浅析工矿企业中电缆在线监测及故障预警的应用张文志

浅析工矿企业中电缆在线监测及故障预警的应用张文志

张文志

(福建三安钢铁有限公司362411)

摘要：随着工业化和城市化的不断推进，电力需求不断增加，电缆凭借其诸多优势，得到广泛的应用，逐渐成为工矿企业和城市电力传输的主要手段，是电力系统的重要组成部分，但是目前的电缆在线监测技术不够成熟。基于此，本文从电缆的劣化机理出发，简述电缆在线监测技术，结合实际案例重点介绍BHDJ-2000电缆在线监测及故障预警测距系统的重要组成部分和实现过程，实现电缆在线监测、选线、故障预警和测距等功能，以供相关从业人员学习。

关键词：电缆，在线监测，电缆故障

1前言

电力供应作为工矿企业和城市建设的重要组成部分，电缆是电能输送的重要设备，通过电缆桥架或电缆沟铺设。由于电缆的特殊结构，在一个局部范围内，电缆条数较多，相对集中，甚至堆叠，当某一条电缆出现短路故障，短路点的电弧将烧坏其周围的电缆或设备，甚至引发火灾事故。相对于桥架上铺设的电缆和架空线路，沟道内的电缆在地面以下的半封闭空间里，所处的环境更加恶劣；当发生电缆故障时，不容易被运维人员发现和查找，延误了事故处理，可能造成重大的经济损失。

因此，引入电缆在线监测技术，运用电缆在线监测系统及其相关设备，通过采集的数据分析和运算，判断出各条电缆的绝缘状态，并在电缆在线监测系统界面进行显示，实现电缆在线监测、选线、故障预警和测距等功能，供运维人员采取相应的处理措施，保护电缆的安全运行，保障电力系统的稳定运行。

2电缆劣化机理

—热劣化：当电缆的运行温度超过材料运行温度的时候，材料发生氧化分解等化学反应，从而使电缆的绝缘性能和耐压性能下降；

—电气劣化：绝缘内部气隙、绝缘和屏蔽层之间的间隙部位的电晕放电、屏蔽层上的尖状突起等引发的局部放电，并产生电树枝，引起耐电性能下降；

—水树枝劣化：有机材料在长时间受水浸渍将吸潮，在强电场作用下水分将呈树枝状侵蚀电缆，生成水树枝；

—化学性劣化：有机材料溶胀、溶解、龟裂、化学树枝状劣化，

3电缆绝缘检测技术

电缆的任何一种劣化或故障，都可能出现绝缘电阻的降低、泄漏电流的增大和介质损耗tgδ变大等现象，使得在正常工作电压作用下交流损失电流变大，流过电缆绝缘层的电流中所含的直流分量增大，因此可以测定电缆的劣化信号，判断电缆绝缘是否能继续运行。

3.1离线检测技术

a.介质损耗因素试验。依据传统西林电桥的原理，测量介质损耗因数正切值tgδ，用来判断电缆的绝缘状况；这种方法很传统且十分有效，由于电缆的水树枝或电树枝的分散性较大，会引起介质损耗因数δ变化，影响测量准确度。

b.局部放电试验。在高压电场作用下，电缆绝缘内部存在的弱点或生产过程中产生的缺陷，会发生重复击穿和熄灭现象；局部放电能量很小，对绝缘系统寿命的评估分散性很大，可以确定电缆是否存在放电及放电是否超标,发现其它绝缘试验不能检查出来的绝缘局部隐形缺陷及故障；但是现场试验的时候，电磁干扰会比较大，局部放电信号和干扰信号不容易分辨。

c.直流耐压试验。试验设备轻便，对电缆绝缘损伤小，试验电压较高，对发现绝缘某些局部缺陷具有特殊的作用，可与泄漏电流试验同时进行，但不适用于高压橡塑电缆。

d.交流耐压试验。是鉴定电缆绝缘强度最直接的方法，更贴近实际运行情况，能够有效地发现比较危险的集中性缺陷，但对绝缘的考验非常严格，可能使绝缘中的一些弱点更加发展，因此在试验前必须对电缆先进行绝缘电阻、吸收比、泄漏电流和介质损耗等项目的试验，若试验结果合格方能进行交流耐压试验。

