摘要：电力电缆作为连接发、供电、用电网络的桥梁和纽带，其使用量正在逐年增加。交联聚乙烯（XLPE）电力电缆以其优越的电气、热及力学性能和敷设容易、运行维护简单等优点被越来越广泛地应用，并成为电缆发展的主流。电力企业的大量运行实践表明，电力电缆并不是免维护的。因此，无论是供电企业，还是用电企业，每年都要投入大量的人力物力，对电力电缆及设施进行维护和管理。当前，社会对电力行业供电可靠性提出了更高的要求，需要保证电网的安全、稳定运行。电力电缆在线监测技术在工程实践中得到广泛应用，主要应用于安全隐患识别、故障点诊断、预警研判等方面，目前已成为电力故障检测的重要手段。
关键词：电缆故障预警；电力故障检测；测距；在线监测
引言：
长期以来，小电流接地电网中的电缆单相接地故障都缺少可靠的故障判别方法。研究和试验表明，小电流系统中电缆接地故障的监测之所以困难，主要原因在于故障电流小及接地点电弧不稳定。特别在经消弧线圈接地系统中，流过电缆故障线路的稳态电流十分微弱，甚至比健全线路感受到的电流变化还小，而故障点的不稳定电弧将使故障电压、电流信号严重畸变。受此影响，目前在用的在线监测方法主要是利用各种稳态信号(包括故障产生的工频零序和负序电压、电流信号，谐波电压和电流信号以及注入的电流信号等)作为故障判断依据，实际使用效果均不甚理想。因此，研究采用其他方法，借助先进技术开展电缆故障的预警工作，对于尽早发现并处理电缆早期故障，避免实质性故障带来的停电而影响生产安全，具有重要意义。
1电缆故障监测常用方法及研究意义
目前，国外对电力电缆的在线监测技术有多种方法，如直流叠加法、直流成分法、工频介损法以及低频介损法等。国外对于电缆故障的在线监测技术开展比较早。在20世纪80年代初，日本就在该领域进行了研究和探索，开发出直流分量法、叠加电压法和介损法等多种诊断技术。主要应用在33kV、66kV和110kV电压等级下电网中性点接地系统。对于中性点为不接地、经消弧线圈接地或接电阻接地系统，采用的方法主要是直流叠加法。由于国外电力系统多为大电流系统，故积累的一些应用经验和运行装置的设计对于国内目前的小电流系统无太多参考价值。
我国的电缆在线监测起步较晚，发展相对缓慢，主要采用小波分析法、谐波分量法以及接地线电流法等，但还不完善。近年来，随着信号处理技术、计算机技术以及通信技术的发展和应用，电力设备绝缘在线监测技术得到了迅速发展。但是，国内外对于电缆绝缘故障的在线监测研究还不够成熟，仍然是电力监测技术的前沿课题。目前，实际应用最广泛的监测方法仍然是在电力电缆出现实质性故障后，采用先人工停电(或自动跳闸停电)后排查的处理方法，即电缆停电后对电缆施加直流高压使故障点击穿来查找故障点。这种方法极易损伤附近运行中的电缆，更无法在矿用电缆中使用。因为高压击穿会产生电火花，增加引起邻近电缆故障的可能性，从而给安全生产带来隐患。
2监测系统基本原理及关键技术
2.1电力电缆绝缘状态在线监测基本原理
对于单芯电力电缆，其金属护层故障必然会表现为护层接地电流的变化。由于电磁耦合作用，当电缆主绝缘品质发生变化时，也会反应在金属护层接地电流的变化上。电缆金属护层接地电流的变化量明显区别于正常情况下的护层接地电流，其中不仅含有幅值明显的稳态分量，而且还含有丰富的高频暂态行波分量。可见，对电缆金属护层接地电流进行实时、有效的监测，不仅可以及时发现电缆金属护层的绝缘故障，从而消除电缆主绝缘故障隐患，还可以及时发现电缆主绝缘自恢复故障，从而实现电缆在线故障预警。为此，提出通过同时在线监测电缆金属护层接地线电流中的工频稳态故障分量和高频暂态行波故障分量来发现电缆护层绝缘故障和主绝缘自恢复故障，进而实现电缆在线故障预警。