配網(wǎng)電力電纜故障探測及定位技術的實現(xiàn)

劉泊辰，張衛(wèi)東，高盛，劉冰，高原

（國網(wǎng)淄博供電公司，山東 淄博 255000）

0 引言

在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的大背景下，電力工業(yè)也面臨著深化改革和快速發(fā)展的艱巨任務，國家電網(wǎng)必須加快電力工業(yè)的智能化發(fā)展，提高電力利用效率和配網(wǎng)電力電纜的安全性和可靠性。電力電纜作為電力傳輸?shù)闹饕ǖ?，相比于傳統(tǒng)的高空架設線路，電力電纜常埋于地下，在空間方面不受地面和建筑物的影響，在外部環(huán)境方面不受風吹、日曬等惡劣天氣因素的影響，具有安全、隱蔽、耐用等優(yōu)勢，應用非常廣泛，尤其是在城市化快速發(fā)展的今天，電力電纜的覆蓋面積不斷擴大。配網(wǎng)電力電纜雖然具有很多優(yōu)勢，但是長期埋于地下處在潮濕環(huán)境當中，容易受到腐蝕，影響電力電纜的絕緣性，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并進行維護，將會造成嚴重故障，因此，配網(wǎng)電力電纜故障探測和定位技術就成為了電力工作者所關注的焦點問題。

1 配網(wǎng)電力電纜故障原因的評價

在城市建設過程中，由于土地資源的稀缺，傳統(tǒng)的架空線路已經(jīng)嚴重影響城市的規(guī)劃和發(fā)展，逐步使用地下電纜線路替代傳統(tǒng)架空線路。因此，配網(wǎng)電力電纜在城市電力基礎設施中具有重要地位，配網(wǎng)電力電纜的質量，將直接決定著城市生產、生活用電的安全性和穩(wěn)定性。隨著電纜技術的發(fā)展，承受電壓等級也由低到高逐漸得到突破，絕緣材料也由天然橡膠，轉化為油浸紙絕緣、氣體絕緣、合成橡膠、聚氯乙烯、交聯(lián)聚乙烯等新型材料，但是，由于電力電纜常深埋于地下，日常維護和檢修工作存在諸多不便，因此，在對配網(wǎng)電力電纜維護管理過程中，需要對其故障產生的原因進行深入分析，制定針對性的維護措施。實踐調查得知，配網(wǎng)電力電纜故障根據(jù)其故障產生的原因，主要分為本體故障和外體故障兩個方面，（故障類別如圖1所示：）下文對配網(wǎng)電纜故障產生的原因進行具體分析：

1.1 電纜本體故障

圖1 配網(wǎng)電纜故障類別Fig. 1 Fault category of distribution network cable

電力電纜本體故障包括：制作工藝問題和材料缺陷，而導致的電纜過熱和過電壓等問題。由于電纜在傳輸電能的過程中會產生一定的熱量，這種熱量會隨著電流的增加而升高，如果電纜在設計過程中電阻不符合要求，超出核定負荷時，會產生發(fā)熱現(xiàn)象。當傳輸電能所使用的電力電纜選擇不當，導體截面過小，就會在運行中產生過載現(xiàn)象，長時間在過載狀態(tài)下運行可能導致電纜集中發(fā)熱，一旦散熱不均勻同樣會造成發(fā)熱現(xiàn)象[1]。在配網(wǎng)電力電纜安裝過程中，如果通風設計不合理，電纜安裝過于集中，或者靠近其他熱源，在長期使用過程中也會導致通風散熱效果不好，產生發(fā)熱現(xiàn)象。此外，如果配網(wǎng)電力電纜制造工藝存在缺陷，電力電纜壓接不緊密，會導致接觸點的電阻過大，在相同的電流情況下，電力電纜阻值較大的部位，所產生的電壓就越高，進而導致發(fā)出的熱量不斷增大，從而產生故障隱患，影響電纜的正常運作。

