长距离电力电缆绝缘在线监测及故障定位技术研究

吴琳楠

摘要：我国供电网络是世界上最大的供电网络，其覆盖范围广、区间跨区大，因此供电的难度也很大。在长距离输电过程中，电缆绝缘在线监测技术的应用非常关键，监测精度关系到故障判断的准确率和故障具体发生位置的判断。强化长距离电力电缆绝缘在线监测和故障定位技术的研究对于我国电力产业的长效发展有着重要的意义，因此本人选择该课题进行了研究，希望对我国电力行业发展做出一定的贡献。

关键词：长距离供电;电缆绝缘;在线监测;故障定位

随着我国供电技术的发展，长距离输电效率和质量逐步得到提升。长距离输电过程中最为重要的一环是对电缆绝缘进行在线监测，实时获取电缆绝缘的各项运行数据和指标，通过分析数据找出线路的故障所在区域，进而对故障问题进行分析和处理。电缆绝缘体在电场作用、风力作用和机械作用下容易出现老化的问题，如果绝缘体结构发生较为明显的变化，这一影响到长距离输电的质量。因此必须采取措施对电缆故障进行监测，并及时地对相关故障进行处理。

一、长距离电力电缆绝缘监测方法

在各个小段中三相电缆金属护层的分布形式是分段交叉互联，不过这种分布方法中的三相电缆导电线芯的分布形式非交叉互联形式，在三相电缆主绝缘中的容性电流和阻性电流经由导电线芯流向电缆护层，虽然无法利用测量电缆接地线中电流的方法将电缆主绝缘电流具体素质测量，但是若将导电线芯至电缆主绝缘流动的电流测定，那么就能将该问题解决。针对此问题，可以采取同时测得电缆两端导电线芯电流的方法进行获取电流数据，因为电流具有连续性特点，测量时也要要将电缆无源性考虑在内，三相电缆主绝缘中通过的电流计算方法为各相电缆首端导电线芯中流经的电流与该电缆末端导电线芯流经电流的差值。线芯电感、电容和电阻等是电力电缆电气参数，这些参数是电缆的一次参数。同时还有二次参数，包括相移常数、波阻抗以及衰减常数等，二次参数能够通过计算一次参数获取。如图1，电缆线芯有效电阻使用R表示，线芯电感使用L表示，电缆绝缘电阻使用Ri表示，电缆绝缘电容使用C表示。借助于基尔霍夫电流定律进行分析可得电缆主绝缘中通过的电流與电缆首端导电线芯中流经的电流与电缆末端导电线芯中流经的电流差的值相等。所以各相电缆首末两端通过电流互感器能够获得流经这两段的电流数值，获得电流的数值后使用首末两端的电流瞬时值作差即可，得到电缆绝缘中具体的泄漏电流值，这种方法也被称为双CT法。分析双CT法原理能够得出三相电缆金属护层无论是否采取交叉互联的方式进行连接，双CT法所测电缆绝缘中的电流都是准确定。所以双CT法能够被应用于所有电力电缆绝缘在线监测，其能够精确地监测出电缆的绝缘状态。

在通过双CT法对三相电力电缆绝缘进行在线监测时可以采取以下方案：首先，需要将电流互感器安装在电缆首端和末端，首端电流互感器中获取的电流数据与末端电流互感器获得的数据进行相减可以后的流过主绝缘泄漏电流;其次，借助于电压互感器测量三相电缆电压，通过相关计算能够得到电缆主绝缘中流经的泄漏电流以及主绝缘电缆电压二者之间的相角差余角，获得介质损耗角素质，通过计算进一步获取介质损耗因数的具体素质。介质损耗因数能够有效地将电力电缆绝缘缺陷反映出来，其是当前电力系统中判断电容性设备绝缘能力的主要指标，所以本人借助于介质损耗因数数值具体地对电缆绝缘状况进行了评估。在进行监测时在线监测系统难点主要集中在采集电缆首、末电流信号，此时可以借助于GPS技术中的授时功能获取电力系统的同步时钟信号，将GPS接收器安装到电缆两端，利用GPS天线获得精确的时间信息，同时借助于通讯设施将同步秒脉冲信号发送给系统中的微处理器，只有利用微处理器能够将电缆两端A/D转换芯片启动进行数据采集。数据传输采主要以GPRS为主，在获取电流、电压信号后利用GPRS将这些信号发送至上位机系统中，进而在上位机中对相关结果进行展示。

