反射時(shí)間存在一定差異。通過(guò)反射時(shí)間差異可大致判斷故障點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，并由此結(jié)合電流諧波環(huán)境下電纜運(yùn)行過(guò)程中的電纜設(shè)置情況[19]，判斷故障位置大致位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍20m范圍內(nèi)。后續(xù)可根據(jù)定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步排查，找出電纜故障位置并進(jìn)行故障分析，給出電流諧波環(huán)境下電纜故障排除措施[20]

3結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)電流諧波環(huán)境下電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理分析，給出了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，并提出了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能要求和技術(shù)指標(biāo)；（2）為了高效率實(shí)現(xiàn)電流諧波環(huán)境下電纜故障監(jiān)測(cè)，采用了高頻脈沖電流法（80MHz）進(jìn)行離線局部放電監(jiān)測(cè)，介紹了離線局部放電監(jiān)測(cè)過(guò)程與方法；（3）通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化方案對(duì)某電流諧波環(huán)境下的電纜故障進(jìn)行檢測(cè)分析，采用離線監(jiān)測(cè)局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可準(zhǔn)確判斷電流諧波環(huán)境下電纜故障點(diǎn)，范圍精確在監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍 20m 內(nèi)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王浩，李炳全，秦培林. 10kV 電纜故障診斷分析及預(yù)防策略[J].設(shè)備管理與維修，2023（18）：166-167.

[2] 陳智慧.煤礦井下電纜接頭電弧故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2021，30（2）：141-143.

[3] 冷述文，李建光，夏文暉，等.基于行波原理的電力電纜故障在線監(jiān)測(cè)[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2023（5）：221-224.

[4] 張偉.光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].粘接.2023，50（12）：193-196.

[5] 楊帆，張文娟，孫劍偉，等.通過(guò)振動(dòng)信號(hào)判斷機(jī)械設(shè)備故障方法研究[J].粘接.2020，41（4）：171-175.

[6] 曹雙鵬，許曉峰，楊楮涵.電力電纜故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J].電子世界，2019（24）：154-155.

[7] 王曉愚.淺析電力電纜故障診斷與監(jiān)測(cè)[J].通訊世界，2019，26（1） ：173-174.

[8] 王婷.電聲氣聯(lián)合的變壓器綜合監(jiān)測(cè)方法的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2022.

[9] 閆峰.高電壓電纜的故障監(jiān)測(cè)技術(shù)分析[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（12）：256-257.

[10] 張敏.煤礦井下高壓電纜故障監(jiān)測(cè)與預(yù)防[J].礦業(yè)裝備，2023（9）：105-107.

[11] 耿玲，陸辰緣，楊啟明，等.配網(wǎng)電力電纜故障監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017（12）：75-76.

[12] 諶業(yè)剛，龔士寶，陳斌，等.電力電纜故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2017，36（1）：144-148.

[13] 朱軼瑾，鄭雯佳，何嘉超.高壓電力電纜故障監(jiān)測(cè)措施的相關(guān)研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（16）：27-28.

[14] 劉偉.基于Hadoop 的電力電纜故障監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究[J].花炮科技與市場(chǎng)，2019（1）：195-196.

[15] 石武.電力電纜故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2018（15）：118-119.

[16] 焦婷，李紅雷，魏本剛，等.基于分布式光纖傳感的超導(dǎo)電纜漏熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].低溫與超導(dǎo)，2022，50（6）：66-70.

[17] YUAN GL，WEI L F，WEN Z W，et al.Improving theCharge Preamplifier of ITER Neutron Flux Monitor System[J].Fusion Science and Technology，2022，78（5）：420-426.

[18] 楊濤，白晗，劉洋，等.基于EEMD 和改進(jìn) Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力電纜故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警算法研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（10）：59-62.

[19]BEIMASIV，BILOUSOI，TANTSURAGI，et al.De-velopment ofa system forcontinuousautomatic monito-ring of the cable rope condition[J]. Strength of Materi-als，2022，54（5） ：825-840.

[20] 倪輝，田祿，李奇超，等.基于暫態(tài)零序電流法的站內(nèi)電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及驗(yàn)證試驗(yàn)[J].寧夏電力，2020（3）：8-13.

（責(zé)任編輯：蘇帆）