高压充油电缆漏油故障定位方法应用及探讨

黄小卫， 臧源源， 王和喜

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东广州510405）

高压充油电缆漏油故障定位方法应用及探讨

黄小卫， 臧源源， 王和喜

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东广州510405）

高压充油电缆因其电气性能稳定而广泛应用于输配电领域，但却容易受外力破坏或者其它原因导致渗油漏油。对可能用于充油电缆漏油故障定位的几种方法进行了分析，探讨了其适用范围和各自的优缺点，并进行了改进，拓展了适用范围。对充油电缆发生漏油故障时，压力降与流量的变化关系进行了分析，提出了压力-流量比例的方法，将统计学观念应用于漏油故障定位，以提高定位精度。此外，还对负压波在充油电缆漏油故障定位中应用的可行性进行了探讨。

充油电缆；漏油；油压；流量；故障定位

0 引 言

充油电缆是利用补充浸渍原理来消除绝缘层中形成的气隙，以此提高电缆工作场强［1］。由于其可靠性高、维护工作量少、电缆及附件通用率高、适用电压等级高等优点［2］，从1924年意大利安装的第一条充油电缆开始［3］，它就广泛应用于高电压长距离的输电领域。1983年投运的加拿大本土与温哥华岛跨海联网工程采用的就是39 km（两段，分别长30 km、9 km）500 kV充油电缆［4］；2009年6月30日投运的海南联网工程使用的也是31 km 500 kV充油电缆［5］；2012年开始规划建设的英国Western Link英格兰—苏格兰联网工程采用的海底电缆，其电压等级600 kV，长度420 km，电缆类型仍然是充油。可见充油电缆还将在输电系统中继续得以广泛运行。

充油电缆电气性能稳定，其自身电气击穿的几率非常小，因此更多的故障是由于外力破坏或者施工工艺的差异导致电缆出现漏油。对于海底电缆来说，出现的故障更高达90％以上是由于外力破坏所导致的［6］。充油电缆一旦出现此类故障，将会向外排油，以防止外部潮气、水分等侵入电缆内部，造成电缆的损伤。充油电缆的供油系统一般都安装有流量、压力监测装置，因此完全可以利用电缆向外排油时检测到的压力、流量等相关信息，对漏油点进行定位。

1 冻结法漏油点测寻

用冻结法进行充油电缆漏油点故障测寻的原理如图1所示，图中X点为漏油点，泄漏点查找过程中需要测量观察电缆两端油压。故障定位时首先用液氮或液态空气冷冻A点绝缘油［7］，若图中压力表示数P1不变，P2下降，则漏油点X在A点右侧；然后在A点左侧寻找B点，用同样的方法在故障电缆右端B点进行冷冻，若P1下降，P2不变，则漏油点在AB之间。在AB之间反复寻找冷点进行测寻，缩短故障点的范围，直到找到故障点。

图1　两端供油充油电缆冻结法原理

若充油电缆为一端供油，需将完好的电缆与发生泄漏的电缆油通道在一端连接起来［7］，如图2所示，然后采取上述方法进行故障测寻。

图2　一端供油充油电缆冻结法原理图

用冻结法进行漏油点定位的方法可以查找到轻微的渗漏油故障，但是此种方法需要反复进行测寻，花费时间较长；对于水底或者海底充油电缆，冷冻则不易实现，而且水底或者海底充油电缆故障后需要向外排油，不宜将一端与供油系统进行隔离；另外电缆一般敷设于地下，反复测量过程中也需要反复开挖，电缆越长，工作量越大。因此，冷冻法进行漏油故障点的定位适合于陆上距离不太长的充油电缆。

2 流量法漏油点测寻

2.1流量法泄漏定位的原理

传统的流量法需要电缆两端压力相同，用流量法进行漏油故障点定位时，需要将故障电缆与完好电缆的另一端连接起来［8］，如图3所示，其中C相X点发生漏油，L为单相电缆长度。按照流体力学的相关理论，长管道的压力降为管道体积流量与流阻之积，如图3所示，从B相电缆首端到漏油点与从C相首端到漏油点压力降是相等的，图中流阻与距离是成正比的［9-10］，则可以得到

图3　流量法漏油故障定位示意图

式中，QC、QB分别为C相和B相电缆油道中的体积流量，由安装在供油系统入口处的流量计测出。

则可以计算得出漏油故障点据C相首端的距离为：

为消除环境温度等因素造成的干扰，常采取的措施是在式（1）中B、C两相的流量同时减去正常相A相的流量，得到校正后的漏油点距离为：

2.2流量法泄漏故障定位的改进

上述流量法泄漏定位只适用于一端供油的充油电缆，而且当电缆断成两节时，该方法也不适用；对于两端供油的系统，由于电缆两端压力不相同，则同样无法实现。

实际上绝缘油在电缆油道中流动时，属于流体力学中的层流范畴［9］，其体积流量、压力满足哈根-泊肃叶定律，即

式中：Q为管道中的体积流量；ΔP为压力降；μ为流体的粘滞系数；r为管道半径；L为管道长度。若令

则R即为前面提到的流阻，它与管道长度成正比。

由式（4）可知，电缆内部绝缘油及油道的参数均为已知量，若能够测量或计算出流量与压力降，即可得出漏油点到电缆首末端的距离。

对于两端供油的系统，若电缆两端均装有压力表和流量计，如图4所示，电缆两端测量得到的压力、流量分别为P1、Q1，P2、Q2，设漏油点压力为Px，从电缆两端到漏油点分别使用哈根-泊肃叶定律得

