电力电缆线路在线监测及故障测距系统

淄博博鸿电气有限公司电力电缆线路在线监测及故障测距系统追求卓越创新科技博鸿电气有限公司是专业从事电力系统智能测试、在线监测与供电监控等技术的研发推广、系统集成与咨询服务的高新技术企业。最新研发的BHDJ-2000电缆在线监测系统，首次提出和利用电缆线路的“可恢复性故障”机理，采用先进的传感器技术、现代微电子技术、小波技术与通信技术，通过特高频数据采集单元实时采集和分析电缆接地感应环流的行波信号，实现电力电缆绝缘在线监测，提前发现与及时预报电缆的绝缘故障隐患，并可进行故障测距和定位，具有在线实时监测、故障预警与测距及先进的管理功能。该装置已在唐山电力公司、胜利油田、大庆油田、齐鲁石化、莱芜钢铁公司等投入运行，并已准确预报故障和测距，赢得了用户的高度评价。公司简介工控知名品牌电力电缆在线预警系统的作用及意义交联聚乙烯(简称XLPE)电力电缆被广泛应用于电力系统各电压等级的输电线路和配电网中,并成为未来电缆发展的主流由于电力电缆铺设在地下，运行环境相对恶劣，因此，每年电缆故障造成的突发停电、火灾隐患等事故时有发生，不仅给工农业生产造成了巨大损失，而且也给人们的正常生活带来了一定的影响。电源敏感用户和敏感用电设备越来越多，人们对供电可靠性要求和意识越来越强烈。电力电缆故障预警就是通过在线监测技术，对电缆的运行状况和故障征兆作出判断，从而实现对即将发生故障的电缆做出预警，以指导计划检修，避免事故扩大和不必要的经济损失。现有电缆绝缘在线监测方法及其存在的问题(1)直流法:直流分量法/直流叠加法(2)tanδ法（电介损法）(3)局部放电法(4)温度在线监测法(5)低频叠加法(6)接地线电流法直流分量法交联聚乙烯（XLPE）电缆中的水树枝起“整流作用”。水树枝前端所聚集的电荷逐渐向屏蔽层漂移,就像整流作用那样出现了直流分量,可以通过测量直流分量来检测交联聚乙烯（XLPE）的水树枝的发展情况。在实际现场运行情况看，此直流分量数值极小,有时仅几纳安。故在现场进行直流分量的测量时,微小的干扰电流就会引起很大的误差,且这种误差主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流。

损耗电流谐波分量法谐波分量法的原理是根据水树枝引起老化的交联聚乙烯（XLPE）电力电缆会在损耗电流中产生谐波分量来检测电缆的绝缘状况。研究表明,在水树枝老化的情况下,绝缘的电导会呈现出非线性特征,在正弦电压作用下,损耗电流将出现谐波分量。利用检测到的损耗电流的谐波分量就能够提供更多的水树枝的老化信息,为电缆绝缘状况的监测提供了一种可供选择的方法。但此方法存在比较难以区分电容电流分量和损耗电流分量的缺点。检测局部放电法局部放电是交联聚乙烯（XLPE）电力电缆绝缘介质内部发生的局部重复击穿和熄灭现象,这种放电一般发生在电缆的局部缺陷处,放电量很小（几pC～几十pC）。在放电初期基本不会影响电力电缆的绝缘能力,但如果这种放电长期发生,则会逐渐的损坏电缆的绝缘,缩短电缆寿命。由于局部放电时,电缆的绝缘电阻、介质损耗和泄露电流都不会有太大变化,因此,检测以上参数是无法判断出局部放电的。但在绝缘发生局部放电的时候,一般都会产生电脉冲、电磁波放射、光、热、声、噪音等现象,这些现象就可以作为局放检测的对象。根据检测物理量的不同,其方法有:局部放电量法、脉冲电流检测法、电磁波法、超声波法和振动加速度法。其中脉冲电流法的灵敏度最高,而且可以测得放电量、放电重复率及平均电流。但是对于交联聚乙烯（XLPE）电力电缆的局部放电的研究，目前没有达到实用化，并且对于绝缘介质的损毁程度和发展过程，还没有定性和定量的认识。传统检测方法研究和试验表明，小电流系统中电缆接地故障的检测之所以困难，其主要原因在于故障电流小及接地点电弧不稳定。特别在经消弧线圈接地系统中，流过电缆故障线路的稳态电流十分微弱，甚至比健全线路感受到电流变化还小。而故障点的不稳定电弧，将使故障电压电流信号严重畸变。BHDJ-2000电缆在线监测系统主要功能预警功能故障选线功能故障测距功能防止电缆因故障升温造成火灾状态检修状态检修代替计划检修