利用接地线稳态电流的电缆在线监测原理：对于金属护层采用单端接地方式的单芯电力电缆，金属护层在正常情况下的接地电流极小，主要是稳态的容性电流。而一旦金属护层出现多点接地，与大地形成回路后的稳态接地电流（环流）将显著增大。对于系统中性点采用小电阻接地方式的三芯和单芯电力电缆，当电缆主绝缘发生自恢复故障时，在电缆金属护层接地电流中也会出现变化显著的暂态分量。因此，通过实时监测电缆金属护层的稳态接地电流及其变化量，可以及时发现电缆金属护层的绝缘故障（对于单芯电缆），对电缆护层故障修复有助于避免水分、潮气等从护层故障点进入电缆主绝缘，从而避免引发主绝缘故障。还可以及时发现电缆主绝缘自恢复故障（对于系统中性点经小电阻接地的电缆），无论是水树枝引起的电缆主绝缘缺陷，还是电树枝引起的电缆主绝缘缺陷，均能实现电缆在线故障预警。利用稳态接地电流的电缆在线故障监测判据可以表示为：
对于单芯电缆：
（3）
对于三芯电缆：
（4）
式中：Iφg为单芯电缆某一相的护层接地线电流；Ig为三芯电缆的护层接地线电流；IZD为整定值（躲过正常运行情况下的电容电流）。
2.2高频暂态行波信号的获取
由于电缆绝缘瞬时击穿时将在电缆接地回路中产生极高频率的暂态行波信号，故可以通过设计专门的传感器来获取电缆末端接地线上的暂态行波电流信号。传感器频带需要根据行波测距精度以及抗干扰能力综合考虑。当传感器的频带最低频率为小于2MHz时，会采集到更多的自恢复故障信息，有助于对故障行波的分析。但由于频带降低同样会采集到大量干扰信号影响行波波形的识别，降低测量的精度。当传感器频带最高频率高于125MHz时，根据采样定理，系统高频采集单元的采集频率至少要大于250M，由于成本的限制，没有必要。采用的行波传感器频带为2～125MHz。
2.3超高速数据采集
早期开发的行波测距装置不具备行波波形采集记录功能，只是使用一个电压比较电路，通过判断输入信号是否超过门槛值来检测行波脉冲。由于电压行波信号上升速度一般比较慢，采用电压比较法检测出的行波脉冲到达时刻与实际的脉冲前沿之间往往有较大的时间延迟，影响故障测距精度。这种检测方法还存在着易受干扰信号影响、检测可靠性差的缺点。为了保证行波测距的精度，行波信号采集频率应当提高到一定的程度，使用常规的由微处理器直接控制模数转换器（A/D）的方式很难实现。为此，设计了专门的超高速数据采集电路单元来记录故障电流行波信号，其采样频率为250MHz。由高频传感器采集到的截止频率大于2MHz的电磁暂态信号，经信号调理电路进行增益调整和低通滤波送给高速模数转换和高速比较器，在现场可编程逻辑门阵的控制下根据高速比较器的输出决定是否启动高速模数转换和存储，中央处理器通过中断得到数据有效信息，经过算法处理，通过以太网将数据以网络通讯方式上传到上位机。
3结束语
电缆故障预警及测距在线监测技术是保障高压电缆安全可靠运行的重要技术手段之一，能够及时发现运行中交联聚乙烯电缆水树枝造成的常见缺陷和隐患。在自动连续监测状态下，利用通讯技术实时将电缆危险征兆提报给监测和检修人员，而达到事故之前的计划检修，避免事故扩大和经济损失。
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论文作者:岳峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
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