南水北调电缆型故障定位及负荷监测系统的研究

□王卓然 □张亚辉 □张大鹏

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

0 引言

南水北调中线一期工程宝丰郏县段35kV永久供电线路已于2014年9月建成并通电运行，供电线路主要采用架空方式由南向北沿着南水北调中线总干渠敷设，供电线路在进出降压站和受黄河南段复杂地形地物的影响，在南35kV永久供电线路系统中使用了较多的地埋高压电力电缆。因电缆存在相间及相对地存在电容，且电缆线路相间及相对地间电容远远大于架空线路容易造成短路故障，需要设置一套新型的电缆型故障定位及负荷监测系统，来完成对整个南水北调中线一期工程宝丰郏县段35kV永久供电线路的维护、检测。

1 设置监测系统的必要性

南水北调中线一期工程宝丰郏县段35kV永久供电线路在正常运行条件时，高压三相电力电缆电容电流会迅速增大，容易超过隔离开关分断能力，可能引起误操作，因高压电力电缆埋设在南水北调总干渠右岸封闭绿化带内，不利于快速查找、分析故障原因。当35kV永久供电线路系统发生单相接地故障时，接地电弧不易自行熄灭，继而发展成相间短路，单相接地故障易发生电弧接地过电压，在一个工频周波内，健全相过电压可达3～3.40倍正常相电压，使整个配电网络绝缘薄弱的设备放电击穿，引起设备损坏，造成系统断电，使整个南水北调中线一期工程黄河南段35kV永久供电线路供电可靠性降低，严重影响南水北调中线一期工程的决策调度，故建立一套电缆监测系统势在必行。

电缆型故障定位及负荷监测系统可安装在沿南水北调总干渠布设降压站的环网开关柜、电缆分支箱或箱式变压器等电力设备中，主要用于监测开关位置状态、相应电缆区段的短路或接地故障以及电缆温度异常告警，同时采集线路上的实时负荷电流值及电缆实时温度值，保障线路的安全、可靠的运行。

2 监测系统功能概述

电缆型故障定位及负荷监测系统是基于配网监测主站，以零序电压、线电压、接地暂态电流和线路稳态电流等多个参量为特征值，综合判断，排除空载涌流、临近干扰等影响，实现更准确的故障检测，使得故障定位的功能更为可信，是建立在故障指示器技术、小无线/GPRS/GSM通信技术、web技术三大技术之上，基于通用的B/S架构方案，具备台区信息管理与分析，架空及电缆线路故障数据分析和异常事件上报、动态图形化显示及故障快速定位，支持客户已有CAD格式线路图的直接导入功能，以及日志、查询、遥控操作、短信服务、系统配置等应用功能。

电缆型故障定位及负荷监测系统采用双电流互感器技术，供电与采样分开，电流测量精度控制高，在3%以内，启动电流<5A采用微功率无线与遥信终端通信，工程实施简单，使用功耗较低。

3 监测系统设备组成

电缆型故障定位及负荷监测系统主要由电缆型配网监测主站、故障指示器，配网遥信终端等部分组成。

将配网监测主站设备布置在沿南水北调中线总干渠布置的降压站内，用以监测区间内供电线路的运行情况，配网监测主站设备布置在降压站的调度控制室内。配网监测主站具备线路故障数据分析和异常事件上报，动态的图形显示以及故障快速定位，并支持对故障记录线路电流及温度数据的查询检索等应用功能。

电缆型故障指示器具备故障监测及上报，线路实时负荷电流测量以及线路电缆温度测量采集等功能，并支持微功率无线通信，与配网遥信终端进行数据交互。电缆型故障指示器中集成了低功耗MCU，可实时采集相电流、相线温度，进行电流越限、温度越限的分析，并将相关电流、温度、故障信息通过无线通信上传至通信终端。

配网遥信终端拟安置在南水北调中线总干渠降压站通讯室的自动化控制柜设备中，采用模块化以及低功耗的设计，是监测系统的基础单元，是一个接口界面单元，具有丰富的无线调试功能，可进行信号强度、通信能力、中继通信等功能调试。配网遥信终端的主要功能用于遥信量的采集电缆线路（短路及接地故障以及温度异常故障）监测、线路模拟量（电流及温度数据）采集及监测。

