高压电力电缆绝缘在线监测及故障定位研究

高压电力电缆绝缘在线监测及故障定位研究
首先分析了高压电力电缆的故障类型，并基于双CT法绝缘tanδ在线监测和双端同步电缆故障定位的浅析，介绍了在线状态检测技术系统的应用，为实际的高压电力电缆维护提供理论依据，并提出高压电力电缆在实际运行中的维护建议。

标签：电力电缆；绝缘在线监测；故障定位
doi：10.19311/ki.1672-3198.2017.19.094
0 引言
电力电缆是电缆的一种，用于输送和分配大功率电能。

电力电缆作为地下输电线路，是电网输送和分配电能的主要方式之一，具有架空线路所不具备的优点，例如地下敷设不占用空间，减少占地，不在地面架设杆塔和导线，不受外界环境影响，可以提高供电可靠性，减少运维工作量等，特别适用于输电线路密集、位于市区的变电站以及重要线路和重要负荷用户。

随着电网建设的加快，电力电缆的使用越来越多，保證电缆线路的安全运行也成为非常关键的问题。

电力电缆是出现绝缘故障率最高的设备，可引起线路短路、单相接地等重大事故，而且电缆一般敷设在电缆沟或电缆隧道里，环境复杂，故障信息和定位困难，因此，对电缆的在线状态监测和故障定位就成为当前的研究重点，也对电缆线路实际的维护具有积极意义。

目前电网使用的电力电缆大部分是交联聚乙烯电缆，有些线路使用充油。

某抽蓄公司动力电缆运行已近二十年，电缆在长期发热状态下普遍出现了电缆绝缘性能降低或过热的现象。

有资料表明，绝缘老化在电缆故障比例中所占比率较高，因此电力电缆的绝缘在线监测是迫切需要解决的问题。

1 电力电缆故障分类和原因分析
1.1 电力电缆故障分类
电力电缆故障可能是一种也可能是复合多种，大致分为以下两种：
（1）低阻接地或短路故障：包括电缆一相或多相接地故障、绝缘电阻值较小。

（2）高阻或短路故障：接地或绝缘阻值较大。

（3）导体故障（开路故障）。

主要是线芯导体和金属屏蔽层故障，包括断线和似断非断故障。

（4）绝缘层故障。

包括主绝缘层和护套绝缘层故障。

1.2 电力电缆故障原因
（1）机械损伤是电缆故障占比较大也很常见的原因。

轻微的损伤可能几个月甚至几年才发展成故障。

电缆机械损伤的主要原因为安装时拉伤或过度弯曲电缆、城建施工造成地下电缆损伤、车辆行驶的冲击性负荷或震动造成金属屏蔽层铅（铝）包损坏、终端头或中间头电缆护套或外壳胀裂、安装电缆外皮擦伤或土地沉陷造成拉力过大等。

例如某抽蓄电站原有电缆在敷设时弯曲半徑过小，电缆主绝缘受损，后期在电缆综合治理工程中进行更换。

（2）电缆绝缘层老化和变质。

电缆绝缘介质在强电场作用下产生电离，绝缘层被腐蚀，这时绝缘层进入水分会导致绝缘能力降低。

电力电缆导电造成的电缆过热也会使绝缘能力降低。

（3）雷击等造成的过电压。

（4）其他原因，如电缆的制造、设计工艺、安装操作不当等。

例如，某抽蓄电站500kV开关站发生500kV电缆头渗油事故，事故原因是厂家安装时未做好充分密封，密封性没有达到规定要求，运行一段时间在内压的作用下密封带材发生变形。

2 绝缘在线检测及故障定位
电缆绝缘在线监测技术可以测试电力电缆的开路、短路、接地、低阻故障、高阻闪络、泄露性故障以及电缆长度、埋地深度及走向等。

2.1 国内绝缘在线检测方法
我国电缆绝缘在线监测研究起步比欧美国家晚几十年，研究工作主要是国内几大高校和电力实验研究所在进行。

目前电力电缆绝缘的在线监测方法主要有直流分量法、直流叠加法、低频叠加法、交流叠加法、接地电流法、局部放电法和在线tanδ法等，其中比较实用的方法是局部放电法和tanδ法。

2.2 故障定位方法
电缆故障定位方法主要分为离线定位方法和在线定位方法。

故障离线定位方法主要有行波法和阻抗法。

故障在线定位方法主要是运用GPS、高速光电传感技术和小波分析等进行在线监测。

2.3 绝缘tanδ在线监测
电缆绝缘在线监测是目前比较热门的研究方向，需要解决以下几个问题：
（1）在电缆运行状况中存在的大量噪声和谐波中提取并精确还原微弱的有效特征信号。