二、长距离XLPE电力电缆绝缘故障诊断方法

电力的三相电缆的电磁联系非常复杂，进行故障判断时不能以独立单相电缆视角对故障进行分析。单相接地故障类型是不对称故障中的一种，如果三相电缆线路出现了不对称故障，此时线路中电压、电流出现互感耦合现象，计算故障距离时应该对电压与电流开展相模变换处理，进而得到分解后的正序、负序和零序分量数值，其中负序、零序分量不能作为对称故障测距的使用数值，正序分量可以在全部故障测距中使用，所以使用有效正序分量对各种故障类型进行故障测距非常有效。借助于对称分量法获得电流的相模变换数值时可以通过变换矩阵方程计算，想要验证这种方法的正确与否，可以借助于数学计算软件进行动态仿真，构建110kV电压电缆短路故障模型，图2所示。

借助于双端同步短路故障定位法能够获取精确的电压、电流数值，然后将获得的数值输入到故障测距公式中，对电力电缆长度进行设计，将单相接地、两相接地、三相接地以及相间短路等故障类型输入其中。借助于双端同步短路故障定位法能够获取的结果是短路故障距离距离故障点非常近，计算的相对误差低于0.1%，故障距离误差的形成原因是计算误差，所以这也要证明了该方法的可行性，这在一定程度也说明了双端法在故障判断中的有效性，双端同步短路故障定位法的应用获取了有效的。

如果三相电缆出现了单相接地、两相接地、三相接地和相间短路等问题时，需要获取三相电缆电压、电流的主要变化特点，得出故障的具体类型。如果A相电缆出现接地故障，通过分析可以获得电压、电流变化，如图3。

通过分析可以看出故障前电压、电流的特点是对称，在出现A相发生故障后，电路中的电压变化是出现减小的趋势，不过此时A相短路电流出现增加的趋势。如果A、B相出现接地故障问题后，电缆首端电压、电流也会发生新的变化，如图4。

从分析能够看出接地故障后电缆首端电流数值出现增加的趋势，电缆首端电压则出现降低的缺失。两相相间短路故障的电流、电压变化的整体趋势类似，因为相间短路中安装了过渡电阻，所以这为线路提供了保护装置，使得电流的变化整体趋势减少，两相电压降低的整体波动并不明显。如果发生接地故障，电流数值增加，电压数值减少。可以用GPS技术对故障进行确定，例如发生A相电力电缆发生单相接地，测得A相末端电流，通过计算得出延时10ns，此时电缆的B、C相不做其他处理。如果在电缆末端安装延时器，可以得出同步误差存在的情况下，故障距离误差低于0.1%，所以在对存在同步误差问题的故障距离进行测量时这种方法的误差较小，想要获得精度更高的数据，可以借助于GPS模块，其获得的数据误差相对更小。利用添加三次谐波电压源的方法对故障进行判断可以得出双端同步测距法受到电力中的谐波的影响相对较小。如果将电压频率控制在50Hz左右，而出电压频率波动带来的影响更小。借助于双CT法判断长距离电缆绝缘中放电信号后，结合放电信号传播函数关系能够进一步将放电点位置确定。例如，在单相电缆故障定位中使用双CT法可以有效对局部放电点进行定位。此时需要将电缆两终端连接到架空线中，此时架空线出现电晕后的信号可能使得电缆内部局放电信号出现紊乱，所以应该区分被测局部放电信号的主要来源。在得到局部放电信号主要的成因后，确定电缆放电位置。通过分析局部放电信号可以得知架空线电晕信号产生的位置如果是电缆B端外部，可以使用双CT法进一步将放电点与电缆两端时间计算，利用函数可以得出被测信号的涟源是电缆B端外部。如果被测信号的来源主要是电缆A端外部，采用双CT法测能够得出放电点与电缆两端的间隔，从而得出故障的主要问题，并结合具体的方法测得故障区域。这种方法得到了故障数据非常精确，能够将故障的具体位置和类型判断，工作人员则能够结合这些判断依据进行故障处理。

结束语：总而言之，对长距离电力电缆进行在线监测和故障定位对于输电的稳定性有着重要的意义，长距离输电过程中电缆绝缘发生故障必然会影响到电能的传输效率和质量，导致电路的各项参数发生明显的变化，因此需要采取措施对电路故障所在区域进行判断，获得具体的故障成因和故障发生的位置，借助于合理的方法对相关故障进行分析，得出故障形成的具体激励，制定相应的措施进行故障处理，实现对故障的有效处理。本文提出了双CT电缆在线监测方法，分析了这种方法的具体使用机理和设计方法，并利用仿真模型建立故障判断模式，通过分析相关数据得出了故障判断方法的可行性，这对于长距离输电稳定性的提升有着重要的意义，行业人员可以借助于这些方法对电缆进行检测和故障检查，在此基础上对线路中存在问题的地方进行完善，实现对线路的优化，提升电能传输效率。