架空线与电缆混接时在线监测方法及故障定位系统

架空线与电缆混接时在线监测方法及故障定位系统

张学峰王海龙

华能铜川照金煤电有限公司，陕西 铜川 727100

【摘要】新能源场站集电线路因地形及施工环境限制，一般为长距离架空线与地埋电缆混接、T接等复杂结构，受大风、暴雪等自然因素及线路施工等人为因素影响，易发生短路故障，人工巡线等故障查找效率低，恢复供电时间长，停电期间弃风、光弃电量导致经济损失较大。传统离线诊断仅适用单点故障且易造成电缆绝缘损伤。本文结合现场实际，提出架空线与电缆混接时在线监测方法及故障定位系统，分段配置的分布式监控终端，分段配置的分布式在线监测终端，通过实时采集电缆护层接地环流、高频放电信号及行波、工频信号，结合高清红外热成像视频监控数据及故障图谱进行深度分析，实现故障前的预警和杆塔级、接头级的精准定位，判断隐患发展程度，及时进行预警干预，助力智慧场站的建设。

【关键词】架空线与电缆混接；故障定位；在线监测

一、概述

   新能源场站输变电设备的故障主要集中在架空线路、电力电缆、箱变等，架空线路的故障原因主要有雷击、风摆、覆冰、异物搭接及引流线断股、断线、避雷器击穿等，电力电缆的故障原因主要有电缆终端、中间接头制作工艺不规范、绝缘老虎、受潮、外力等，箱变的故障原因主要有绝缘油老化、绕组变形等，而这些故障的发展过程通常会伴随着异常放电，包括火花放电、电晕放电等。传统的在线监测手段，如紫外、红外、无人机巡线、泄漏电流监测、图像视频在线监测技术等，在一定程度上能发现异常放电缺陷，但仅为单点排查，无法实时、广域的监测并预警且都有一定的限制条件，如无人机载荷有限，续航时间短，大雾大风天气条件恶劣下无法巡检，红外成像法一般探测的是7.5-13um的红外波段的光信号，反映的是由于电流分布不同造成的温度分布差异，紫外成像法探测的是0.24-0.28μm波段的紫外光信号，反映的是放电现象，很多缺陷虽然可导致局部场强的增加，但其电场强度往往还不足以形成放电。鉴于目前的技术限制，本文所述系统采用在高压开关柜、电流互感器、架空线路杆塔、地埋电缆、箱变等全线路关键监控部位配置高频电流互感器（HFCT）、暂态地电压传感器（TEV）和声学传感器（AE）等传感器，分段配置分布式在线监测终端，通过实时采集电气设备局部放电的行波信号、工频信号，结合高清红外热成像视频监控数据及故障图谱进行深度分析，判断隐患发展程度，及时进行预警干预，实现广域的实时监测。

二、在线监测方法及系统

以某风电场为例，如图1所示，35kV集电线路以4回（架空线路+电缆）送出，其中第一回路集电线路为 15#、16#、17#、18#、19#、20#、21#风机串接， 第二回路为01#、02#、03#、04#、22#、05#、14#风机串接，第三回路为10#、11#、12#、13#风机串接，第四回路为06#、07#、08#、09#风机串接，集电线路路径总长度为27.8km，其中：架空段路径长度为19.1km（单回架空路径长度为12.8km，双回架空路径 长度为6.3km），电缆段路径长度为8.7km（单回电缆路径长度为7.2km，双回电缆路径长度为1.5km）。

为实现全线在线监测和故障定位，需在各集电线路杆塔上各配置一套分布式集电线路故障预警诊断装置及电缆护层环流监测及（三组为一套， A、B、C三相每相安装一组），每回集电线路首、末端各配置一套，中间线路每跨越3段地埋电缆增配1套，共需14套。其中1回集电线路5套，2回集电线路4套，3回集电线路2套，4回集电线路3套，并在箱变高压室安装超声波（AE）、暂态地电压（TEV）、声学（AE）、高频电流互感器（HFCT）等传感器，传感器采用一体开口式柔性设计，安装在电缆本体上不会造成任何物理性伤害。分布式集电线路故障预警诊断装置之间通过无线网桥进行数据交互，采用高精度行波在线测量技术，测量故障或异常放电时的行波信号和工频信号，测算同一行波经过相邻两个分布式监测终端的时间，计算出故障点的精确位置，并在高压开关柜、架空线路、地埋电缆、箱变高低压侧等全线，布置局部放电相关传感器及视频监测系统，利用高清红外摄像机对输电铁塔及周围环境实时情况进行监控，利用无线网桥技术收回传数据，对线路覆冰、绝缘子污闪、雷击、山火以及不法分子偷盗高压铁塔器材进行预警监控，并采用红外热像仪扫描电力电缆表面，拍摄表面温度场的分布图像，进一步处理得到温度场的数值分布，然后可根据传热数学模型、电缆结构参数、物性参数、环境温度和表面温度对电力电缆芯线的温度进行反演计算，从而可以实现电力电缆芯线温度的非接触故障探测。

