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解决方案：基于局部放电的新型电力电缆预警系统研究

单位：乌鲁木齐铁路局乌鲁木齐供电段作者：李新彪

　　1.引言

　　在铁路客专输配电网系统中，大量采用电缆作为传输线。一般认为电力电缆在正常环境中的寿命为20～30年。然而由于电力电缆的制造工艺、产品质量、安装运行环境，以及电缆敷设在电缆沟或直接埋于地下，敷设环境与使用状态会极大的影响电缆的寿命。长期同土壤、水分、潮气接触，绝缘易受到腐蚀渗透，再加上电缆制造或安装时的局部缺陷，都有可能使得电缆在运行中出现故障，甚至导致电缆本身或其附件的击穿，一旦出现电缆击穿事故，小则影响部分负荷，严重时影响列车正常运行。如果故障得不到及时排除，将会造成严重的经济损失和社会影响。无法准确、快速、经济地探测到电缆故障点的问题亟待解决。

　　兰新客专线2014年12月开通以来，盐湖至大河沿区间电力电缆发生生多起绝缘击穿故障，因电缆故障测试仪测距不够精准，效率较低，抢修时间较长，严重危及铁路运输安全。给我们供电部门带来安全隐患，干扰电力设备的正常运营工作。目前，局部放电检测公认为是一种最有效的绝缘诊断方法[1].聚乙烯绝缘电缆局部放电现象与其绝缘情况密切相关，是定量评估电缆绝缘情况的重要指标，如电缆绝缘介质的树枝化初期，局部放电量约0.1pC，树枝发展到介质击穿临界状态时，其局部放电量可达1000pC2[2]。为了保护电力电缆的安全运行，乌鲁木齐铁路局乌鲁木齐供电段在盐湖至大河沿安装新型电缆局部放电预警系统。

　　2.电缆局部放电预警系统设计方案

　　2.1国内研究现状分析

　　目前国内对电缆局部放电的检测技术还处于起步阶段。如GZPD-01HC型高压电缆局部放电在线监测系统，能实时显示各个接头及各段电缆局部放电幅值、频次、确定放电点相对位置，必要时给出报警，并能存储测试谱图、放电趋势；理想条件下其定位精度可达电缆长度1%或+/-3米，采样频率100Msps、精度12Bit以及50个工频周期的采样深度。但不足之处是局放信号采集精度不高并且只有1S的数据采集量，其数据精度低和可分析的数据量少的情况直接导致现场干扰条件下定位精度不高。此外，其缺乏局放信号和电缆负载电压的相位关系导致不能识别各种放电类型来却确定电缆故障。

　　为克服现有高压电缆局部放电在线监测系统上存在的不足，本文提出用高速采集卡模块和高频电流互感器（HFCT）完成信号采集，同步采集电缆负载信号波形和局放信号，提高了数据采集速度、精度。

　　2.2新型电力电缆局部放电预警装置

　　基本原理

　　电缆绝缘存在弱点或生产、运行过程中形成的缺陷，在高压电场作用下发生重复击穿和熄灭现象，从而在电缆绝缘层接地线上形成局放脉冲电流，如图1（a）所示。在正弦交流电压下，局部放电现象出现在外加电压的一定相位上，当外加电压足够高时在，在一个正弦周期内会出现多次间隔放电，如图1（b）所示。

(a)电路原理图 (b)电路原理图

图1放电过程示意图

　　如图2所示，常见的局放信号与外加电压具有固定的相位。例如内部放电总是出现在外加电压的瞬时值上升接近90°或270°的相位，随着外加电压值的增加，出现局放信号的相位范围逐渐扩展，甚至可以超过O°或180°。根据局放信号的相位关系以及局放特征可以判断放电类型，从而确定绝缘故障类型。而干扰信号与外加电压的相位关系具有不确定性，因此对局放信号具有较大干扰。

图2常见局放信号和干扰信号相位图

　　电力电缆局部放电预警系统通过高频电流互感器将局放脉冲电流耦合成脉冲信号，再通过高速采样技术将脉冲信号转换成数字信号。采用对该数字信号进行提取、分析、识别后，得到电缆局部放电信息以及相应的绝缘故障信息。并将这些数据写入到数据库中，同时在监测系统的软件上显示监测结果。

