高压电缆线路在线监测与故障定位解决方案

高压电缆在城市电网中的应用越来越多,其敷设路径分布广,运行条件复杂。由于输电电缆线路电压等级高,在运行中击穿造成破坏性大,极易造成重特大事故。如何对电缆故障做到“早发现、早排查、早解决”,成为降低电缆故障总量、提升精益运维能力的关键。

山东科汇电力自动化股份有限公司依托多年来在电力线路故障监测方面的技术研究及应用经验,结合电力部门精益运维的实际需求,制定了电力电缆线路在线监测与故障定位的针对性解决方案,研制出了DJ-1000高压电缆线路在线监测与故障定位系统,适用于10kV及以上电压等级的电缆线路,包括高压电缆线路、电缆—架空混合线路及海缆线路等。系统基于电缆线路潜伏性故障及绝缘击穿故障产生的暂态信号进行捕捉、采集和分析,结合工频录波数据,实现对高压电缆线路故障在线监测和分段、定位,为高压电缆线路精益运维及电缆线路全寿命周期管理提供可靠、精准的技术支撑。

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一、系统构成

DJ-1000高压电缆线路在线监测与故障定位系统由监测终端、通信链路、系统后台和多客户端人机界面组成。监测终端以无线或有线的方式将监测数据发送回系统后台;后台软件以事件为引,以时间归集,自主关联分析数据,异常事件以短信、WEB等多种方式发布。

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二、技术特点

q 非接触式行波浪涌传感器耦合电压、电流行波信号,安全、可靠。

q 双端行波法测距原理实现电缆故障在线定位。

q 与电缆相连架空线路故障单端定位。

q 混合及T型线路故障区段判定。

q 护层绝缘状态分析诊断。

q 为电缆线路全寿命周期管理提供历史数据、运行数据及故障数据。

三、功能及应用

DJ-1000高压电缆线路在线监测与故障定位系统实时在线采集电缆运行工频电流、护层接地电流,以数值或者电流曲线的方式进行展示;电缆发生故障时,对故障产生的暂态信号的捕捉、采集和分析,根据双端行波法测距原理实现电缆故障的测距,同时根据电缆线路的运行特点,辅以工频录波进行故障性质诊断,从而形成对线路运行状态的有效监测和故障的分段定位。

(1)故障精确定位

根据双端行波法测距原理,监测装置安装在所监测线路的两端。线路故障时,监测装置采集暂态数据,后台软件依据暂态数据自动计算得出故障测距结果。在自动测距结果的基础上,用户可根据暂态波形,手动校正故障距离,进一步提高测距精度。

自动测距方法也适用于T型电缆线路和架空电缆混合线路。

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(2)故障区间判别

后台软件根据故障线路工频录波数据,在时间同步的基础上,快速判断架空电缆混合线路和电缆T型线路故障所属区间,为运维管理部门落实抢修任务提供依据,避免多班组共同巡线,提升运维效益。

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(3)工频电流监测

实时监测电缆线路运行电流,以数值和电流曲线的方式进行展示。当线路发生异常变化时,系统能够自动录波,实现故障性质分析诊断。

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(4)接地环流监测

实时监测电缆金属护层接地电流,以数值或电流曲线的方式进行展示。当接地电流发生异常变化时,系统能够自动录波,计算接地电流与负荷电流比,对高压电缆金属护层接地故障提供实时告警。

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四、关键技术

基于行波原理的双端在线测距法,利用暂态行波浪涌到达测量端的绝对时间,确定故障位置。实现高压电缆线路故障在线精确测距的关键技术是高压电缆线路终端处暂态行波浪涌的提取方法、高精度卫星对时技术及暂态干扰信号的分析识别。

(1)暂态行波信号的提取

根据行波测距的原理,需要采集故障暂态电压信号或暂态电流信号,系统从运行安全以及装置安装维护方便的角度考虑,采用非接触式信号传感技术,根据监测线路的实际情况,选择获取电压信号或者电流信号或者电压电流冗余信号。电流信号采集采用罗氏线圈,电压信号采集采用非接触式电压传感器。

(2)高精度对时技术

双端行波实现测距误差控制在几米范围内的关键技术是双端设备对时误差精度的控制。监测终端通过对电力系统现有基于卫星导航系统的纳秒级授时技术在授时电路、被授时电路、晶振性能以及输出信号波形和传输路径等方面的优化处理,实现了20ns级授时精度。

