楊金海,劉雪鋒,李雙喜,尹泓江,余 磊,林 營(yíng)
(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 玉溪供電局, 云南 玉溪 653100)
相對(duì)于架空線路,電力電纜具有占地面積小、可靠性高的優(yōu)勢(shì),在城市電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著電力電纜線路大量的鋪設(shè),實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,在外力破壞、過(guò)負(fù)荷等因素的共同作用下,電纜的缺陷及故障問(wèn)題[4-6]變得越來(lái)越突出。而電纜一般敷設(shè)在隧道或者井蓋里面,位置較隱蔽,為缺陷及故障的辨識(shí)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。目前電纜故障辨識(shí)的主流方法包括行波法、局部放電技術(shù)和溫度法。電纜發(fā)生故障時(shí),會(huì)有行波信號(hào)產(chǎn)生,因此行波電流可作為故障定位的方法[7-8]。行波法結(jié)合圖像處理的方法,對(duì)波形的時(shí)域或者頻域特征進(jìn)行辨識(shí)[9-10],但由于信號(hào)衰減、噪聲干擾等問(wèn)題會(huì)造成一定的誤差。電纜缺陷產(chǎn)生時(shí),往往會(huì)伴隨局部放電信號(hào)[11-12],局部放電的方法在電纜典型故障的類型識(shí)別中起到了較好的效果,但目標(biāo)對(duì)象主要為電纜附件,而電纜本體的故障識(shí)別效果容易受到強(qiáng)電磁環(huán)境的影響[13-14]。電纜發(fā)生故障時(shí),會(huì)出現(xiàn)局部溫度過(guò)高的現(xiàn)象,具體檢測(cè)方法一般為分布式光纖測(cè)溫技術(shù)與紅外熱成像技術(shù)[15-16],但成本較高。
近年來(lái),一種新型的檢測(cè)方法——阻抗譜法[17]得到了國(guó)內(nèi)外電力學(xué)者的重視。對(duì)于電纜的阻抗譜研究,日本學(xué)者提出了快速傅里葉反變換(IFFT)技術(shù)[18]。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)研究人員[19-20]基于積分變換技術(shù)開(kāi)展了電纜本體及中間接頭等缺陷的識(shí)別和定位研究,驗(yàn)證了阻抗譜技術(shù)用于電纜缺陷定位的有效性。電纜故障發(fā)生前,往往伴隨缺陷的產(chǎn)生。為深入研究電纜故障機(jī)理,本文基于輸入阻抗譜的方法,利用仿真建模和試驗(yàn)驗(yàn)證,提出電纜缺陷和故障類型的辨識(shí)方法,旨在解決目前主流方法無(wú)法聯(lián)合缺陷和故障進(jìn)行診斷和分析的瓶頸,為電纜故障預(yù)警提供技術(shù)支撐。
依據(jù)傳輸線理論,電力電纜可等效為單位長(zhǎng)度分布參數(shù)模型的組合,如圖1[21]所示。
圖1 傳輸線等效分布參數(shù)模型Fig. 1 Equivalent distribution parameter model of transmission line
將電纜首端的位置設(shè)置為原點(diǎn),則傳輸線x處的電壓、電流計(jì)算過(guò)程為:
(1)
其中:R0、L0、G0、C0分別為單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電導(dǎo)和電容,j表示虛數(shù),ω表示角頻率。
進(jìn)一步可得:
(2)
對(duì)式(2)求得通解為:
(3)
式(3)中e表示自然常數(shù)。
由式(3)可知,電力電纜中任意位置的電壓及電流均以波的形式傳播,本質(zhì)上由前向傳播的入射波U+和后向傳播的反射波U-兩部分組成。
當(dāng)故障點(diǎn)位于電纜首端時(shí),則無(wú)反射波,即U-=0;同理,當(dāng)故障點(diǎn)位于電纜末端時(shí),則無(wú)入射波,即U+=0。其中:傳輸線的傳播系數(shù)γ、傳輸線的特征阻抗Z0分別為:
(4)
故障電流一般為高頻分量,則有ωL0?R0、ωC0?G0,則有
(5)
坐標(biāo)x處的輸入阻抗為:
(6)
其中:ρL為電纜的反射系數(shù),計(jì)算過(guò)程為
(7)
其中:ZL為電纜終端負(fù)載的阻抗值,ρL表示負(fù)載反射系數(shù)。
電纜異常狀態(tài)包括開(kāi)路和短路狀態(tài),當(dāng)傳輸線為開(kāi)路故障時(shí),則ZL趨近于無(wú)窮大,反射系數(shù)為1;當(dāng)傳輸線為短路故障時(shí),則趨近于0,反射系數(shù)為-1。其他情況下,阻抗不匹配,發(fā)射系數(shù)介于-1到1之間。
當(dāng)故障點(diǎn)位置為la時(shí),則輸入阻抗為:
(8)
(9)
反射系數(shù)的計(jì)算公式為:
(10)
(11)
其中:‖為阻抗的并聯(lián)值,Rf為電纜故障點(diǎn)等效電阻。
當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí),由公式(9)知,電纜首端輸入阻抗也會(huì)發(fā)生變化。因此,可根據(jù)首端電纜輸入阻抗譜的特征差異,對(duì)故障類型進(jìn)行研判。