电力电缆绝缘在线监测技术的应用是实现状态检修的有效手段之一，在线监测是在运行电压下对电缆的绝缘状态进行检测，真实反应了电缆绝缘水平。

避免了目前使用的交直流实验对电缆的绝缘薄弱点的进一步极化现象,缩短电缆寿命。

有些停电时显示良好的电缆,在投入运行后就被高压击穿,造成更大经济损失.目前观点认为直流实验害多利少,建议采用既无损又不用停电的在线监测内容,实现不停电的无损检测.电力电缆故障形成机理和过程

水树枝老化是造成交联聚乙烯电缆在运行中被击穿的主要原因。在绝缘中存在缺陷、微孔和水分的前提下，水树枝尖端的电场将愈加集中，局部高电场强度最终会导致水树枝尖端产生电树枝，造成运行电缆的瞬间燃弧，电缆绝缘下降，并且随着燃弧的积累，最终造成电缆绝缘损毁故障分析当水在电缆头或电缆绝缘介质薄弱点累积时，在电场的作用下，会发生水树枝激化现象，并产生电弧，电弧导致水快速蒸发和在电缆头或电缆绝缘介质薄弱点产生高压，通常在1/4周波内(2~5毫秒)熄灭电弧、中断电流。因为故障电流是被水汽的压力中断，而水汽又是由于故障电流产生，所以它被称为“可恢复”故障。随着时间的推移发生的频率越来越频繁。开始它发生的不频繁，约一个月一次，然后一星期几次，一天几次，一小时几次，直到电缆击穿。监测瞬时性燃弧特征和辨识方法达到故障预警目的对于交联聚乙烯电缆，由水树枝造成的瞬时性燃弧具有可恢复性的特点，我们称它为“可恢复故障”。随着这种故障的次数积累，达到一定程度后，电弧连续且不可恢复，在运行系统即表现为接地故障，电缆损毁需要维修。瞬时性可恢复故障的持续时间一般在2~5毫秒（四分之一周波内）。对于持续时间很短的瞬时性可恢复故障来说，常规的电网绝缘监测装置（包括小电流接地故障检测装置）一般来不及动作、给出报警信息。故障判据的获得

本系统实现了能够捕捉、记录到瞬时性可恢复接地故障的特高频数据采集技术，以及能有效判断其特征的辨识方法，同时研究此类故障最终造成电缆损毁的有效次数积累，确立电缆故障预警判据，通过对运行的电力电缆的实时监测和数据分析达到故障预警功能。行波过程电力电缆发生“可恢复”故障时，由于故障点电压的突变在线路上将出现电弧暂态行波过程．故障暂态行波过程可以利用叠加原理来分析。根据叠加原理在故障瞬间，相当于在故障点突然附加一个与故障前电压大小相等、方向相反的虚拟电源,故障暂态行波过程的波源就是此突加于故障点的附加电压源．该附加电压源产生的初始行波浪涌将以接近光速的速度向两个相反的方向传播并在故障点和系统中其它波阻抗不连续点之间来回反射和折射直到进入稳态,行波传播的具体速度取决于电缆线路的绝缘物的材质。行波网格图在线监测装置安装示意图分布式监测系统结构图BHDJ系列电力电缆在线监测及预警系统110/220kV电缆监测系统示意图（双端测距）BHDJ系列电力电缆在线监测及预警系统6/10/35kV电缆监测系统示意图（单端测距）双端D型测距方法

