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电缆故障在线监测及定位系统方案及应用

2023-11-22 139 上传者：管理员

摘要：提出了一套以具有电缆局放预警、环流预警、故障选线、故障测距“四合一”功能的故障在线监测定位装置为核心，适用于地下及配网电缆的故障在线监测及定位系统及其应用方案。系统由监测信号传感器（含行波/局放/环流传感器）、信号采集及监测定位装置、监测主站和通讯网络4部分构成。根据城市配电网、地下电缆、工矿企业电缆网络等不同应用场景的需求，提出了相应的系统配置原则和方案，并提供了现场应用的案例。

关键词：
在线预警
局部放电
电缆线路
监测
行波选线
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高压电缆线路具有供电可靠性高，不受恶劣气候侵害，安全隐蔽耐用，节约城市空间等特点，在城市建设中得到了广泛的应用，因此电缆的安全运行对于城市的正常运转至关重要。但电缆运行环境复杂，运行负荷大，突发故障频繁，易造成火灾，且电缆故障后的事故点排查也是一道难题，采用传统的离线方法定位故障点需要耗费大量的时间和人力[1,2,3,4,5]。电缆绝缘特性的在线监测、预警，及电缆故障的在线故障定位技术，对于保障电缆的安全运行有重要的意义，也可大幅减少故障排查难度和成本。

现有的电缆故障在线监测及定位系统通常会分别配置电缆局放、护层环流、故障行波的采集装置，数据分别上送后由监测主站进行综合分析及告警[6,7,8,9]。文献[6]提出一种多台装置同步采集的分布式电缆局放在线监测系统，采用光纤收发器作为同步触发信号，实现多台局放监测装置间的高精度同步，完成局放异常点定位。文献[7]提出一种基于阵列式光纤光栅传感器（FBG）的电缆护层环流监测系统，采用无源的阵列式FBG传感器替代传统的有源式环流采集器，解决了隧道或地下电缆监测装置供电困难的难题。文献[8]提出一种利用暂态高频电流波形差异的故障选线方案，通过Hausdorff距离算法比较线路间暂态电流高频分量的波形差异进行故障选线，解决了谐振接地配电网系统高阻单相接地故障的线路可靠识别问题。文献[9]研究了在输电线路保护装置中集成行波测距功能的方案，将行波测距信号与保护装置的阻抗法测距进行相互校验，提高了故障测距可靠性和测距精度。众多的单一功能装置接入电缆综合监测系统，不同装置间性能差异巨大，造成整套系统的装置接线复杂，配置繁琐，同步困难，降低了故障预警及定位分析的准确性和可靠性。

图1 电缆故障在线监测及定位系统架构图

为解决上述难题，本文提出了一套以具有电缆局放预警、环流预警、故障选线、故障测距“四合一”功能的故障在线监测定位装置为核心，适用于地下电缆、配网电缆或工矿企业电缆的故障在线监测及定位系统，高效实现电缆故障前的绝缘状态监测，预警和故障后的快速准确定位，适用于地下电缆、配网电缆及工矿企业电缆系统，具有较高的推广价值。

1、系统架构及方案

1.1 系统架构

本方案电缆故障在线监测及定位系统主要由监测信号传感器（含行波/局放/环流传感器）、信号采集及监测定位装置、监测主站和通讯网络4部分构成，可同时监测多回路、多相电缆，如图1所示。

监测信号传感器感应电缆上的局放、环流及故障行波信号，由信号采集及监测定位装置采集后，通过有线或无线网络将数据上送至监测主站。监测主站统计电缆局放、环流的幅值、频次，跟踪局放、环流信号的长期变化趋势，可在其异常变化时及时发出警报，同时进行局放和环流趋势预判，在电缆绝缘或接地劣化但未故障时发出预警，以便提前安排电缆检修及更换；同时可分析故障行波信号，快速判断故障线路及故障点距离。

1）监测信号传感器

监测信号传感器含行波/局放/环流传感器3类，可根据功能需求及电缆类型选配对应的传感器。其中，局放/环流传感器通常安装于电缆金属屏蔽层接地线上，行波传感器通常安装于电缆芯线（既通流导线）或金属屏蔽层接地线上，收集电缆运行过程的局放量、护层环流、暂态行波波形和稳态电流等信息。不同的电缆类型及接线方式下，需要配置的传感器数量和类型有区别。