解式（6）、式（7）组成的方程组可得到故障点距电缆首端距离为：

图4　流量法故障定位的改进

传统的流量法进行泄漏点定位，只需测量两端的流量即可，但是该种方法只适用于一端供油的且电缆未发生断裂的情况。进行改进后，需要测量两端的流量、压力共四个数值，一定程度上会使误差增大，但是该种方法能够应用于两端供油的系统；而且当电缆断裂时，两端分别排油，该方法也能检测出断裂点的位置，因水底或者海底的充油电缆，发生故障或者断裂时需要向外排油，该方法具有较大优势，但是由于其精度问题，此种方法只能作为故障定位的初步手段，得到故障点的大致位置，然后采取更为准确的故障定位方法。

3 压力-流量比例法泄漏定位

上述流量法依据单次测量数据，计算得到故障点的位置，当其他原因导致某一测量数据出现误差时将直接影响故障定位的结果。压力-流量比例法就是采用统计学的方法，测量多组压力、流速（体积流量），依据其关系推导出故障点的位置。

压力-流量比例法原理如图5所示，设漏油点距电缆两端A、B距离分别为χ1、χ2，当从一端供油时，流量稳定后，故障点与电缆另一端的压力是相等的。泄漏定位时，先从A端供油，当流量Q1稳定后，AB两端压力差P1-P2也即AX之间的压力差，此时依据式（4）也即哈根-泊肃叶定律可得：

图5　压力-流量比例法示意图

可见，AB两端压力差与漏油的流量成正比，比例系数直接与故障点到A端的距离有关。改变供油端的压力P1，记录多组数据P1-P2及Q1，在坐标轴中描绘出数据点，应近似在一条直线上，如图6a，求出该直线的斜率k1。

图6　压力差与流量关系示意图

用同样的方法，在B端供油，当流量稳定后，可得到：

改变压力P2，记录多组数据，在坐标轴中描绘出数据点，如图6b，求出该直线的斜率k2。

依据式（9）、式（10）可知，k1、k2分别只与χ1、χ2相关，且可得出：

则可计算得出漏油故障点距A、B两端距离分别为：

用压力-流量比例法对漏油故障点进行定位，需要采集多次测量的数据，在坐标系中描点，作出拟合直线，此种方法是实验研究中的常用方法，可以大大减少误差，而且当某一组数据明显发生偏离时，可以认为是测量错误，直接舍弃，避免对故障定位精确度产生影响。上述虽然说明针对的是两端供油的充油电缆，但是对于一端供油的系统，可以采取临时供油箱的方式，进行电缆另一端数据的测量，也可实现漏油点的定位。遗憾的是该种方法只能适用于电缆未发生截断的情况；另外由于故障定位过程中需要另外一端停止供油，对于水底或者海底的充油电缆，出现故障后需要两边同时向外排油，该方法也不太适用。

4 负压波法泄漏定位

当充油电缆发生泄漏时，由于油道内外的压差，漏油处立即产生因流体物质损失而引起的局部液体密度减小，出现瞬时压力降低，这个瞬时的压力下降作用在流体介质上，就作为减压波源通过管线和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播［11］。这种现象依次向泄漏区上下游扩散，相当于在泄漏点处产生了以一定波速传播的负压力波［12］。设置在充油电缆两端或泵站两端的传感器拾取压力波信号，根据泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差和油道内压力波的传播速度，即可定位到故障漏油点的具体位置。

负压波法进行漏油点定位的原理如图7所示，漏油点为X，设其距充油电缆首端A距离为χ，两端装设压力传感器，记录A、B两端压力发生突变的时间T1、T2，两端装设GPS时钟以确保两端时间同步，则负压波到达AB两端的时间差为Δt=T1-T2，若负压波的波速为υ，则

可以计算出：

图7　负压波法漏油点故障定位

负压波的传播速度υ大致等于声波在管输流体内的传播速度，一般会达到1 000～1 200 m/s［12］，其大小取决于油道内绝缘油液体的弹性、密度以及油管道的弹性等［13］，由下式计算得出［14］：

