10kV地下配电电缆与接头故障预警探索及装置研究

广东电网有限责任公司江门鹤山供电局 陈 黠 陈兴尧 邓俊超 冯国全 钟玉城

随着现代电力系统的不断发展，地下配电电缆逐渐成了城市中的主要输电方式之一。然而，由于地下电缆安装在复杂的环境中，存在着被挤压、损坏或老化等多种因素导致的故障风险。为确保电力系统的可靠性和稳定性，及时预警和处理地下电缆故障已成为电力工程师们必须解决的问题之一[1]。本文将以10kV地下配电电缆与接头故障预警探索及装置研究为题，从预警方法、解决方案等多个方面进行探讨。

1 10kV地下电缆监测优化方案探讨

1.1 地下配电电缆故障的原因

电缆故障的主要原因有以下三种原因：一是电缆老化。地下电缆使用寿命长，经过多年的使用，电缆的绝缘层和护套会出现老化，导致电缆故障。二是电缆接头不良。地下电缆接头不良会导致电缆出现温升，增加电缆故障的风险。三是线路施工不当。线路施工中，如果对地下电缆的绝缘层和护套造成损伤，会导致电缆故障。以上三种原因是导致地下配电电缆故障的主要原因。其中，电缆中间接头用于电缆的连接，且是电缆的薄弱环节。据对故障统计分析，中间接头故障导致的电缆故障占电缆总故障70%。

而配电电缆通常采用浅沟、排管甚至直埋等方式铺设，巡视难度大，无法掌握电缆的运行状态；配电电缆现场情况复杂，导致故障点精确定位，需要大量的时间和人力物力；目前主城区通道资源有限，大量电缆同沟铺设，高压电缆及接头因为施工工艺问题，或达到一定年限以后，常会发生绝缘被击穿而造成事故，一旦着火会造成多根同沟电缆烧毁，引起大范围停电事故，从而可能造成重大的经济损失。

为确保电力网络的安全，国内外专家研究了一些技术手段对地下配电电缆与接头进行实时监测，从而实现故障预警。目前，常见的地下配电电缆故障预警方法主要包括以下几点。

一是红外热像法[2]：通过红外热像仪对地下电缆的温度进行监测，一旦电缆发生故障，温度就会出现异常，从而及时预警。二是声波法：通过传感器监测地下电缆发出的声波信号，一旦电缆出现故障，声波信号就会发生变化，从而及时预警。三是放电法：通过对地下电缆放电信号进行监测，一旦电缆发生局部放电，就会产生放电信号，从而及时预警。以上三种方法中，放电法即对高压电缆进行局部放电的在线监测是目前公认的有效预防电缆故障的方法。

本文针对以上配电电缆与接头存在的实际问题，提出了一个高压电缆综合在线监测系统[3-5]。通过对电缆局放与电缆周边运行环境进行实时监控，可在重大电缆事故发生前的数周至数十周的时间范围内发出告警信息，防止故障的发生。

1.2 监测设备的放置

高频信号在向两端传播过程中，由于电缆的物理特性，相对于低频成分，其高频成分会衰减的更厉害。地下电缆的高频信号衰减常数，决定了高频信号如何衰减，为了有效监测局放信号，监测设备与局放信号源的距离不能过大。如图1所示是一个典型的地下电缆总衰减常数与电缆各个部分对总衰减常数贡献图，从图中可以看出电缆总衰减常数随着信号频率变大而变大。实际中，不同电缆的结构与材料差别比较大，从而导致高频局放信号在传输中的高频衰减常数并不相同，相差甚至比较大。

图1 地下电缆总衰减常数与电缆各个部分衰减系数图

两个局放波到达高频采样设备之间的时间差Δt，与距离的关系如图2所示。图中L2为局放设备与变电站的距离；v为局放信号传播速度；x为高频采样设备与局放源的距离。从而可以推导出x=2L2-vxΔt。