对于单相电缆，可在每相的电缆金属屏蔽层接地线上安装行波/局放/环流传感器（通常安装于接地箱内），其中行波电流传感器也可以安装于电缆芯线上。

对于三相统包电缆，三相电流的总和为零，金属屏蔽层上的感应电压也趋近于零，屏蔽层接地点不会产生接地电流[10]，因此无法配置环流传感器，可在统包电缆的接地线上配置一台局放传感器，测量电缆屏蔽层的绝缘特性，并在电缆端头的三相芯线上分别配置行波传感器。

行波传感器分为电流型和电压型，多数场景下采用电流型行波传感器，某些接线方式下可以配置电压型行波传感器[11]。

2）信号采集及监测定位装置

监测定位装置指电缆故障监测及定位装置，信号采集装置指专用的局放/环流采集器。

电缆故障监测及定位装置具有电缆局放预警、环流预警、故障选线、故障测距“四合一”功能，可采集配套的行波/局放/环流传感器信号，配置在电缆的首端或尾端，实现单端/双端行波测距、局放预警、环流预警等功能[12]。装置功能全面，但成本相对较高。

局放/环流采集器的功能较为单一，成本较低，一般配置在电缆中间接头处接地线上，采集接头处的局放、环流信号，并通过光纤或无线信号将局放、环流信息上送至监测及定位装置。

3）监测主站

主站一般安装在电缆首端或尾端变电站，由服务器、工作站、交换机等设备组成，是电缆故障在线监测及定位系统的后台部分，实现对采集或监测定位装置上送的遥测、波形和特征量数据的接入及分析，并完成数据展示及存储、局放和环流预警、故障选线和故障定位信息输出等功能。

4）通讯网络

电缆故障在线监测及定位系统可支持多种网络架构，如星型网络、单环网、双环网等。通讯网络可采用有线（以太网或光纤）或无线（4G/5G或APN专网）通讯方式，支持MODBUS TCP、IEC-103（专用或通用）或61850等常用规约。

1.2 典型应用场景及配置方案

地下电缆、配电网或工矿企业等应用场景下，行波数据的故障特征各有不同，可采用不同的故障监测装置配置方案，以分别实现双端电流行波测距、单端电流行波测距或单端电压行波测距，获取最易识别的初始行波波头或反射波波头，提高故障定位可靠性和定位精度。

图2 城市配电网电缆监测系统架构图

1）城市配电网

城市配电网多为环网架构，各开闭所或环网柜均接入多个电缆间隔，架构复杂，行波的反射波干扰因素较多，很难准确识别[13]，而初始行波的波头相对较易识别，因此宜采用双端行波测距。典型系统架构如图2所示，电缆监测定位装置安装在各开闭所和环网柜，监测主站安装在控制中心，监测定位装置和主站之间通过光纤网或无线网络通讯。

电缆监测定位装置外接GPS/北斗天线实现时钟同步，通过无线或光纤网络将打上高精度时标的行波数据上送至监测主站。主站分析行波暂态波形的幅值、极性等特征，依据配电网的拓扑结构识别故障线路，通过比对故障线路的双端行波到达时间差计算故障点至电缆两端的距离，实现故障定位。

2）地下高压电缆

电力管廊或风电场等新能源厂站内敷设的地下（或埋地敷设）电缆，通常有线路分支少、单根电缆距离长等特点，电流行波的反射波衰减较大，不易识别，宜采用双端行波测距。

单相电缆的典型系统架构如图3所示，监测定位装置安装于电缆首尾端处，外接GPS/北斗天线实现时钟同步，主站一般安装于电缆首端或尾端变电站。

电缆监测定位装置可同时接入以其为端点的多条线路信号，实现多回路的电缆故障监测和定位功能。

地下高压电缆通常为分段敷设，可能造成绝缘层的不连续，绝缘层上的行波、局放、环流信号通过电缆中间的接地线处入地，无法完整传输至电缆首端及尾端，因此需在电缆首尾端选用芯线（即通流导体）型的行波传感器，采集电缆芯线上传输的故障行波信号，且在电缆中间接头处配置局放/环流采集器，采集接地点的局放、环流信号。电缆监测定位装置和局放/环流采集器之间可以通过光纤或无线网络组网。