　　2.3系统结构

　　电力电缆预警装置由局放信号采集、主控单元组成。如图3所示：

图3电力电缆局部放电预警系统系统结构图

　　局放信号采集：由高速采集卡模块和高频电流互感器（HFCT）完成。高频电流传感器安装在电缆接头接地线上，用来耦合电缆本体及接头处的局部放电脉冲电流信号；耦合到的脉冲电流信号通过同轴电缆传送至前端高速采集卡，采集卡对模拟信号经过放大、滤波后由高速ADC转换成数字信号；在启动采集局放信号的同时，同步启动采样电缆负载信号的波形。采集结束后将数据存储到内存，并通过串行通讯方式将数据发送给主控单元。

　　主控单元：ARM9核心板。ARM9核心板通过串行通讯方式来控制高速采集卡完成数据采集，并接收、保存、分析采集卡上传的采集数据。分析后的数据以放电量趋势图、谱图、报警提示以及原始数据图的形式展现出来，并保存在SD卡中。ARM9核心板通过网络（光纤）通讯将放电量趋势图、谱图、报警提示这些数据量较小的信息上传给调度中心。调度中心通过来波法可以确定故障点位置。

　　3.电力电缆局放预警方案

　　针对兰新客专线盐湖-大河沿区间电力电缆故障发生次数多问题，为确保电力电缆的安全稳定运行，在盐湖1#箱变安装预警系统，A、B、C三相电缆各安装一台高频电流互感器将局放脉冲电流耦合成脉冲信号，转换单元将脉冲信号变为数字信号，这样后台机可以监测电缆的局放强度。如图4所示。

图4装置和系统的连接图

　　4.现场测试结果及效益分析

　　4.1现场测试结果

　　2015年8月15日，我们将制作完成新型电力电缆局部放电预警装置的安装在盐湖1#箱变，利用这台试验装置进行试验，数据显示自从安装新型电力电缆局部放电预警装置，有效预防电缆隐患故障2起，此种现象证明该装置可以监测电缆劣化趋势，可以做到提前发现故障隐患、提前消除故障隐患有效的提高了电力供电可靠性和安全性。

　　4.2效益分析

　　通过近一年的研究试验以及试验前后对各区间电力电缆故障发生率的比对来看，安装新型电力电缆局部放电预警装置区间，，预防兰新客专线大盐区间电力电缆故障两起，可。经测算，如按照每发生电缆故障，出动相应人员一般要2次以上，人员、机具、材料的出动、准备、消耗合计按照平均2万计算，节约生产成本4万余元，而且解决了电力电缆故障给行车供电设备带来了巨大的安全隐患，产生较大的安全效益。

　　从供电的可靠性方面来讲，大盐区间电力电缆预警装置安装前，因电缆制造或安装时的局部缺陷，并且大盐区间天气环境恶劣，电力电缆在运行中出现多次故障，在故障处理过程中耗时较长。电力电缆预警装置的投入后，可以监测电缆劣化趋势，可以做到提前发现故障隐患、提前消除故障隐患，从而提高了供电的可靠性。

　　5.结论

　　本文通过在兰新客专线大盐区间电力电缆局放预警，提出采用高频信号采样技术和局放信号提取算法，实现对电缆绝缘情况的实时在线检测。研究表明，电力电缆局部放电预警装置实施的监测不但能够避免那些昂贵而不必要的维护，而且能够减少设备在两次定时维护之间突发事故的风险，最大程度预防设备事故及突发停电事故。这种新型电力电缆预警系统将对电气化铁路电力电缆局放信号实时在线检测带来革命性的突破，其安全效益更加明显。

　　参考文献：

　　[1]韦永忠，沈海平.电力电缆局部放电带电检测技术及其应用[J].科技创新导报，2011（1）：61-62.

　　[2]陆志雄，沈谅平.XLPE电力电缆局放检测技术综述[J].湖北电力，2004，，28(4)：26-28.