宽频阻抗法在配网架空线缆隐患监测技术

文/王浩兵

1 引言

配网架空线缆可分为绝缘电缆和裸导线，其中绝缘电缆主要是出线和入线电缆，较多的应用在城区配网中。裸导线主要用于配网的输电线路，线路距离较长。两者的运行环境不同，故障隐患表现特征也有较大的区别。绝缘架空电缆常见的故障有进出线终端接头发热、膨胀、爆炸，接地环流和主绝缘问题。裸导线主要存在的问题是悬弧度过大、树障、短路接地不易查找等。从管理上，架空裸导线更多的投入在线路故障寻址和隐患排除领域，而绝缘电缆主要是线缆自身的绝缘安全指标问题。

2 主流监测技术讨论

不考虑软件后端的一些故障模型识别、故障选线等软件信息处理的技术，架空线缆的监测主流技术如表1所示。

如架空绝缘线缆的主流技术，都可以通过高速采集系统试验，其中温度、环流等可以通过微处理自带的低速模数转换模块实现，因而采用高速采集方案时，无需同步考虑温度和环流的额外采集通道。此外，绝缘老化的监测技术目前有以下两种主流技术：

（1）基于介质损耗的监测；

（2）基于宽频阻抗的监测。

介质损耗监测在电缆停电领域应用较普遍，它实质是一种电场作用下电荷迁移特性的表征，介质损耗参数和设备的体积、长度没有关系，因而有广泛适用的价值；但介质损耗也存在一些技术瓶颈，如试验电压偏高，长距离电缆所需试验容量大，通常要分段试验，导致现场试验效率低；介质损耗测量易受环境温湿度影响，数据稳定性偏低；介质损耗还存在无法识别老化位置等不足。由于电缆的老化通常是局部缺陷导致的进水或化学物在绝缘层生长，导致绝缘层劣化、水树老化、电树枝尖端放电等，发现局部信息能及早处理隐患，延缓老化趋势，相比整体老化更加有现实意义。

宽频阻抗法是一种通过绝缘阻抗对频率的敏感性差异开展对电缆绝缘特性的综合评估技术，它有试验电压低、无绝缘破坏，灵敏度高，重复性好的特点，可以较好的弥补介质损耗的物局部信息的缺陷。但宽频阻抗法需要宽频试验源，试验时必须满足一定试验带宽才能充分捕捉到被试品的相关参数，采集系统的工作频率高，功耗偏大，在现场运行时，需充分考虑监测装置的布局和安全维护问题。

相比较架空裸导线的振动、树障、覆冰等监测技术，采用常规的低速采集无法实现，尤其是覆冰和断裂的情况，通常需要发射源配合使用，如雷达或扫频信号。当然也可采用覆冰传感器进行裸导线表面覆冰的监测，其输出为低频电压信号，但覆冰类传感器要长期运行户外，其可靠性还未得到普遍认可。

表1：配网架空线路的部分主流监测技术

表2：配网主流监测技术分类

根据实际需要，并非所有的环境都有必要开展树障和覆冰的监测，有必要对以上技术进行分类，对实施的技术种类进行优化。

将表1主流监测技术进行分类如下：

如表2所示，现有的监测技术可分为三个类别，其中类别2 和类别3 如果采用高频采集方案且不考虑覆冰探测，则列别2 可以兼容类别3 的的技术。

3 宽频阻抗法应用特点

如表2所示，技术类别1 和技术类别2 主要是有源驱动和无源驱动的差异。有源驱动主要目的是解决阻抗测试过程中的高频等效元素的测量。现有的宽频阻抗测试装置内部包含了可控的变频试验电源，它是一种通过扫频阻抗的方式进行绝缘老化和故障定位分析的技术。由于其不仅可实现整体老化，还可实现局部老化、局部断线、短路的定位；针对裸导线，还可灵敏的监测到线路对地电容、相间电容增大的隐患点和隐患位置，相比故障电流的监测法只能识别故障塔基或塔基之间的位置，宽频阻抗法还可较准确的给出故障位置与监测点之间的长度距离。宽频阻抗法的另一优势是有监测距离远，多点定位的特点，只需在线缆终端布置硬件，可一次性完成数公里到数数十公里范围内绝缘电缆和架空线缆的测试或监测，目前在停电状态下已经取得了较好的应用效果。由于其独特的功能和较高的经济性，显著降低监测点的投资和运维成本，在未来，宽频阻抗法用于架空线路的在线监测还会有更多的尝试案例。

4 宽频阻抗法面临的问题

宽频阻抗法在线监测应用中不可避免的面临一些新的问题，包括变频信号的施加、滤波和采集的问题。另外，宽频阻抗法实质是一种局部电容的监测，并不能完全覆盖对局部电容或整体电容不敏感的故障特征，比如针对绝缘电缆的温度、局部放电，以及架空线缆的振动等。同时，宽频阻抗法应用于线路覆冰监测方面的有效性还未见相关案例报道。从硬件角度分析，宽频阻抗法的试验源为数十赫兹到数十兆赫兹，硬件的采样率达100 兆赫兹以上，已经完全具备振动信号、放电高频信号、温度信号的采集能力。但由于温度、振动信号有明显的局部特征，仅通过终端头布置宽频阻抗法的现有监测硬件很难探测到远距离的振动信号。宽频阻抗法的户外多点应用尽管可满足其他参数的监测，但又存在数据传输大、高速采集系统功耗偏高、整体可靠性遇到挑战、监测点成本偏高的问题，因此现有的宽频阻抗技术应用于多点监测并不理想。

5 改进型宽频阻抗监测技术

宽频阻抗法监测技术可以通过改进试验源，降低采集系统的工作负荷等手段提升现场可操作性。主流的宽频阻抗法采用线性扫频技术，但每秒采集频率通常小于10 个，如需试验1000 个频率点，则可能需要数分钟时间，因而试验周期较长；采用Chirp 雷达扫频方式，可实现每秒600 个频率以上的采样速度。Chirp 雷达波的产生已经有标准化模块，只需要控制好信号的发射相位和采样时差就能满足重复性要求。另外，基于短时阶跃脉冲的试验源也有较好的抗干扰和宽带的特性，可通过频谱分解的方式，解析出多个频率点的阻抗信息，从而得到宽频阻抗特性曲线。

同时还可以看到，振动监测对于输电线路运维非常重要，未来将宽频阻抗法和振动监测技术更好的结合，对提高配网架空线路的监测管理有非常重要的现实意义。

6 小结

本篇讨论了配网架空线线路的常用监测技术，浅要分析了技术特点，进行了技术分类，认为宽频阻抗在线监测法有较好的技术融合性，可在单端布置监测装置的情况下兼容多个参数的监测。在架空线缆实施基于宽频阻抗的监测技术是可行的，其应用还能促进管理效率的提升，降低运维成本。但宽频阻抗法并不能覆盖所有的重要监测参数，比如有明显局部特征的温度和振动信号等。未来通过提升宽频阻抗法的工作效率，采用新型试验源，将宽频阻抗法和其他低功耗的局部监测技术结合，或针对覆冰和断裂开展基于宽频阻抗法的高灵敏参数建模，将会有广泛的应用推广价值。