图3 地下电缆（分相）故障监测系统架构图

三相统包电缆的电缆护层上无法配置环流传感器，不支持环流监测功能，可在电缆芯线首尾端及电缆接头的接地线上配置局放传感器。电缆首尾端配置三相行波传感器，实现电缆的局放监测及故障定位。

3）工矿企业电网

工矿企业内部电网多为单端电源供电，拓扑结构较为简单，行波反射波特征较为明显，且电缆馈线一般较多，双端测距成本高昂，宜采用单端行波测距。对于母线上电缆馈线数量较多的情况，故障电流行波特征较为明显，宜采用电流行波进行故障定位；对于只带负荷变压器的单出线系统，故障电压行波特征较为明显，宜采用电压行波进行故障定位[11]。

工矿企业中，监测定位装置一般在母线处就地组屏安装；主站安装在配电室或就地屏柜；监测定位装置和主站之间通过光纤网、以太网或无线网络通讯；单端测距方案对时钟同步无严格要求，监测定位装置可接入外部时钟对时信号，若无外部时钟源，则外接GPS/北斗天线，最简配置时不进行对时也可正常工作。某35kV电压等级电缆的系统架构如图4所示。

一台电缆监测定位装置可同时接入多段母线上的各条线路的行波、局放、环流信号以及母线上的电压信号，主站实现局放、环流的在线监测预警，并依据电网的拓扑结构分析行波波形的幅值、极性等特征，识别故障线路和故障点位置。

图4 工矿企业电网故障监测系统架构图

2、应用案例

云南某风电场，风机分散布置，各风机出线经箱变升压后通过埋地的35kV电缆接入升压站，同一区域的风机可能会在分支箱处进行汇流，如图5所示。整个风电场35kV电缆总长度超过200km，电缆分布范围广、分支多、总长度大，且电缆直埋造成故障难以快速排查和定位。

为解决电缆故障监测和排查的难题，项目配置了电缆故障定位系统。因电缆长度较大，且在电缆分支箱处存在分流或汇流的情况，所以采用了双端行波测距方案。升压站内配置一台电缆故障定位装置，统一采集各条线路的行波信号；经电缆分支箱引出的每条分支电缆的尾端均配置一台电缆故障定位装置（一条分支电缆可能连接数台风机箱变）及配套的行波传感器；升压站侧电缆故障定位装置通过光缆与各电缆尾端故障定位装置通信；每台故障定位装置均外接GPS/北斗双对时天线，确保时间精确同步。系统配置如图6所示。

厂内模拟现场状况和配置情况搭建了动模系统，测试结果表明，各种状况下测距误差均小于10m，可满足现场故障排查的需求。

3、结论

本文提出了一套以具有电缆局放监测预警、环流监测预警、故障选线、故障测距“四合一”功能的故障在线监测定位装置为核心，适用于地下电缆、配网电缆及工矿企业电缆的电缆故障在线监测及定位系统，及其在各种应用场景下的配置原则和典型应用方案。本文得出结论如下：

图5 风电场电缆布置图

图6 风电场电缆故障定位系统架构图

1）该系统可实现电缆故障前的局部放电监测预警、护层环流监测预警，故障后的行波选线、行波测距功能。

2）系统由监测信号传感器、信号采集及监测定位装置、监测主站和通讯网络4部分构成，支持单端行波测距或双端行波测距。针对不同的应用场景，可灵活配置，满足不同的电网架构需求。

3）支持有线、无线等多种通信方式及环网、星型网等多种网络架构，通信可靠性高。

4）行波波头判断准确，对时精准，行波测距误差小于10m，满足工程应用需求。

该系统集成度高，适用于城市配电网、地下电缆、企业电网等不同的应用场景，可实现电缆绝缘状态的在线监测和提前预警，电缆接地故障后的准确定位，有效减轻现场故障排查和检修的工作量，解决复杂电缆分布情况下的电缆故障监测及定位难题，具有较高的推广价值。

参考文献:

[1]牟龙华,孟庆海.供配电安全技术[M].北京:机械工业出版社,2003.