1.2 電纜外體故障

配網(wǎng)電纜的外體故障，主要包括：環(huán)境因素影響和敷設施工過程中造成的機械損傷。由于長期處在地下潮濕環(huán)境當中，一旦受潮電纜的絕緣設施很容易受到腐蝕的滲透，保護層受到腐蝕導致電纜絕緣老化或者受潮，性能受損，影響電力電纜承受電壓等級和載流量，出現(xiàn)電纜故障。由于受到敷設施工工藝的影響，在敷設電纜過程中造成電纜外皮機械損傷，長期使用過程中，防水和絕緣性能下降，再加上一些電纜材料自身的材料缺陷，在外力作用下導致電纜斷裂等現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)這類故障，很容易導致電力電纜短路，影響電力傳輸?shù)陌踩院涂煽啃訹2]。

2 配網(wǎng)電纜故障診斷與定位技術的實現(xiàn)

配網(wǎng)電纜作為電能主要輸電線路，主要分為地下輸電線路、水下輸電線路以及空氣中輸電線路三種類型，由電纜線路路徑、電纜本體、電纜附件、接地系統(tǒng)和在線監(jiān)控設備組成。其中監(jiān)控設備主要負責對電纜運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。由于電纜處于不間斷工作狀態(tài)，電纜故障可能出現(xiàn)在線路施工、調試、維護等任何階段，除了少量的電纜故障出現(xiàn)在施工、調試階段外，更多的電纜故障出現(xiàn)在維護運行期間。配網(wǎng)電力電纜在長期使用過程中，絕緣老化等問題會逐漸顯現(xiàn)，一旦造成配網(wǎng)電力電纜故障會給用戶帶來極大的困擾，這就要求電力企業(yè)必須熟練的掌握電纜檢測方法。對于配網(wǎng)電纜故障的檢測，首先，需要探測電力電纜敷設路徑，對于多條電纜同時敷設的電纜溝，還需要將故障電纜從多條電纜中區(qū)分出來。目前。在電纜故障檢測中，多數(shù)采用高壓檢測和低壓檢測兩種方法，其中高壓檢測適用于低阻、斷路、高阻等各種情況的電纜故障，低壓檢測方式適用于低阻、斷路情況，因此在實際檢測中多數(shù)采用高壓檢測方法，從而提高電纜故障檢測的準確性[3]。

2.1 故障診斷技術

本文主要研究紅外熱成像技術（TIS）在配網(wǎng)電力電纜故障診斷過程中的應用，該技術借助紅外輻射探測技術能夠快速、有效的通過非接觸的方式獲取配網(wǎng)電力電纜的運行狀態(tài)信息，波長為0.75μm到1000μm，具有抗干擾性能強和高可靠性等特點，突破人類視覺障礙，使人們可以直觀獲取物體表面的運行狀態(tài)。因此，在電力行業(yè)具有廣闊的應用前景?；赥IS技術的紅外輻射探測儀，縮小了單點紅外測溫儀與熱像儀之間的差距[4-5]。由于搭載了微型紅外傳感器，該設備可以通過掃描配網(wǎng)電纜表面，然后快速探測其運行的熱量，拍攝出熱度場分布圖像，然后經(jīng)二次處理得到溫度場數(shù)據(jù)分布圖，建立傳熱數(shù)學模型，根據(jù)配網(wǎng)電纜的結構參數(shù)、性能參數(shù)，環(huán)境溫度進行故障診斷，從而準確定位測量點[6-7]。如圖2所示：