设故障初始行波波头到达两侧母线的时间分别为T1和T2，故障点到1侧母线的距离为L1，到2侧母线的距离为L2，如图所示，装于线路两端测距装置记录下故障行波波头到达两侧母线的时间，则故障距离可由下式来算出

L1=[(T1—T2)*v+L]/2L2=[(T2—T1)*v+L]/2

两端测距法只检测故障产生的初始行波波头到达时间，不需要考虑后续的反射与透射行波，原理简单，测距结果可靠，但是要在线路两端装设测距装置及时间同步装置，并且两侧要进行通信，交换记录到的故障初始行波到达的时间。90年代初，美国全球卫星定位系统（GPS）技术对全球商业化应用开放，GPS是一种理想的时间同步技术，利用基于GPS同步时钟输出，通过OCXO和加权平均算法理论上能够实现两端测距装置1ns精确同步，但考虑到环境因素影响，在实际应用过程中，两端测距装置可以精确到4ns精确同步，在暂态电流行波脉冲信号出现时，信号检测触发器翻转，同时锁存当前时钟输出并由CPU读取该时间信息，装置就实现了暂态电流行波脉冲信号出现时刻的精确检测。35KV单芯电缆测试原理图低频波形文件示意图图示为35Kv电缆护层接地后等效电路图图示为35Kv电缆护层接地后监测点电流仿真图电缆在线监测系统屏柜图装置终端单元

现场装置图例1

现场装置图例2现场装置图例3后台软件后台采用运行WindowsXP系统的管理软件，内置监测电缆的名称、波速度、电缆长度、历史数据等信息。采用局域网方式与监测装置通讯，可以操作装置的参数设置。人机界面良好，并且通过上位通讯实现远程服务。本系统可以作为管理员系统，也可以现场分析故障预警及测距信息，可以实现无线网络通讯，并且可以向相关人员发送短信报警信息。计算机主界面后台软件及实时分析系统远程服务工程实例电缆在线监测系统是采用基于行波法的电缆故障在线诊断方法，符合国内配网小电流系统的实际情况，并且经过大量的实验室仿真模型的数据获得设计参数，在2009年11月26日在东区供电公司锦华变投入试运行，目前系统运行稳定，并且对2010年3月20日的电缆接地故障成功预警并测距准确。运行报告一：胜利油田自2月15日起，1#锦北乙开始出现触发的现象，至3月14日共触发68次，并且波形一致，。3月17日至3月20日，共触发119次，触发频率明显增多，并且信号强度增强，。3月20日7：30分1#锦北乙发生接地，数分钟后相间短路速断。当日检修人员进行故障查找，在九百多米处查找到故障点，用电缆故障测试仪检测的测距波形如图所示此电缆故障为电缆接头故障，在线监测设备测距与离线测距基本一致，并且积累了一定的预警判据信息。由波形看出，“可恢复故障”的击穿点，为正半周或负半周的电压峰值引起，造成采集到的波形有正负之分，但测距信息相同，这也就充分证明可恢复故障电压因过零点熄弧后无法连续的特征。3月14日触发波形3月17日触发波形DLC-100A电缆故障测试仪脉冲电流波形

运行报告二

4月3日14：40分，4#锦河线连续触发，变电站接地报警，触发波形如图所示，因之前4#锦河线并无触发现象，故此接地故障为突发故障，后经过落实，为电缆途径有施工挖掘机挖到电缆，致使电缆单相接地所致。分析得到的触发波形，故障距离为1262.17米，后与供电公司联系，从变电站到破坏点的地面距离大致为1220米，距离误差可能为电缆敷设时的盘余等原因。4月3日实测波形系统扰动波形结论一