图1某风电场35kV集电线路布置图（架空线路+电缆）

三、监控后台及数据分析

   在集控中心设置数据采集分析系统及视频监控系统，可实现设备监控预警、故障图谱分析、故障定位信息推送等功能，视频监控系统可实现主动巡查：巡查人员可在线查看各个铁塔实时状况；被动通知：铁塔异常实时预警；大幅减少巡查人员，现场查看工作量，无需到达现场，大幅提升巡查效率。

四、现场安装示例

1、风机箱变电缆终端头

图2 风机箱变结构图

在箱变内，分布式集电线路故障预警诊断装置安装于室内墙体上，膨胀螺丝固定。多合一传感器穿管走线后，安装于电缆三分叉上，不影响设备正常运行。 设备使用太阳能供电，天线穿过电缆井排气孔固定在外部。

2、电缆分接箱电缆终端头

分布式集电线路故障预警诊断装置安装于电缆井靠上部的墙体上，膨胀螺丝固定， 多合一传感器安装于电缆三分岔的单芯电缆上， 设备使用太阳能供电，天线穿过电缆井排气孔固定在外部。

3、杆塔电缆终端

图3 杆塔电缆终端

针对电缆转架空接头处， 分布式集电线路故障预警诊断装置采用太阳能供电， 一体式安装于杆塔上， 设备引出传感器安装在电缆三分岔位置。

4、传感器现场实例

图4：暂态地电压传感器（TEV）、高频电流互感器（HFCT）传感器现场安装图

四、故障定位系统原理

1、电缆故障定位

采用高精度行波在线测量技术，测算同一行波经过相邻两个分布式监测终端的时间，计算出故障点的精确位置，快速准确的定位出故障位置，定位精度0.2%L+5米。

故障点定位:L1={L+(T1-T2)*V}/2 ，  L2={L+(T2-T1)*V}/2

图5：行波传输特性及定位原理示意图

          图6-1：首段行波波形              图6-2：末端行波波形

2、异常状态判定

      后台软件系统对监测数据进行实时计算和分析，并与当前设定标准进行对比，通过“横向分析”和“纵向分析”，形成报告。对放电结果进行定位，形成杆塔放电次数分布，按放电频度、放电量发展趋势及诊断结果可信度大小，首先挑选出风险杆塔，以风险杆塔作为重点监测对象，对其历史放电数据与实时数据进行统计并分析发展趋势。

3、故障原因辨识

   雷击故障行波半峰值时间一般在20μs以内。而对于树障、山火等其他接地故障，实测行波半峰值时间一般大于20μs。雷击故障分为反击与绕击两种。反击故障时，故障相行波电流波形包含闪络时刻前感应出的反极性脉冲，而绕击故障时，故障相行波电流不会出现反极性脉冲。

       山火                树枝                风偏

  图7 典型故障图谱

4、电缆运行状态监测

   实时采集电缆运行的负荷电流、护层接地环流和高频放电信号，实现对电缆的运行状态监测，当电缆运行状态出现异常，及时预警避免隐患的进一步恶化，避免事故的发生。

5、电缆局放监测

采用宽频带检测技术，应用双传感器定向耦合脉冲信号并利用宽频差动电流 脉冲极性鉴别法进行在线的干扰抑制，以剔除最难消除的随机脉冲型干扰；设置阀值电压、数字滤波、小波分析等其他综合抗干扰措施，提取有效的内部局放信号，并进行至少1Min的高频录波，用于分析诊断。

6、电缆护层环流监测

电缆护层环流监测安装于高压电缆护层直接接地箱、交叉互联接地箱处，主要由前端数据采集单元、电流传感器、温度传感器、取电CT和通信模块。通过实时采集护层接地电流、线路负荷电流以及接头温度。通过无线方式，将采集数据上传至后台服务器， 后台软件通过对采集数据的分析， 实现对电缆运行状态进行监测和评估。

图8电缆护层环流监测系统示意图

五、参考文献

[1] 苏珊珊. 电缆-架空线混合配电线路短路故障定位研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2018.

[2] 宋勤, 王媛媛. 考虑金属护套和铠装结构的电缆故障测距方法[J]. 电气技术, 2020, 21(10): 71-76.

作者简介：        

1.张学峰（1982- ），男 ，河南鹤壁，本科，华能铜川照金煤电有限公司。

2.王海龙（1978- ），男 ，陕西咸阳，本科，华能铜川照金煤电有限公司；