式中：K为绝缘液体的体积弹性系数；ρ为绝缘液体的密度；E为油管道的弹性模量；D为油道的直径；e为管壁厚度；C1为与管道约束条件有关的修正系数。这些参数均为绝缘油液体及油管道的具体物理参数，查询对应的材料手册，即可查出具体数值，因此，测量出了负压波到达电缆两端的时间差，即可对漏油故障点进行定位。

负压波泄漏定位法虽然目前尚未在充油电缆故障定位中得到应用，但是它在自来水管道、陆地及海底输油管道泄漏定位中均得到了应用。当海缆遭受破坏而出现渗漏油时，压力曲线将会有一明显的突变，此时读取两边压力曲线突变的时间，两者相减即为负压波到达两端油泵站的时间差，依据绝缘油和海缆本体的相关参数，即可计算出漏油点的距离。

采用负压波法进行充油电缆漏油故障定位，其负压波类似于行波测距中传输的行波，只要充油电缆两端采用的传感器精度较高，故障定位的精度也能大大提高。值得注意的是，在供油系统中阀门的关闭、电缆负荷变化时也可能导致负压波的产生，使两端压力产生突变，在海底输油管道中，过滤此类误差采取的方法是对提取的负压波信号进行小波变换；小波变换能够对信号进行时间和尺度的放大，能够有效地检测出信号的奇异性［15］，从而识别出电缆故障漏油时的负压波信号。

事实上，在充油电缆中通过对压力、流量的综合分析判断，即可得出电缆是否遭到破坏。图8所示即为海南联网系统500 kV海底充油电缆两端的油泵站对海底电缆是否遭受外力破坏启动紧急油流模式的监控示意图。当海缆出现渗漏油时，系统通过检测到的压力流量信息判断出海缆遭受破坏，负压波传到两侧油泵站，则对应电缆的紧急油流模式告警灯（图中Rescue operation active）将常亮，系统将立即启动紧急油流模式向外排油。图9所示是海南联网系统500kV海底充油电缆两端油泵站系统监测到的油流油压等相关信号，其中就有油压随时间变化的波形图，此图是海底电缆在稳定运行时的状况，因此，压力随时间变化的波形图是一条直线。可见，在充油电缆中，对负压波的识别还是较容易实现的，但是目前缺少试验及工程应用的验证。

负压波泄漏定位不仅可以对充油电缆渗漏油故障进行定位，当电缆断裂成两截时，同样可以进行判断。对于水底或者海底的充油电缆，需要向外排油，负压波传到电缆两端的同时，供油系统也立即可以判断出故障，而启动紧急排油程序，可见负压波故障定位方法不会妨碍到水底或者海底充油电缆的紧急排油。但是需要指出的是，对于水底或者海底充油电缆，受外界水压的影响，当泄漏量较小时，压力变化将不足以达到两端供油系统压力告警的限值，此时可能会无法检测到负压波信号。

图8　海南联网系统油泵站紧急油流模式监控示意图

图9　海南联网海底电缆油压波形图

5 结束语

当充油电缆发生故障时，可以通过检测其供油系统两端的压力、流量等相关数据，直接检测到漏油点实现故障定位。本文所述几种方法各有利弊，在实际操作过程中可以综合考虑，进行故障定位，如流量法因数据单薄容易产生误差，可以采用该方法先进行初步故障定位，将大致漏油位置确定，然后采用冷冻法，进一步缩小故障检测范围。压力-流量比例法采用统计学的方法，误差较小，可以对陆地充油电缆进行较为准确的故障定位。负压波法虽然目前未见其应用于充油电缆，但是该方法精度可靠，操作简单，还可以实现在线故障定位，目前已在海底输油管道中有所应用，经过分析，理论上是能够应用于陆上、水底甚至海底充油电缆的故障定位的，但是目前缺少试验验证及工程应用的实例。

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The Discussion and Application on the Method of the Fault Location for the Leakage of the High-Voltage Oil-Filled Cables

HUANG Xiao-wei，ZANG Yuan-yuan，WANG He-xi
（Guangzhou Bureau，EHV，China Southern Power Grid，Guangzhou 510405，China）

The high-voltage oil-filled cables are widely used in the field of the power transmission and distribution，with the stable electrical properties。However，they are easy to be damaged by external force，which could results in a leakage.The possible methods that can be used for the leakage location for the oil-filled cable is analyzed in this paper.Moreover，we have discussed the range of application，both the merit and demerit for each method，and some improving advices for this methods are put forward so as to expand the range of application.The relationship between the pressure drop and the flow is also analyzed，and a new method，pressure-flow ratio is proposed，which apples the statistics concept to the leakage fault location so as to improve the accuracy.Besides，the feasibility of the negative pressure wave used for the fault location for the leakage is also discussed in this paper.

oil-filled cable；leakage；oil pressure；flow；fault location

TM247.3

A

1672-6901（2015）06-0036-05

2015-02-12

黄小卫（1985-），男，助理工程师.

作者地址：海南海口市滨海大道103号财富广场14楼BCD［570105］.