高压电缆故障分析判断与查找研究

　　近年来,传统的架空线路逐渐被埋设在地下的电缆所代替,但由于电缆线路的设立不在地上而是埋于地下,电缆故障的分析、定位以及维修等一系列的工作都相对较为复杂,对电缆故障分析与定位技术提出了更高的要求。目前国内外配电网故障在线定位方法主要有直流叠加法、在线介质损耗角正切法等[1],但在实际的应用中仍然缺少一种适用性较高的故障查找方法。笔者依据自身实际工作经验对高压电缆常见故障进行简单总结的基础上重点依据暂态行波法测距理论探究电缆环网故障预警定位系统的设计,实现高压电缆故障点距离的精确定位,为供电稳定运行提供了保障。

　　1 高压电缆常见故障

　　在实际工作中,高压电缆在施工安装运输以及后续使用维护中由于电缆生产质量的差异、施工过程的不当、长时间的超负荷运行、绝缘老化变质以及电缆运行环境的复杂化多样化都有可能导致故障的发生,通常存在短路、断线、漏电接地这三种类型的常见故障,细分为二相芯线间短路、三芯电缆一芯或两芯接地、三相芯线全部短路以及一相芯线断线、多相断线等。

　　2 高压电缆故障点的判断与定位

　　目前我国对高压电缆故障点进行查找定位主要依据诊断—测距—定点这三个步骤,主要使用低压脉冲法、高压脉冲法、二次脉冲法、冲击放电声测法、音频法、声磁同步原理等方法去对故障点具体位置进行判断。但这些故障检测方法都存在着弊端,譬如说低压脉冲法适用于短路与低阻故障,但却不适用于闪络性故障、高阻故障,不能够实现全面对高压电缆故障进行预警与定位。随着科学技术的快速发展,电缆故障定位技术不再仅限于传统耗费大量时间的定位方法,在先进计算机技术的基础上构建自动化故障定位系统成为电力行业发展趋势。

　　20世纪中期,通过利用故障行波对故障点进行检测与定位的理论被提出,后续的实验证明该方法有着相对较高的精确度[2]。因此,笔者通过借鉴国内外先进材料与经验且基于行波理论设计电缆型故障指示器定位系统,其系统是由电缆型故障指示器和故障定位装置组成,能够实现将不同的电缆相应的资料数据与系统数据库相关联,搭载GPS能够实现电缆故障自动定位。

　　2.1 系统架构

　　该系统分为后台系统与前端检测设备两部分(图1),融合先进的数字化传感器技术、高速数据采集、通信技术和计算机技术为一体,能够适应恶劣的运行环境。

　　前端检测设备。主要由前端数据采集单元与汇集单元所构成,采集单元采用现代微电子技术、高速数据采集技术、数字信号分析与传输处理技术,可检测到环网运行的电缆线路中任意一条电缆发生暂态故障时故障点产生的暂态行波到达本系统各个监测装置的准确时刻,而且抗干扰能力强、可靠性高,包含有电流测量功能的相间故障指示器3只、电流测量功能的零序故障指示器1只和面板指示器1只。面板指示器安装在开关柜(或环网柜等开关设备)的面板上,对电力线路短路接地故障进行判断并给出指示信号。相间和零序故障指示器可以测量线路的负荷电流,实时监测线路的故障信息,实现数据的采集与信息上传,并能在动作之后在设定的时间内或在恢复送电后自动让指示信号复归,也可定时复归。

　　另外,为了提高高频数据采集装置抗干扰能力,装置FPGA内置有经验线模RMS(Root-Mean-Square)运算及Hilbert谱分析等相关算法,确保采集装置的触发信息与电缆故障高度相关。信号采集并处理后通过蓝牙无线通讯将暂态行波的数据信息传输给转发单元。转发单元将信号采集处理单元采集到的数据信息编译后转发给上位机。汇集单元安装于环网柜、开闭所内,主要由主板单元、光信号处理单元、存储模块、电源管理模块以及通讯管理模块等部分组成。能够通过光纤通信接收采集单元传输的遥信(故障信息)、遥测(负荷电流)信息进行分析、编译;可实时监测24路开关节点遥信状态并生成相应的遥信变位信息及SOE信息;采集到的数据通过GPRS模块通过无线信道完成数据上报主站系统。

　　后台系统。利用计算机与通信等技术实现对环网线路情况及电缆运行状况进行综合监控和集中管理,其硬件主要包括行波分析工作站、数据服务器、维护工作站等,通过通信网络与前端设备对电缆网路上所收集的故障产生的暂态行波信息的整合,利用其自身自动故障定位功能、波形分析以及辅助波形分析等强大的处理分析功能实现电缆故障的最终定位,并及时针对故障定位结果进行报警和故障信息的发布。后台系统的软件架构如图2所示,主要包括三个层次。

　　2.2 主要功能

　　实现故障快速定位。该系统可实时准确地在线监视线路状态和线路负载电流,并将收集到的故障报警以及负荷电流等实时信息反馈至主站中心[3]。主站中心接受信息后对其进行数据整理、分析以及拓扑计算,从而确定电缆故障区域,根据区域引导工作人员迅速准确地找到相对应的故障点。当线路发生短路、接地、停电和送电等运行状态变化时,故障指示器检测到变化的信号并判断线路是否发生了故障,故障点前到变电站故障回路上的所有指示器都会改变状态并现场给出指示。如当线路出现短路故障时,短路故障指示器感应到故障电流,则指示器由不发光状态转为发光状态(图3)。根据2#线B相指示器2,5,8和2#线C相指示器3,6,9由不发光状态转为发光状态。而11,12指示器没有发光,即可迅速确定故障为D点。

　　故障在线监测。系统设有通信功能具有有效且稳定的故障在线监测功能,能够全面准确的收集电缆的故障信息。内置光纤数据输出接口,采集单元(指示器)还会将监测的动作信号、短路故障遥信、接地故障遥信、停电、送电、温度、负荷电流等信息通过光信号传输到汇集单元(通信终端),再经由无线模块(4G模块)将信息发送到工作主站与其实现信息共享,当故障发生时主站能够实时对发生故障的电缆网络进行拓扑结构分析和数据计算,通过线路颜色的变化闪烁直观显示故障所在区段,同时弹出对话框提示报警,告知工作人员故障点具体位置所在。

　　双端自动测距及故障点指示。系统利用双端多次测距方法实现电缆故障测距测算,并利用平台实现故障点指示。与传统离线定位技术相比系统定位误差小,根据故障点距离区分电缆本体故障或是电缆接头故障。

　　采集时间同步。系统装置了GPS同步时钟,在利用行波进行测距时,为保证测距结果的精确,必须确保各个测量点的同步采样。通过借鉴利用GPS同步时钟对架空输电线路进行双端行波故障测距的技术,将GPS同步时钟应用于高压电缆的故障定位系统,确保装置间时钟同步,实现暂态电流行波信号出现时的准确授时。

　　3 结语

　　众所周知,高压电缆在我国的电力系统起到了至关重要的作用,能够为人们生活水平的提高以及经济社会的发展保驾护航。高压电缆发生故障时,如若不能够及时对故障进行分析判断以及查找定位,往往会造成范围停电,造成不可挽回的损失,因此本文对于电缆故障判断与定位的研究具有一定的意义与价值。本文重点探究了基于行波理论的电缆故障定位系统,本系统的设计与应用能够提高配电网运行水平,自动实现故障定位和测距,提升相关工作人员的效率,降低维修成本,为线路正常运行提供了有力保障。