基于行波的電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

摘要：文章基于電纜的水樹枝發(fā)生機(jī)理，研究利用捕捉暫態(tài)信號(hào)對(duì)電纜故障進(jìn)行分析判斷，并利用行波探測(cè)和測(cè)距技術(shù)對(duì)電纜故障點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜故障進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警，保障供電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：行波；電纜；在線監(jiān)測(cè)

0 引言
煤礦3～35kV供電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地(諧振接地)運(yùn)行方式，一般稱為小電流接地方式。長(zhǎng)期以來，小電流接地電網(wǎng)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(tǒng)中電纜接地故障的檢測(cè)之所以困難，其主要原因在于故障電流小及接地點(diǎn)電弧不穩(wěn)定。特別在經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，流過電纜故障線路的穩(wěn)態(tài)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(diǎn)的不穩(wěn)定電弧，將使故障電壓電流信號(hào)嚴(yán)重畸變。由于已開發(fā)出的在線檢測(cè)方法主要是利用各種穩(wěn)態(tài)信號(hào)，受此影響，實(shí)際使用效果均不理想。因此，有必要研究利用暫態(tài)信號(hào)對(duì)電纜故障進(jìn)行分析判斷的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警，實(shí)現(xiàn)真正的安全預(yù)判。

1 基本原理
煤礦3～35kV供電網(wǎng)所用電纜均為交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜，對(duì)于XLPE電纜，水樹枝老化是造成電纜在運(yùn)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(chǎng)畸變，會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)行電壓下引發(fā)水樹枝，水樹枝的生長(zhǎng)相對(duì)較慢，但伴隨水樹枝生長(zhǎng)，水樹枝尖端的電場(chǎng)將愈加集中，局部高電場(chǎng)強(qiáng)度最終會(huì)導(dǎo)致水樹枝尖端產(chǎn)生電樹枝，造成運(yùn)行電纜的瞬間燃弧，電纜絕緣下降，隨著水樹枝不斷的生長(zhǎng)積累，最終造成電纜絕緣損毀。
由水樹枝造成的瞬時(shí)性燃弧具有可恢復(fù)性的特點(diǎn)，我們稱它為“可恢復(fù)故障”。隨著這種故障的次數(shù)積累，達(dá)到一定程度后，電弧連續(xù)且不可恢復(fù)，在運(yùn)行系統(tǒng)即表現(xiàn)為接地故障，電纜損毀需要維修。瞬時(shí)性可恢復(fù)故障的持續(xù)時(shí)間一般在3～5ms(四分之一周波內(nèi))。對(duì)于持續(xù)時(shí)間很短的瞬時(shí)性可恢復(fù)故障來說，常規(guī)的電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置(包括小電流接地故障檢測(cè)裝置)一般來不及動(dòng)作、給出報(bào)警信息。
由此，我們研究能夠捕捉、記錄到瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障的超高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以及能有效判斷其特征的數(shù)字辨識(shí)方法，同時(shí)研究此類故障最終造成電纜損毀的有效次數(shù)積累，通過仿真和模擬實(shí)驗(yàn)，確立電纜故障預(yù)警判據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行提供有效依據(jù)。
對(duì)于通過超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障數(shù)據(jù)，由于其暫態(tài)過程特性，其中也包含有瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障的行波過程信息，利用該行波信息，可進(jìn)一步測(cè)算故障距離。
XLPE電力電纜故障在線預(yù)警系統(tǒng)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(fù)故障”的高頻信號(hào)，高速信號(hào)采集單元捕捉、記錄“瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障”信息，可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和記錄一條或多條被測(cè)XLPE電力電纜，當(dāng)被測(cè)電纜發(fā)生“可恢復(fù)故障”時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生金屬屏蔽層或鋼鎧等接地導(dǎo)體的瞬時(shí)電磁暫態(tài)信號(hào)，利用特定判據(jù)或人工分析方法即可對(duì)被測(cè)電力電纜進(jìn)行故障預(yù)警，并能指示故障點(diǎn)距離。

在正常運(yùn)行過程中，高速數(shù)據(jù)采集與處理單元內(nèi)部硬件邏輯回路對(duì)各通道信號(hào)按設(shè)定的采樣順序和采樣頻率自動(dòng)進(jìn)行高速采樣和A／D轉(zhuǎn)換，且將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)高速寫入循環(huán)SRAM中。