配网遥信终端可以同时监测24路开关节点状态，并生成相应的遥信变位信息及SOE信息。并通过微功率无线可与线路的带通信功能故障指示器进行通信，实现对线路故障监测、实时电流负荷及电缆温度数据的采集。采集到的数据通过光纤或者无线信道上报配网监测主站。

4 监测系统特点

4.1 综合布线采用无线通信技术

传统的监控、监测设备的综合布线一般通过光纤或电气等有线连接方式，布线及维护困难。南水北调中线一期工程35kV永久供电线路的电缆型故障定位及负荷监测系统，提出采用无线通信方式进行连接，免去在南水北调现场布线和线路改造而带来的困难。

远程通信方式为GPRS或以太网，采集通信方式采用微功率无线方式；本地采集通信频率为505MHz；具有电流采样高精度的特点。

4.2 低启动电流供电方式

取电装置供电能力与35kV永久供电线路电流的大小直接相关，在线路电流较小时，取电装置供电能力较弱，目前需要供电线路电流>30A才能提供大约3W的供电能力，严重限制了此类产品的应用范围。电缆型故障定位及负荷监测系统可在降低设备功耗的同时，通过双电源供电方式，提高CT取电装置供电能力。可将启动电流控制在13A以内，明显优于当前国内平均水平。

4.3 独特供电方式

传统的监测系统设备零序电流传感器不具备自供电能力，如果将采样单元安置在传感器内部，则需定期更换锂电池，维护相对困难。拟在南水北调中线一期工程宝丰郏县段35kV永久供电线路上设置的电缆型故障定位及负荷监测系统将零序电流采样单元安置在A相电流传感器中，相电流传感器可由自身的取电CT供电，具有免维护功能，因此具有灵活的供电方式，支持从CT电流互感器自取电源或通过PT电压互感器提供电源，以满足不同的功能需求。

CT自取电方式需要在南水北调中线一期工程35kV永久供电线路的电流>13A的情况下，远低于传统监测设备要求的33A，作为终端的可靠供电电源，采用CT自取电供电方式的特点有：

在电源引接过程中无需一次设备改造，可完全兼容现有网络结构，设备安装、调试快捷，停电时间较短，设备采用超级电容储存能量，供电持久耐用，在永久供电线路停电后可持续工作90min以上，解决了终端采用充电电池使用寿命短与电池容量不足的问题。

以PT柜为终端提供可靠电源的主要特点有。

专为配电自动化工程提供可靠电源的一种实用新型专利装置（专利号：ZL201220279735.9）；采用氧化锌避雷装置，具备独立的柜体防雷性能；采用电子防一次设备带电误操作装置，一、二次设备隔离，安全性高；采用户外式电压互感器，容量达1000 VA，供电可靠性高；采用智能温湿度控制，装置实现柜内温湿度、气流循环动态控制，延长设备使用寿命；可根据现场情况需要，提供DC12V、DC24V、DC48V直流电源端口实现设备接口零转换。

电缆型故障定位及负荷监测系统采用双电流互感器技术，在应用双电流互感器技术后，可将电流测量精度控制在3%以内，启动电流<5A，领先于当前国内水平。在设备运行中可在一次设备不停电的情况下，对安装在环网柜或开关站内的故障指示器通过无线掌机进行检修和维护，缩短整个南水北调供电系统的维护时间。

5 结语

电缆型故障定位及负荷监测系统基于微功率无线组网技术的配网监测与故障定位系统，综合配电线路的智能监测需求，采集信息全面，故障检测与定位准确，并可有效节省投资，降低运行维护成本。

据统计，单相接地故障占所有故障的70%以上，该故障的检测在我国配网系统中一直比较困难，特别是在长距离输电线路中。为了满足南水北调中线工程供电系统的需求，建立一套电缆型故障定位及负荷监测系统，对整个南水北调中线一期工程宝丰郏县段35kV永久供电线路的电缆运行情况进行实时监测是必要的。

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［2］谷水清主编.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.

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