（2）如何在不影响电网正常运行的情况下，正确选择在线测试电源信号。

（3）如何在尽量降低接地电路故障时对电网影响情况下，将测试源有效叠加到电网上。

基于双CT法的电缆绝缘tanδ在线监测方法，原理是流过电缆主绝缘的电流等于流入电缆首端导电线芯的电流与流出电缆末端导电线芯的电流的差，因此，在每相电缆的首末两端分别安装一个电流互感器来对电缆首端、末端的电流进行测量，然后用测量得到的电缆首端电流的瞬时值减去电缆末端电流的瞬时值，便可得到流过电缆绝缘的泄漏电流值。

无论三相电缆的金属护层是否进行交叉互联，双CT 法测量的都是流过电缆绝缘的电流。

因此，双CT 法适用于所有电力电缆绝缘的在线监测技术，都可以实现对其绝缘状态的检测。

选择分析三相电缆的其中一相，根据基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律并利用双曲线函数，在不考虑同步误差和电压误差的情况下，通过式（1）可以利用流过电缆两端的电流的差值与电缆两端电压和的比值来对电缆的参数进行监测，其结果将不会受流过电缆的负载电流变化的影响。

其中，假设电缆长度为2l，1、1分别表示电缆首端的电压值、电流值，1、2分别表示电缆末端的电压值、电流值，γ表示电缆的传播系数，Zc表示波阻抗。

2.4 双端同步电缆故障定位方法
双端同步电缆故障定位方法分为双端同步短路故障定位和双端局部放电定位两种。

因为电缆的三相电压和电流之间存在互感耦合，在故障定位计算时，需要将三相电压、电流通过相模转换分解成零序、正序和负序分量。

负序、零序分量不适用于对称故障的测距，而正序分量适用于所有故障类型的故障测距，因此使用正序分量进行故障测距。

假设A相电缆发生短路故障，在考虑同步误差的情况下，电缆三相电压和三相电流通过对称分量法进行相模变换，转后为得到变换矩阵方程式，通过式（2）计算出A相电缆首端距离故障点的距离SA。

其中，假设电缆长度为l，（1）1、（1）2分别表示电缆首端、末端电压的正序分量，（1）1、（1）2分别表示电缆首端、末端电流的正序分量，γ表示电缆的传播系数，Zc 表示波阻抗。

3 高压电力电缆在线监测系统
绝缘tanδ在线监测和双端同步电缆故障定位方法可以应用在电缆在线监测系统中。

在线监测系统一般由末端感应器（RTU）或报警器、本地监测主机、集控站、集控中经以太网联系组成。

通过以太網将状态监测本地主机的数据汇总到集控站，最后将数据上传至电缆状态监测疾控中心，可以将数据分析处理，作出
对应的电缆线路检修决策。

电缆绝缘发生局部放电时，流过接地线上的脉冲电流十分微弱，末端感应器（电流传感器）应有较高的灵敏度，可以根据需要对传感器输出信号进行放大处理，也要设计滤波电路干扰。

电力电缆绝缘在线监测系统的应用是实现电缆状态监测的有效方法之一，它可以在电缆运行状态下对电缆进行实时检测，反映电缆的绝缘水平。

在自动连续检测状态下，依据大量的数据以及判据的数模分析，可以判定绝缘状态变化趋势，从变化趋势中寻找绝缘损毁的前期征兆，综合判断电缆运行状况，并通过GPS等实时通信技术提报电缆维护和检修人员，并且提供相应的故障测距信息，目前国内多家厂家都和高校有合作，可以生产故障定位信息较精确的高压电力电缆在线监测系统，在事故发生之前及时定位、检修，避免事故扩大，减少必要经济损失。

4 结论
本文通过对基于双CT法绝缘tanδ在线监测和双端同步电缆故障定位方法的浅析，对电力电缆在线监测系统的应用具有实践意义。

新建的高压电力电缆应配备局部放电在线监测装置、电缆测温装置和电缆金属护套多点接地监测等其它装置。

在日常电缆的运行维护中，可以同时使用电缆试验和配备电缆在线监测两种方式。

其中电缆试验包括常规试验和交流耐压试验，例如红外测温、电缆金属护层接地电流带电测试、主绝缘耐压试验（新敷设或新作电缆端、接头）、电缆护层过压保护器绝缘电阻测试和接地系导通测试等；在线监测系统应定时检查硬件装置是否完好、在线监测装置数据传输、系统运行是否正常。

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