高壓電纜在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越多，其敷設(shè)路徑分布廣，運(yùn)行條件復(fù)雜。由于輸電電纜線路電壓等級(jí)高，在運(yùn)行中擊穿造成破壞性大，極易造成重特大事故。如何對(duì)電纜故障做到“早發(fā)現(xiàn)、早排查、早解決”，成為降低電纜故障總量、提升精益運(yùn)維能力的關(guān)鍵。
山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司依托多年來(lái)在電力線路故障監(jiān)測(cè)方面的技術(shù)研究及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合電力部門(mén)精益運(yùn)維的實(shí)際需求，制定了電力電纜線路在線監(jiān)測(cè)與故障定位的針對(duì)性解決方案，研制出了DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測(cè)與故障定位系統(tǒng)，適用于10kV及以上電壓等級(jí)的電纜線路，包括高壓電纜線路、電纜—架空混合線路及海纜線路等。系統(tǒng)基于電纜線路潛伏性故障及絕緣擊穿故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行捕捉、采集和分析，結(jié)合工頻錄波數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電纜線路故障在線監(jiān)測(cè)和分段、定位，為高壓電纜線路精益運(yùn)維及電纜線路全壽命周期管理提供可靠、精準(zhǔn)的技術(shù)支撐。
一、系統(tǒng)構(gòu)成
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測(cè)與故障定位系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端、通信鏈路、系統(tǒng)后臺(tái)和多客戶(hù)端人機(jī)界面組成。監(jiān)測(cè)終端以無(wú)線或有線的方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送回系統(tǒng)后臺(tái)；后臺(tái)軟件以事件為引，以時(shí)間歸集，自主關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)，異常事件以短信、WEB等多種方式發(fā)布。
二、技術(shù)特點(diǎn)
q 非接觸式行波浪涌傳感器耦合電壓、電流行波信號(hào)，安全、可靠。
q 雙端行波法測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)電纜故障在線定位。
q 與電纜相連架空線路故障單端定位。
q 混合及T型線路故障區(qū)段判定。
q 護(hù)層絕緣狀態(tài)分析診斷。
q 為電纜線路全壽命周期管理提供歷史數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)。
三、功能及應(yīng)用
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測(cè)與故障定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線采集電纜運(yùn)行工頻電流、護(hù)層接地電流，以數(shù)值或者電流曲線的方式進(jìn)行展示；電纜發(fā)生故障時(shí)，對(duì)故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)的捕捉、采集和分析，根據(jù)雙端行波法測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)電纜故障的測(cè)距，同時(shí)根據(jù)電纜線路的運(yùn)行特點(diǎn)，輔以工頻錄波進(jìn)行故障性質(zhì)診斷，從而形成對(duì)線路運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)和故障的分段定位。
（1）故障精確定位
根據(jù)雙端行波法測(cè)距原理，監(jiān)測(cè)裝置安裝在所監(jiān)測(cè)線路的兩端。線路故障時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置采集暫態(tài)數(shù)據(jù)，后臺(tái)軟件依據(jù)暫態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算得出故障測(cè)距結(jié)果。在自動(dòng)測(cè)距結(jié)果的基礎(chǔ)上，用戶(hù)可根據(jù)暫態(tài)波形，手動(dòng)校正故障距離，進(jìn)一步提高測(cè)距精度。
自動(dòng)測(cè)距方法也適用于T型電纜線路和架空電纜混合線路。
（2）故障區(qū)間判別
后臺(tái)軟件根據(jù)故障線路工頻錄波數(shù)據(jù)，在時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，快速判斷架空電纜混合線路和電纜T型線路故障所屬區(qū)間，為運(yùn)維管理部門(mén)落實(shí)搶修任務(wù)提供依據(jù)，避免多班組共同巡線，提升運(yùn)維效益。
（3）工頻電流監(jiān)測(cè)
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜線路運(yùn)行電流，以數(shù)值和電流曲線的方式進(jìn)行展示。當(dāng)線路發(fā)生異常變化時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)錄波，實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)分析診斷。
（4）接地環(huán)流監(jiān)測(cè)
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜金屬護(hù)層接地電流，以數(shù)值或電流曲線的方式進(jìn)行展示。當(dāng)接地電流發(fā)生異常變化時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)錄波，計(jì)算接地電流與負(fù)荷電流比，對(duì)高壓電纜金屬護(hù)層接地故障提供實(shí)時(shí)告警。
四、關(guān)鍵技術(shù)
基于行波原理的雙端在線測(cè)距法，利用暫態(tài)行波浪涌到達(dá)測(cè)量端的絕對(duì)時(shí)間，確定故障位置。實(shí)現(xiàn)高壓電纜線路故障在線精確測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù)是高壓電纜線路終端處暫態(tài)行波浪涌的提取方法、高精度衛(wèi)星對(duì)時(shí)技術(shù)及暫態(tài)干擾信號(hào)的分析識(shí)別。