对于配电网小电流接地系统，故障电流微弱、电弧不稳定等原因，基于稳态信息的方法效果均不理想。故障电流中暂态分量远大于稳态分量，因此基于暂态行波信号的方法可靠性、灵敏度均较高。结论二从实例1可以看到，基于暂态行波信号特征分量的特高频数据采集，证实交联电缆的“可恢复故障”是存在的。并且可以根据采集此类故障积累的判断，预知电缆的绝缘损毁程度，并且总结得到一个可靠的判据，实现电缆的故障预警，达到状态检修的目的。由于电缆的“可恢复故障”的暂态行波信号特征分量幅值强，通过对采用特高频数据采集装置采集到的波形分析，并且与电缆故障后查找故障的测距比对，能够确认本在线监测系统可以实现电缆发生永久故障之前的故障测距功能。并且装置设计的测距精度达到每公里0.7米。结论三结论四本系统得到的自2月15日至3月20日1#锦北乙回路电缆的“可恢复故障”数据，是世界上首例在运行电缆上得到的暂态行波可分析故障距离的信息。结论五本系统得到的4月3日的因人为原因造成的电缆损毁触发波形，正确的反映了单相接地之后故障点连续引弧的过程，并且在接地报警过程中可以准确的指示出接地电缆回路和电缆接地故障的距离，使检修人员迅速排除故障，保障系统安全稳定。运行报告三：唐山供电公司荣华道开闭站电缆在线监测系统BHDJ-2000电缆在线监测系统在2009年11月3日唐山供电公司荣华道开闭站投运，图1为现场界面。11月3号投运即发现512（5#出线）有波形触发，如图2，初步判断是在出口20多米处一接头可能在制作时存在故障隐患，因为触发频率不是太高，系统标记为黄色，需进一步监测。图1图2设备简介：淄博博鸿电气有限公司研制生产的BHDJ-2000电缆在线监测系统具备以下特点：1）、可以实现交联聚乙烯（XLPE）电力电缆在线故障预警。2）、不改变电缆运行方式和结构，不占用现有系统资源，在电缆接地导体上安装高频电流传感器，安全可靠。3）、可以在线检测一条或多条电力电缆，不强制要求在连接变电站同一母线的所有电力电缆上都安装在线检测设备，不强制要求同时检测所有电力电缆的电磁暂态信号，因此系统配置灵活。4）、实现电力电缆故障预警，便于供电部门提前或有计划检修，避免因电缆突发故障造成停电，减少因停电所造成的经济损失以及对企业生产和人民生活带来的不利影响，提高供电可靠性。5）、实现电力电缆故障点的测距，给电缆的检修提供依据。实验报告：津西钢铁实验为了验证该系统的指标和性能特提出以下实验验证方法：1）确定一条没有故障的电缆出线。2）在该条电缆上安装上述监测系统。3）确定该电缆的实际长度。4）在该电缆的末端人为制造瞬时接地（时间小于0.5秒）。该系统应该能够扑捉到该瞬时接地信号，并依据该信号检测出该人为瞬时接地故障的距离。该方法只适合小电流接地系统运行的电缆。上述实验方法的理论依据：1）因为是小电流接地系统，所以发生单相接地时，不会有大的稳态电流，只有大的瞬时的电容电流。2）因为是瞬时接地，所以站内的接地报警装置来不及动作。3）电缆在线监测系统就是通过监测电缆线芯与护层的“可恢复故障”实现故障预警，该“可恢复故障”就是瞬时接地故障。4）电缆本体的故障行波的初始波和反射波传播到监测系统的高频传感器，被记录下来，上传到上位机，上位机软件分析出故障距离。5）实验在电缆末端瞬时接地，那么故障距离应该是电缆全长。2011-4-1115:00:10在津西钢铁津东变电站。出线：513丙烷气站I段。站端安装BHDJ-2000电缆在线监测系统。做好安全措施。用绝缘棒端头上接一接地线，操作人员戴安全帽