图2 电缆局放信号传播与高频监测设备采集

由于局放传播速度快，要精确地测量局放源头，时间差Δt测量要求准确。而时间差的测量与高频采样波形捕获紧密相关。如图2所示，精确测量时间差的关键为：一是设备采样频率要足够高，这样才能准确记录波形；二是局放波本身要特征明显，这样才能准确判定波形的时间差。图2中，局放波本身脉冲宽度较大，脉冲起始点与脉冲峰值就很难准确判定，从而导致很难准确测量时间差。为了准确测量时间差，根据图2和其他文献，有效监测局放信号，监测设备与地下电缆局放信号源距离一般应小于3km，也即一个监测设备可监测邻近2～3km范围内电缆局放状况。如图2所示，如将监测设备，每隔2km，放置于电缆处，理论上则可监测设备左右4km范围内的局放信号，从而实现对该段电缆绝缘故障水平有效监控。

当局放信号从问题点产生后，其沿着电缆向两端传播。如图2所示，在放置一个监测设备的情况下，当局放信号向左传播时，在t1时刻，高频采样装置会捕获到第一个局放波形，此为局放波Ⅰ。从局放源向右传播的局放波，在到达变电站2后，会反射，向左传播，并在t2时刻到达高频采样装置，并被捕获，此为局放波Ⅱ。

1.3 局放监测设备

局部放电由于脉冲时间较短，放电信号的频率范围可从直流跨越到几千兆赫，高频脉冲信号在电缆中传输时，其高频成分很快衰减，但仍然在兆极。为了有效地监测到局放信号，需要高频采样（一般大于50MHz）。因为要采集高频信号，对于采样设备，需要精心处理（如图3所示）。

图3 高频采样监测装置实物

在设计局放监测设备时，需要注意一些技术细节，比如选择合适的频段：局放信号通常包含一系列频率成分，因此设备应能够在广泛的频段内进行监测。选择适当的频段可确保能够捕捉到故障产生的局放信号。而高灵敏度和宽动态范围的设计也较为关键。局放信号通常比较微弱，因此设备需要具备高灵敏度，能够检测到低幅值的局放信号。

同时，由于局放信号的幅值可能在不同故障情况下有较大差异，设备还应具备宽动态范围，以保证在不同故障条件下都能够准确测量。由于现场干扰大，局放监测设备应具备较强的抗干扰能力，能够有效地抑制来自外部环境的干扰信号，以保证测量结果的准确性和可靠性。而由于局放信号通常具有快速变化的特点，因此设备需要具备快速的采样和处理能力，以捕捉和分析局放信号的动态变化。

目前，主流监测设备都具备多通道监测能力。为了全面监测电缆系统中的局放情况，设备应具备多通道监测能力，可以同时监测多个接头或区域，以提供更全面的故障信息。为了防止停电时数据丢失，局放设备一般也具有数据记录和初步分析功能。如此以帮助工程师进行故障诊断和评估，为维护决策提供支持。

出于对安全性和可靠性考虑，设计中应考虑设备的安全性和可靠性，包括电气隔离、防护措施、抗干扰设计等，以确保设备在工作环境中的稳定运行和使用安全。

该高频采样装置的系统，高频CT输出高频局放信号到前端处理电路。前端处理电路的滤波器将噪波滤去，再输出到高频模数转换器（ADC）。ADC的输出通过FPGA读取，处理后，经过WI-FI传送到现场人员使用的电脑上，经专业软件处理，即可得出监测设备监控电缆的绝缘状态。而且采用大容量存储卡存储现场数据，确保数据完整可靠。设备封装采用IP65设计，可以在野外恶劣条件下运行。

2 初步结果与讨论

监测设备测试所录的高频波如图4所示。

图4 测试结果

从图4可以看出，系统可以高频采样暂态信号，并将所录波形上传到上位机上进行处理。设备目前已安装投入运行，系统运行稳定，采集所得数据在分析验证当中。

3 结语

本文对10kV地下配电电缆与接头故障预警进行了探索。通过分析电缆与接头的故障原因和特点，提出了一种基于预警技术的解决方案。该方案结合了传感器技术、数据采集与处理技术以及故障诊断算法，通过对电缆局放参数的监测，及时发现异常情况，并通过故障诊断算法进行故障类型的判断和定位，实现了对地下配电电缆与接头的实时监测和故障预警。

本方案的实施可有效减少电力系统的故障停电时间，提高供电的可靠性和稳定性。同时，通过实时监测和故障预警，可以减少维修和检修的成本和工作量，这对于电力系统运维和管理具有重要意义。未来，将进一步研究和改进这一方案，探索更加先进的监测技术和故障诊断算法，提高电力系统的故障预警能力，为电力系统的安全稳定运行提供强有力的支持。