3.2在线检测技术

离线检测方法其最大的不足是不能实时在线监测，无法使检测过程自动化和智能化。

a.tanδ法，从电压互感器取得电压，用电流互感器取得流经电缆绝缘的工频电流，通过装置测出tanδ，此信息反映出电缆绝缘的平均水平。

b.直流分量法。在交流电压作用下，电缆水树枝放电，在电流中含有直流分量，水树枝的长度和直流分量电流存在很好的相关性，从而判断电缆绝缘性能，但因直流分量极小，一般是nA级电流，易受外界杂散电流的影响，影响测量准确性。

c.低频叠加法。将7.5Hz，20V的电压在线施加于电缆，在接地线中检测微电流，所监测的交流损失电流在原理上随劣化的发展而变大，在使用时须注意电缆端部的工作状态，例如电缆端部装有应力环时，即使电缆绝缘完好，损失电流业较大，若只依据监测得到的交流损失电流，容易得到“绝缘不良”的错误结果。

d.交流电压叠加法。在电缆的屏蔽层叠加整数倍工频+约1Hz的交流电压，一般取101Hz，被检测的劣化信号最大。判断电缆的劣程度的判据是1Hz的劣化信号强度。这种方法的检测精度高，测定简单方便，抗干扰能力强，受铠装绝缘电阻及端部污损等因素影响小，一套检测设备可以同时监测若干条电缆。

4案例分析

福建三安钢铁有限公司110kV三安变电所，3条110kV进线，4台SFSZ10-50000/110变压器，35kV有4条馈线，10kV有20条馈出线，所有馈线几乎都采用电缆，通过电缆桥架和电缆沟铺设，连接到下一级开关室；下一级开关室接有汽轮发电机组、TRT发电机组和水利发电机组等分布式电源，以及鼓风机电机、空压机电机和轧机电机等大功率负荷，潮流分布比较复杂，谐波成分比较多。

2014年10月，针对两个10kV开关室的15条大负荷重要馈出线（共计45条电缆），福建三安钢铁有限公司安装了淄博博鸿电气有限公司的BHDJ-2000分布式电缆在线监测及故障预警系统，系统主站设在主控室，系统辅站设在远离主控室侧的开关室内，两站之间通过光纤进行通讯。在主站端安装4个分布式采集终端，在辅站端安装11个分布式采集终端。监控系统示意图如图1

图1电缆在线监测及故障预警系统示意图

从母线电压互感器取得零序电压，接入3U0采集终端。高频电流传感器与电缆的屏蔽层接地线平行、紧靠、绑在一起，采集高频电流信号；工频电流传感器卡在电缆的屏蔽层接地线上，采集工频电流信号；高频电流和工频电流信号传入分布式采集终端。监控系统现场如图2所示

图2监控系统现场

主站系统采用基于Windows操作系统的运行环境，内置监测电缆的名称、波速度、电缆长度、历史数据等信息。系统采用局域网方式与各分布式终端通信，可以远程读取各分布式终端记录到的零序电压、高频电流和工频电流等信号的波形数据，并自动预报电缆故障；系统也可以作为管理员系统，在现场分析故障预警及测距信息。系统监视主界面如图3

图3系统监视主界面

故障预警机制与状态管理包括暂态过程的全纪录（暂态信号采集和特征判断），算法和智能判据，预警机理、预警处理和报送（基于数据和数学模型的预测），对电缆进行实时监测，判定绝缘状态变化趋势，进行故障预警与判断，利用行波故障测距技术实现故障测距。2015年1月10号8点44分20秒，系统主界面“炼钢变一”爆出红色的报警条，并发出报警铃声，系统界面故障测距1140米，经现场核实，由于现场作业，损伤了电缆外皮，引起单相接地故障，现场测量距离1142米，预警选线测距成功，如图4所示。

图4零序电压信号及高频电流波形

5结语

电缆因其特殊的优势而被广泛应用于配电网，其所处的环境恶劣，长时间运行将会出现绝缘下降、劣化和故障等非正常状态。电缆停运时，通过测量绝缘电阻与吸收比、测定tanδ、耐压试验等预防性试验，记录电缆的绝缘状态变化趋势；电缆运行时，借助电缆在线监测及故障预警测距系统如BHDJ-2000型监测系统，采集零序电压、工频电流和高频电流等波形进行判断和评估，判定电缆的绝缘状态变化趋势，实现预警、选线和测距的功能。离线和在线监测需双管齐下，一方面累积运行维护人员的试验经验，另一方面用状态检修代替计划检修，提供绝缘状态判断的准确性。

参考文献:

[1]变电站电力设备在线监测技术简析[J].潘柏崇.科技视界.2014(30)

[2]矿用高压电缆绝缘在线监测方法[J].张潇,王彦文.工矿自动化.2017(04)