电缆故障预警及测距在线监测系统研究

岳灵平，朱弘钊，俞强，黄松林，季世超

（1.国网湖州供电公司，浙江 湖州 313000；2.国网电力科学研究院，湖北 武汉 430074）

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。电力电缆铺设在地下，运行环境相对恶劣，电缆故障时有发生，容易造成突发停电及火灾隐患。由于电缆中间头制作质量不良、压接头不紧、接触电阻过大、外力冲击等外部原因，以及电缆长期运行所造成的电缆头温度升高，造成电缆过热烧穿绝缘，甚至发生火灾。电缆绝缘击穿，发生短路故障、接地故障等事故，造成停电、火灾等事故，降低了供电可靠性。电缆线路还会发生被盗窃和其它人为破坏事故。这些都会给企业造成重大的经济损失。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。

1 交联聚乙烯电力电缆故障分析

1.1 电缆主绝缘自恢复故障分析

交联聚乙烯电力电缆的典型结构如图1所示，电缆本体由导体、内半导体屏蔽、交联聚乙烯绝缘、外半导体屏蔽、软铜带、包带和外护套组成。

图1 XLPE电力电缆结构

由于电缆材料本身和电缆制造、敷设过程中不可避免地存在缺陷，受运行中的电、热、化学和环境等因素的影响，电缆主绝缘会发生不同程度的老化。对于交联聚乙烯电力电缆，当电缆主绝缘中存在缺陷、微孔和水分时，由于缺陷或微孔处的电场畸变，在电场的作用下，会发生水树老化现象。伴随水树枝生长，水树枝尖端的电场将愈加集中，局部高电场强度最终会导致水树枝尖端产生电树枝，从而导致电缆主绝缘击穿。统计资料表明，水树枝现象是造成交联聚乙烯电缆老化、主绝缘下降，以致在运行中被击穿的主要原因。当水树枝引起电缆主绝缘击穿时将产生电弧现象，使得水气蒸发烘干，因而当电弧熄灭后电缆主绝缘又恢复到能够耐受正常运行电压的水平。可见，由水树枝引起的电缆主绝缘故障具有自恢复性。实际监测表明，水树枝引起电缆主绝缘自恢复故障的击穿时刻往往发生在电压峰值附近，故障持续时间一般不超过1/4工频周期，而且所有自恢复故障产生的电流、电压波形非常相似，如图2和图3所示。

图2和图3显示了XLPE电缆主绝缘自恢复故障的发展过程。图2记录的故障发生在2012年3月14日2时28分2秒，图3记录的故障发生在同一天的2时31分12秒，距离第一次故障的时间不到三分种，这两组波形几乎一致，实际上为同一故障点所产生。

图2 XLPE 电缆主绝缘自恢复故障产生的电压和电流波形(1)

图3 XLPE 电缆主绝缘自恢复故障产生的电压和电流波形(2)

图2和图3所示的电压、电流波形反映了XLPE电缆主绝缘自恢复故障的整体时域特性。将图2或图3波形的突变部分放大后，可以观察到XLPE电缆主绝缘自恢复故障产生的高频暂态行波现象，如图4所示，据此可以在线获得电缆绝缘自恢复故障点的准确位置。

图4 电缆主绝缘自恢复故障产生的高频暂态行波波形

随着时间的推移，由水树枝引起XLPE电缆的主绝缘击穿故障将越来越频繁，如图5所示，并最终导致电缆主绝缘永久性击穿。大量资料显示，如果电缆主绝缘在一天内发生10次自恢复故障，则在大多数情况下（可能性超过90%），电缆主绝缘永久性击穿故障将在3天以内发生。

图5 典型的XLPE 电缆主绝缘自恢复故障发生频率图

以上对交联聚乙烯电力电缆的主绝缘故障分析表明，在永久性主绝缘故障发生以前，如能尽早监测到主绝缘自恢复故障及其位置，即可达到电力电缆在线监测与故障预警的目的。

1.2 单芯电缆护层绝缘故障分析

单芯电力电缆的金属护层通常采用一端直接接地、另一端经保护间隙接地方式。电缆在正常运行情况下，其金属护层的稳态接地电流（环流）极小，主要是容性电流。设单芯电缆在正常运行情况下的三相芯线电压分别为UA、UB、UC，负荷电流分别为IA、IB、IC。