圖2 紅外成像技術過程Fig. 2 Infrared imaging technology process

常見的電纜故障分為：開路故障、低阻故障以及高阻故障三種類型，其中開路故障通常是指電纜間或電纜對地的電阻值在規(guī)定值范圍內，但實際工作電壓無法向終端傳輸或電壓傳輸沒有負載能力，這些都屬于開路故障，同時也是最為常見的一種故障類型。當電纜與電纜間的絕緣有損壞現(xiàn)象或電纜對地的絕緣有損壞現(xiàn)象時，電纜絕緣電阻必然會減小，在電纜絕緣電阻小于電纜特性阻抗時，稱之為低阻故障。當電纜間或電纜對地的絕緣電阻小于正常值，但比電纜特性阻抗大時，稱之為高阻故障。由此可見，配網(wǎng)電纜故障主要是根據(jù)故障電阻值的大小來確定，而故障電阻值又直接影響著發(fā)熱功率，進而影響著紅外輻射探測儀器的探測精度。當配網(wǎng)電纜發(fā)生故障時，紅外輻射探測技術能夠輕松探測到故障部位出現(xiàn)的熱點和冷點，即刻排除故障，并存儲圖像和數(shù)據(jù)，生成故障報告并提交給用戶。

2.2 故障定位技術

配網(wǎng)電纜故障探測診斷過程，需要經(jīng)過故障類型的診斷、故障點測距、精確定點三個主要步驟。故障類型診斷主要是確定電纜故障點的故障相別，屬于高阻接地或者低阻接地，以便于檢修人員選擇適當?shù)臋z測方法。故障點測距也叫預定位，故障電纜芯線上施加測試信號或者在線測量、分析故障信息，初步確定故障的距離，盡量縮小故障范圍，以方便精確定點的進行[8]。配網(wǎng)電力電纜故障定位儀器主要采用低壓脈沖、沖擊高壓電流以及多次脈沖的測試方法，具有接收靈敏度高、靜態(tài)漂移小、抗干擾能力強、準確度高、工作穩(wěn)定、交直流兩用等特點。本文設計的電纜故障定位儀器主要由：主機、發(fā)射機、接收機、感應式探頭、電位差式探測架等組成。其中，主機具有液晶數(shù)字顯示屏以及觸摸控制功能，具體工作參數(shù)如表1所示：

表1 電纜故障定位儀器工作參數(shù)Tab 1 Cable fault location instrument working parameters

主屏顯示器具有觸摸控制功能，全電腦操作平臺集成化軟件，徹底實現(xiàn)了智能化控制。電纜故障定位儀器采用最新的USB通信接口，采集信號穩(wěn)定，主機可自動選擇最低6MHz、最高達48MHz四種采樣頻率，能滿足電壓等級下的配網(wǎng)電力電纜故障探測要求，并且具有較高的探測精度。同時，該電纜故障定位儀的軟件可以進行故障自動搜索，方便管理人員進行遠程控制，雙游標移動可精確到0.15m，波形可任意壓縮、擴展重疊，同屏隨機顯示多個更接近標準波形的低壓脈沖波形供您選擇疊加位，最大限度的提升故障探測精度，減少誤差。此外，電纜故障定位儀器還具有聲磁同步凈噪精確定點功能，直接采用數(shù)字顯示故障點距離，具有故障點定位準確、時效性好等優(yōu)點。該設備具有高端采樣器，取代了繁瑣的現(xiàn)場接線步驟，先進的主機脈沖電源電路，使得波形更加直觀和分析判斷。該電纜故障定位儀還可測試各種不同電壓等級、不同截面、不同介質及各種材質的電纜故障，包括：開路、短路、低阻、高阻泄漏、高阻閃絡性故障，從而滿足不同電纜運行環(huán)境的定位監(jiān)測，提高電纜故障檢測的適用性和可靠性[9]。

3 結論

綜上所述，在智能化電網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下，智能電纜故障測試儀是迎合工業(yè)級電力行業(yè)方案以及互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的需要，突破傳統(tǒng)電纜故障測試方法的局限性，采用工控嵌入式計算機平臺、網(wǎng)絡通信、USB傳輸技術等進行整合，極大提高了儀器的使用功能和利用價值。特別是在城市化快速擴展的過程中，對于日益增多的地埋電纜故障，提供了一套多方案電纜故障檢修服務方式，從而有效提升電力電纜運行的可靠性及穩(wěn)定性，增加電力企業(yè)管理的經(jīng)濟效益。