以某一同軸 10 kV 交聯(lián)聚乙烯電纜為研究對(duì)象,其長(zhǎng)度設(shè)置為50 m,通過(guò)pscad仿真平臺(tái),開(kāi)展不同缺陷和故障類型的輸入阻抗譜研究。
電纜本體容性缺陷主要是電纜老化引起的,因其會(huì)增大絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),仿真中設(shè)定電纜9.0~10.2 m發(fā)生局部老化,缺陷程度分為輕度老化和重度老化,即單位電容值分別增大到健康狀態(tài)的1.03倍和1.07倍,測(cè)試頻率為0~100 MHz,仿真計(jì)算得到的輸入阻抗譜見(jiàn)圖2。
圖2 容性缺陷仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 2 Capacitive defect simulation of input impedance spectroscopy for power cable
由圖2可知,從整體上看,容性缺陷下,電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢(shì),且與健康狀態(tài)下的振蕩周期相同;從細(xì)節(jié)上看,隨著電纜容性缺陷嚴(yán)重程度的增加,電纜輸入阻抗幅值會(huì)往左偏移,即諧振頻率點(diǎn)變小。
電纜本體感性缺陷主要是電纜屏蔽層破壞引起的,因?yàn)殡娎|為同軸結(jié)構(gòu),銅屏蔽層的破壞改變?cè)搮^(qū)域的物理結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致局部區(qū)域的單位電容值減小。仿真中設(shè)定電纜9.0~10.2 m處發(fā)生屏蔽層破損,嚴(yán)重程度分為輕微破損和重度破損,相對(duì)于健康狀態(tài),單位電容值分別減小了1%和5%,測(cè)試頻率為0~100 MHz,仿真計(jì)算得到的輸入阻抗譜見(jiàn)圖3。由圖3可知,從整體上看,感性缺陷下,電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢(shì),且與健康狀態(tài)下的振蕩周期一致;從細(xì)節(jié)上看,隨著電纜感性缺陷嚴(yán)重程度的增加,電纜輸入阻抗幅值會(huì)往右偏移,即諧振頻率點(diǎn)變大。
圖3 感性缺陷仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 3 Inductive defect simulation of input impedance spectroscopy for power cable
電纜開(kāi)路故障設(shè)定在電纜遠(yuǎn)端,反射系數(shù)為1,會(huì)引起阻抗不匹配。仿真中設(shè)定電纜40 m處存在電纜斷線,電纜末端為開(kāi)路狀態(tài),測(cè)試頻率為0~100 MHz,仿真計(jì)算得到的輸入阻抗譜見(jiàn)圖4。
圖4 開(kāi)路故障仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 4 Open-circuit fault simulation of input impedance spectroscopy for power cable
由圖4可知,從整體上看,電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢(shì),振蕩周期較健康狀態(tài)增大;從細(xì)節(jié)上看,對(duì)比健康狀態(tài),電纜輸入阻抗幅值諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏移,對(duì)應(yīng)幅值也會(huì)增加。
電纜發(fā)生開(kāi)路故障時(shí),故障點(diǎn)位置設(shè)定在電纜遠(yuǎn)端,反射系數(shù)為-1,會(huì)引起阻抗不匹配。仿真中,設(shè)定電纜40 m處存在短路情況,且電纜末端為開(kāi)路狀態(tài),測(cè)試頻率為0~100 MHz,仿真計(jì)算得到的輸入阻抗譜見(jiàn)圖5。由圖5可知,從整體上看,電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢(shì),振蕩周期較健康狀態(tài)增大;從細(xì)節(jié)上看,對(duì)比健康狀態(tài),電纜輸入阻抗幅值諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏移,對(duì)應(yīng)幅值也會(huì)增加,且幅值大于開(kāi)路故障。
圖5 短路故障仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 5 Short-circuit fault simulation of input impedance spectroscopy for power cable
為驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,取電纜戶外試驗(yàn)場(chǎng)廢棄的50 m三相電纜,制作電纜缺陷與故障標(biāo)本。利用寬頻阻抗譜儀對(duì)電纜標(biāo)本進(jìn)行電纜首端輸入阻抗譜測(cè)試,即將夾具兩端分別連接電纜首端的纜芯和屏蔽層,而電纜末端開(kāi)路。測(cè)量前,對(duì)電纜首端進(jìn)行預(yù)處理,使電纜纜芯及屏蔽層各伸出長(zhǎng)度約為1.5 cm,便于夾具的連接,阻抗譜測(cè)量范圍為100 kHz~100 MHz。