（1）暫態(tài)行波信號(hào)的提取
根據(jù)行波測(cè)距的原理，需要采集故障暫態(tài)電壓信號(hào)或暫態(tài)電流信號(hào)，系統(tǒng)從運(yùn)行安全以及裝置安裝維護(hù)方便的角度考慮，采用非接觸式信號(hào)傳感技術(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)線路的實(shí)際情況，選擇獲取電壓信號(hào)或者電流信號(hào)或者電壓電流冗余信號(hào)。電流信號(hào)采集采用羅氏線圈，電壓信號(hào)采集采用非接觸式電壓傳感器。
（2）高精度對(duì)時(shí)技術(shù)
雙端行波實(shí)現(xiàn)測(cè)距誤差控制在幾米范圍內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)是雙端設(shè)備對(duì)時(shí)誤差精度的控制。監(jiān)測(cè)終端通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)現(xiàn)有基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的納秒級(jí)授時(shí)技術(shù)在授時(shí)電路、被授時(shí)電路、晶振性能以及輸出信號(hào)波形和傳輸路徑等方面的優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)了20ns級(jí)授時(shí)精度。
（3）暫態(tài)信號(hào)的干擾及識(shí)別
識(shí)別操作、雷電等干擾信號(hào)是實(shí)現(xiàn)測(cè)距的前提。系統(tǒng)通過(guò)非接觸式傳感器提取故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號(hào)，根據(jù)故障時(shí)頻與雷電、操作及區(qū)外故障時(shí)頻特性區(qū)別及三相暫態(tài)信號(hào)極性，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)的準(zhǔn)確識(shí)別；同時(shí)，結(jié)合故障線路工頻信號(hào)，可以區(qū)分各類(lèi)干擾。
五、應(yīng)用案例
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測(cè)與故障定位系統(tǒng)已經(jīng)在廣州、肇慶、東莞、佛山、云浮、河源、上海等地以及舟山500kV聯(lián)網(wǎng)海底電纜交接試驗(yàn)投入運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
（1）人工試驗(yàn)
在ZQ供電公司XX變電站一退運(yùn)110kV電纜線路進(jìn)行單相接地試驗(yàn)。該電纜線路由四段組成：Ⅰ段電纜線路包含2段完整交叉互聯(lián)段電纜，一端為GIS端，一端為戶(hù)外終端，長(zhǎng)度為3272米；Ⅱ段電纜線路戶(hù)外終端3為直接接地，戶(hù)外終端5為保護(hù)接地，長(zhǎng)度為107米；Ⅲ段電纜線路戶(hù)外終端2為直接接地，戶(hù)外終端4為保護(hù)接地，長(zhǎng)度為215米；Ⅳ段架空線路長(zhǎng)度約為233米。
在Ⅰ段電纜線路戶(hù)外終端1處、GIS端分別安裝DJ-100高壓電纜線路在線監(jiān)測(cè)與故障定位裝置。
試驗(yàn)一：在I段電纜線路設(shè)置故障點(diǎn)F1，距甲變電站1020米左右。
分別進(jìn)行了三次試驗(yàn)，雙端測(cè)距波形如下所示。左側(cè)波形為乙變電站側(cè)波形，接頭類(lèi)型為GIS終端頭；右側(cè)波形為甲變電站側(cè)波形，接頭類(lèi)型為戶(hù)外終端頭。
三次試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，定位距離基本一致, 結(jié)果最大相差為2.14米。
試驗(yàn)二：戶(hù)外終端1和戶(hù)外終端4的電纜鎧裝不連接，在戶(hù)外終端4處F2點(diǎn)使用球間隙模擬故障放電。
分別進(jìn)行了三次試驗(yàn)，雙端測(cè)距波形如下所示。左側(cè)波形為乙變電站側(cè)波形，右側(cè)波形為甲變電站側(cè)波形。
三次試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，定位距離基本一致, 結(jié)果最大相差為2.16米。
（2）電網(wǎng)擾動(dòng)行波數(shù)據(jù)分析
GD供電公司XX變電站ZM電纜架空混合線路包含二段電纜線路和一段架空線路，其中Ⅰ段電纜長(zhǎng)2489米，Ⅱ段電纜長(zhǎng)2034米，電纜鎧裝采用交叉互聯(lián)方式接地方式；架空線長(zhǎng)度不詳。系統(tǒng)共安裝3套DJ-100高壓電纜在線監(jiān)測(cè)及故障定位裝置，分別位于1#戶(hù)外終端、2#戶(hù)外終端、4#戶(hù)外終端；1#DJ-100裝置和2#DJ-100裝置監(jiān)測(cè)Ⅰ段電纜；2#DJ-100裝置和3#DJ-100裝置監(jiān)測(cè)Ⅱ段電纜。
2020年12月21日凌晨，DJ-1000高壓電纜在線監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障報(bào)警信息。系統(tǒng)均給出了Ⅰ段電纜和Ⅱ段電纜的雙段測(cè)距結(jié)果，同時(shí)記錄了故障時(shí)刻的工頻電流波形。
通過(guò)對(duì)DJ-100裝置的工頻電流波形分析，可知線路A、B兩相間發(fā)生異常。
Ⅰ段電纜線路的雙端測(cè)距結(jié)果距離1#戶(hù)外終端2485.11m、距離2#戶(hù)外終端3.89m。
Ⅱ段電纜線路的雙端測(cè)距結(jié)果距離2#戶(hù)外終端4.29m、距離4#戶(hù)外終端2029.71m。
從Ⅰ段電纜線路雙端測(cè)距行波數(shù)據(jù)分析，雙端測(cè)距結(jié)果為距離1#戶(hù)外終端2485.11米，與I段電纜全長(zhǎng)2489米接近，相差3.89米；從Ⅱ段電纜線路雙端測(cè)距行波數(shù)據(jù)分析，雙端測(cè)距結(jié)果為距離2#戶(hù)外終端4.29米，與Ⅱ段電纜全長(zhǎng)2034米接近，相差4.29米。
結(jié)合工頻數(shù)據(jù)波形，綜合以上分析結(jié)果及波形極性，可知線路擾動(dòng)發(fā)生在架空線路段，電纜線路區(qū)外；此外，利用電網(wǎng)擾動(dòng)，DJ-1000高壓電纜在線監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)還能夠測(cè)量線路全長(zhǎng)，從而校正了線路長(zhǎng)度數(shù)據(jù)不完整的現(xiàn)象。