基于行波的電纜在線監測技術研究

摘要：文章基于電纜的水樹枝發生機理，研究利用捕捉暫態信號對電纜故障進行分析判斷，并利用行波探測和測距技術對電纜故障點進行測距，實現對電纜故障進行實時在線監測，提前發現、提前預警，保障供電網的安全運行。
關鍵詞：行波；電纜；在線監測

0 引言
煤礦3～35kV供電網多采用中性點不接地或經消弧線圈接地(諧振接地)運行方式，一般稱為小電流接地方式。長期以來，小電流接地電網中的電纜單相接地故障都缺少可靠的故障判別方法。小電流系統中電纜接地故障的檢測之所以困難，其主要原因在于故障電流小及接地點電弧不穩定。特別在經消弧線圈接地的系統中，流過電纜故障線路的穩態電流十分微弱，甚至比健全線路感受到的電流變化還小。而故障點的不穩定電弧，將使故障電壓電流信號嚴重畸變。由于已開發出的在線檢測方法主要是利用各種穩態信號，受此影響，實際使用效果均不理想。因此，有必要研究利用暫態信號對電纜故障進行分析判斷的電纜在線監測系統，提前發現、提前預警，實現真正的安全預判。

1 基本原理
煤礦3～35kV供電網所用電纜均為交聯聚乙烯(XLPE)電纜，對于XLPE電纜，水樹枝老化是造成電纜在運行中被擊穿的主要原因。在電纜絕緣中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔處的電場畸變，會導致在運行電壓下引發水樹枝，水樹枝的生長相對較慢，但伴隨水樹枝生長，水樹枝尖端的電場將愈加集中，局部高電場強度最終會導致水樹枝尖端產生電樹枝，造成運行電纜的瞬間燃弧，電纜絕緣下降，隨著水樹枝不斷的生長積累，最終造成電纜絕緣損毀。
由水樹枝造成的瞬時性燃弧具有可恢復性的特點，我們稱它為“可恢復故障”。隨著這種故障的次數積累，達到一定程度后，電弧連續且不可恢復，在運行系統即表現為接地故障，電纜損毀需要維修。瞬時性可恢復故障的持續時間一般在3～5ms(四分之一周波內)。對于持續時間很短的瞬時性可恢復故障來說，常規的電網絕緣監測裝置(包括小電流接地故障檢測裝置)一般來不及動作、給出報警信息。
由此，我們研究能夠捕捉、記錄到瞬時性可恢復接地故障的超高速數據采集技術，以及能有效判斷其特征的數字辨識方法，同時研究此類故障最終造成電纜損毀的有效次數積累，通過仿真和模擬實驗，確立電纜故障預警判據，為現場運行提供有效依據。
對于通過超高速數據采集系統得到的瞬時性可恢復接地故障數據，由于其暫態過程特性，其中也包含有瞬時性可恢復接地故障的行波過程信息，利用該行波信息，可進一步測算故障距離。
XLPE電力電纜故障在線預警系統基本原理如圖1所示，利用高頻電流傳感器從電纜一端接地電流處提取“可恢復故障”的高頻信號，高速信號采集單元捕捉、記錄“瞬時性可恢復接地故障”信息，可實時在線檢測和記錄一條或多條被測XLPE電力電纜，當被測電纜發生“可恢復故障”時，將會產生金屬屏蔽層或鋼鎧等接地導體的瞬時電磁暫態信號，利用特定判據或人工分析方法即可對被測電力電纜進行故障預警，并能指示故障點距離。

在正常運行過程中，高速數據采集與處理單元內部硬件邏輯回路對各通道信號按設定的采樣順序和采樣頻率自動進行高速采樣和A／D轉換，且將A／D轉換結果自動高速寫入循環SRAM中。