電纜局部老化試驗(yàn)中,參照相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)注,將1.2 m長(zhǎng)的電纜放入老化箱,進(jìn)行加熱老化,老化時(shí)間分別為5、7 d,通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖6。
圖6 老化試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 6 Aging test of input impedance spectroscopy for power cable
由圖6可知,老化試驗(yàn)會(huì)引起電纜輸入阻抗譜和諧振頻率點(diǎn)的改變。隨著老化天數(shù)的增加,輸入阻抗譜向左偏移越嚴(yán)重,諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏小,試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果一致。
屏蔽層損害試驗(yàn)中,通過(guò)人為控制局部缺損長(zhǎng)度,缺陷起始位置距電纜首端9 m處,缺損長(zhǎng)度分別為5 cm和8 cm,通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖7。由圖7可知,缺損試驗(yàn)也會(huì)引起電纜的輸入阻抗譜和諧振頻率點(diǎn)的改變。隨著缺損長(zhǎng)度的增加,輸入阻抗譜向右偏移越嚴(yán)重,諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏大,試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算一致。
開(kāi)路故障測(cè)試中,故障點(diǎn)位置設(shè)置于距首端40 m處,通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖8。由圖8可知,開(kāi)路故障會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗譜周期與諧振頻率點(diǎn)幅值的改變。諧振周期會(huì)增大,且諧振頻率點(diǎn)幅值也會(huì)增大,試驗(yàn)結(jié)果與仿真變化規(guī)律相符。
圖7 缺損試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 7 Shielding layer detect test of input impedance spectroscopy for power cable
圖8 開(kāi)路故障試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 8 Open-circuit fault test of input impedance spectroscopy for power cable
短路故障測(cè)試中,故障點(diǎn)位置設(shè)置于距首端40 m處,通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖9。由圖9可知,短路故障會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗譜周期與諧振頻率點(diǎn)幅值的改變。諧振周期會(huì)增大,且諧振頻率點(diǎn)幅值也會(huì)增大,試驗(yàn)結(jié)果與仿真變化規(guī)律相符。
圖9 短路故障試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 9 Short-circuit fault test of input impedance spectroscopy for power cable
為進(jìn)一步探索輸入阻抗譜方法的適用性,開(kāi)展中間接頭故障的研究。距電纜首端9 m處設(shè)置一個(gè)中間接頭,長(zhǎng)度約為0.2 m,通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量的輸入阻抗譜見(jiàn)圖10。
圖10 中間接頭試驗(yàn)中的電纜輸入阻抗譜Fig. 10 Intermediate joints test of input impedance spectroscopy for power cable
由圖10可知,電纜存在中間接頭故障時(shí),輸入阻抗譜整體呈現(xiàn)衰減趨勢(shì),但中間會(huì)有異常振蕩點(diǎn),幅值反而會(huì)增加。
電纜缺陷發(fā)生時(shí),輸入阻抗譜會(huì)產(chǎn)生偏移,而電纜故障發(fā)生時(shí),輸入阻抗譜振蕩周期會(huì)增大,因此,可根據(jù)輸入阻抗譜的特征變化制定相應(yīng)的運(yùn)維策略,若發(fā)生偏移,及早進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視,規(guī)避電纜形成實(shí)質(zhì)性故障,引起線路跳閘,最終造成電力事故。后續(xù)可進(jìn)一步開(kāi)展高阻、低阻等接地故障的研究,為電纜故障的機(jī)理研究提供技術(shù)支撐。