(3)暂态信号的干扰及识别

识别操作、雷电等干扰信号是实现测距的前提。系统通过非接触式传感器提取故障产生的暂态行波信号,根据故障时频与雷电、操作及区外故障时频特性区别及三相暂态信号极性,实现对故障信号的准确识别;同时,结合故障线路工频信号,可以区分各类干扰。

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五、应用案例

DJ-1000高压电缆线路在线监测与故障定位系统已经在广州、肇庆、东莞、佛山、云浮、河源、上海等地以及舟山500kV联网海底电缆交接试验投入运行,达到了预期目标。

(1)人工试验

在ZQ供电公司XX变电站一退运110kV电缆线路进行单相接地试验。该电缆线路由四段组成:Ⅰ段电缆线路包含2段完整交叉互联段电缆,一端为GIS端,一端为户外终端,长度为3272米;Ⅱ段电缆线路户外终端3为直接接地,户外终端5为保护接地,长度为107米;Ⅲ段电缆线路户外终端2为直接接地,户外终端4为保护接地,长度为215米;Ⅳ段架空线路长度约为233米。

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在Ⅰ段电缆线路户外终端1处、GIS端分别安装DJ-100高压电缆线路在线监测与故障定位装置。

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试验一:在I段电缆线路设置故障点F1,距甲变电站1020米左右。

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分别进行了三次试验,双端测距波形如下所示。左侧波形为乙变电站侧波形,接头类型为GIS终端头;右侧波形为甲变电站侧波形,接头类型为户外终端头。

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三次试验结果稳定,定位距离基本一致, 结果最大相差为2.14米。

试验次数距离甲变电站(m)距离乙变电站(m)
11018.952263.05
21018.922263.08
31016.812265.19

试验二:户外终端1和户外终端4的电缆铠装不连接,在户外终端4处F2点使用球间隙模拟故障放电。

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分别进行了三次试验,双端测距波形如下所示。左侧波形为乙变电站侧波形,右侧波形为甲变电站侧波形。

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三次试验结果稳定,定位距离基本一致, 结果最大相差为2.16米。

试验次数距离甲变电站(m)距离乙变电站(m)
119.223252.78
217.073254.93
319.233252.77

(2)电网扰动行波数据分析

GD供电公司XX变电站ZM电缆架空混合线路包含二段电缆线路和一段架空线路,其中Ⅰ段电缆长2489米,Ⅱ段电缆长2034米,电缆铠装采用交叉互联方式接地方式;架空线长度不详。系统共安装3套DJ-100高压电缆在线监测及故障定位装置,分别位于1#户外终端、2#户外终端、4#户外终端;1#DJ-100装置和2#DJ-100装置监测Ⅰ段电缆;2#DJ-100装置和3#DJ-100装置监测Ⅱ段电缆。

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2020年12月21日凌晨,DJ-1000高压电缆在线监测及故障定位系统在运行过程中出现故障报警信息。系统均给出了Ⅰ段电缆和Ⅱ段电缆的双段测距结果,同时记录了故障时刻的工频电流波形。

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通过对DJ-100装置的工频电流波形分析,可知线路A、B两相间发生异常。

Ⅰ段电缆线路的双端测距结果距离1#户外终端2485.11m、距离2#户外终端3.89m。

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Ⅱ段电缆线路的双端测距结果距离2#户外终端4.29m、距离4#户外终端2029.71m。

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从Ⅰ段电缆线路双端测距行波数据分析,双端测距结果为距离1#户外终端2485.11米,与I段电缆全长2489米接近,相差3.89米;从Ⅱ段电缆线路双端测距行波数据分析,双端测距结果为距离2#户外终端4.29米,与Ⅱ段电缆全长2034米接近,相差4.29米。

双端测距距离1#户外终端(m)距离2#户外终端(m)距离4#户外终端(m)
Ⅰ段电缆2485.113.89——
Ⅱ段电缆——4.292029.71

结合工频数据波形,综合以上分析结果及波形极性,可知线路扰动发生在架空线路段,电缆线路区外;此外,利用电网扰动,DJ-1000高压电缆在线监测与定位系统还能够测量线路全长,从而校正了线路长度数据不完整的现象。


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