基于行波的電纜在線監(jiān)測技術(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)信號對電纜故障進(jìn)行分析判斷，并利用行波探測和測距技術(shù)對電纜故障點進(jìn)行測距，實現(xiàn)對電纜故障進(jìn)行實時在線監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警，保障供電網(wǎng)的安全運行。
關(guān)鍵詞：行波；電纜；在線監(jiān)測

0 引言
煤礦3～35kV供電網(wǎng)多采用中性點不接地或經(jīng)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(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(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。而故障點的不穩(wěn)定電弧，將使故障電壓電流信號嚴(yán)重畸變。由于已開發(fā)出的在線檢測方法主要是利用各種穩(wěn)態(tài)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(tài)信號對電纜故障進(jìn)行分析判斷的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警，實現(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(dǎo)致在運行電壓下引發(fā)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(qiáng)度最終會導(dǎo)致水樹枝尖端產(chǎn)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(fù)性的特點，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)，在運行系統(tǒng)即表現(xiàn)為接地故障，電纜損毀需要維修。瞬時性可恢復(fù)故障的持續(xù)時間一般在3～5ms(四分之一周波內(nèi))。對于持續(xù)時間很短的瞬時性可恢復(fù)故障來說，常規(guī)的電網(wǎng)絕緣監(jiān)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(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)字辨識方法，同時研究此類故障最終造成電纜損毀的有效次數(shù)積累，通過仿真和模擬實驗，確立電纜故障預(yù)警判據(jù)，為現(xiàn)場運行提供有效依據(jù)。
對于通過超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的瞬時性可恢復(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，高速信號采集單元捕捉、記錄“瞬時性可恢復(fù)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(dāng)被測電纜發(fā)生“可恢復(fù)故障”時，將會產(chǎn)生金屬屏蔽層或鋼鎧等接地導(dǎo)體的瞬時電磁暫態(tài)信號，利用特定判據(jù)或人工分析方法即可對被測電力電纜進(jìn)行故障預(yù)警，并能指示故障點距離。

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