以A相为例，其金属护层在正常运行情况下的稳态接地电流可以表示为：

式中：C为每相电缆芯线与该相金属护层之间的等效电容。

假定A相电缆于X处发生了金属护层绝缘故障，使得X处的对地电阻由无穷大变为Re，如图6所示。

图6 三相单芯电缆A 相金属护层绝缘故障示意图

取电缆护层接地点G的电位为参考电位，故障点X通过大地与G形成电流通路。护层稳态接地线电流可以表示为：

式中：MAA、MBA、MCA分别为A、B、C相电缆芯线对于A-X-Re-G回路的互感系数；L为护层故障点到接地端的等效电感。比较式（1）和式（2）可以发现，单芯电缆金属护层多点接地产生的稳态接地电流比单点接地时多了一项增量。电缆主绝缘可恢复性故障时，在电缆护层上产生高频暂态行波现象，如果利用实时超高速数据采集技术，同样可以记录到单芯电缆金属护层故障产生的高频暂态行波现象，据此可以在线获得电缆护层故障点的准确位置。综上所述，对于单芯电缆，通过实时监测电缆金属护层接地电流及其稳态和高频暂态变化量，可以实现电缆护层的在线监测与故障预警。

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：

式中：Igφ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。高频采集原理框图如图7所示，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。

图7 超高速采集电路原理框图

3 电缆故障预警及测距在线监测系统方案

3.1 系统主要特点

电缆故障预警及测距在线监测系统针对35kV及以上电力电缆的实际特点研制，采用分层分布式结构，集各种先进的数字化传感器技术、微电子技术、通信技术和计算机技术为一体，能够适应恶劣的运行环境。通过对在运行电压下的电力电缆绝缘状态监测，提前发现电力电缆的绝缘故障隐患并及时预报。系统具有以下特点。

（1）从接地线电流中提取电缆主绝缘和金属护层绝缘发生自恢复故障时的信号特征，实现了交联聚乙烯（XLPE）电力电缆在线故障预警和定位。

（2）不改变电缆运行方式和结构，不占用现有系统资源，在电缆接地导体上安装电流传感器，安全可靠。

（3）通过稳态与暂态监测相结合，大大提高了抗干扰能力。

（4）通过累计电缆自恢复故障发生的次数发出黄色、橙色和红色三级预警。

（5）系统采用全网络化设计，无论分布式装置或集中式装置均采用以太网接口。通过对每个装置分配不同的IP地址，能同时对多条电缆进行实时在线监测和故障预警。

3.2 监测系统接线及安装

针对多条35kV线路的现状，为保证线缆正常工作，拟对以上电缆线路实施在线监测及故障预警，并且在预警过程中自动获取故障信息，以便及时准确预知电缆线路可能存在的故障隐患及隐患位置，保障安全生产的需要。电缆故障预警及测距在线监测系统的总体架构如图8所示，整个系统主要由三部分构成：安装在变电所35kV回路的分布式电缆监测终端通信网络；安装在主控室的电缆在线监测主站系统。

图8 电缆故障预警与测距在线监测系统结构图

主站系统负责远程调取各监测终端记录到的电缆在线监测波形数据，并自动预报电缆故障。通信网络直接采用电力调度SCADA数据通信网。整体组织结构及上位机机柜详情如图9所示。

图9 35kV电缆在线监测示意图

4 结语

通过介绍电缆故障预警及测距在线监测新技术，认为该技术具有安全隐患识别、减少故障发生、故障点诊断等方面的功能，且具有布线方便、效率高、操作方便三个方面的优势，将其用于电缆故障在线监测和诊断中，安全可靠，应用价值高。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。