引言

電力電纜同架空線路一樣,主要用于分配電能。另外,有的電力電纜也可作為電氣設(shè)備、線路間的連接線。電纜在工業(yè)用電、建筑用電等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但當(dāng)其發(fā)生短路接地時(shí),尋找故障點(diǎn)是一件令人頭疼的事情。為了縮短停電時(shí)間,防止短路電流燒壞電氣設(shè)備,必須盡快找到電纜故障點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。通常電力電纜要么是通過(guò)電纜溝或電纜橋架沿溝或橋鋪設(shè),要么是埋設(shè)于地下,一旦發(fā)生短路接地,不便于直接觀察發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn),而沿溝找故障點(diǎn)也是一件極其麻煩的事情。電纜的故障測(cè)距就是通過(guò)對(duì)電纜的電氣參數(shù)如電壓、電流、電阻等進(jìn)行測(cè)量,然后計(jì)算出電纜故障點(diǎn)的位置。對(duì)于日益增多的電纜故障,實(shí)現(xiàn)電纜故障距離的精準(zhǔn)定位越來(lái)越追切和重要。常見(jiàn)的電纜測(cè)距方法有平衡電橋法、閃絡(luò)法、脈沖法等,由于儀表的測(cè)量精度及電纜敷設(shè)路徑測(cè)量的誤差影響,以上各種測(cè)量方法往往在測(cè)距上都存在一定的誤差。

本文基于單臂電橋,采用正反接線平均法測(cè)量電纜故障的距離,比用單臂電橋直接測(cè)量提高了測(cè)距精度,獲得了更準(zhǔn)確的電纜故障距離測(cè)量結(jié)果。

1電力電纜的優(yōu)點(diǎn)

(1)占用空間小。尤其是地下敷設(shè)的電纜,不占用地上空間,不影響市容。

(2)供電可靠性高。尤其是直埋電纜及溝、隧道敷設(shè)電纜,其由于近似封閉的運(yùn)行環(huán)境,不用遭受日曬雨淋、風(fēng)吹雨打,也很少受雷電、鳥(niǎo)害、掛冰、人為故障等外界因素的影響,故持續(xù)供電性好,供電可靠性高。

(3)可防止人身觸電,安全性高。電纜線路敷設(shè)于地下或橋架以及溝道內(nèi),無(wú)論發(fā)生何種故障,電纜很好地進(jìn)行了接地和屏蔽,最多會(huì)造成電纜線路跳閘,很少會(huì)發(fā)生漏電,導(dǎo)致人畜觸電。

(4)分布電容較大,可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷端的無(wú)功就地補(bǔ)

償。電纜的導(dǎo)電芯與大地之間是絕緣材料,此結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)電容器,而電容能產(chǎn)生無(wú)功輸出,有利于提高線路的無(wú)功以及功率因數(shù)。

(5)運(yùn)維工作量小。電纜的導(dǎo)電芯外面是絕緣材料,其埋在地下,運(yùn)行環(huán)境受外界影響小,除非遇到特殊情況,一般很難會(huì)發(fā)生故障。

2電力電纜的問(wèn)題和缺點(diǎn)

(1)投資成本高,輸送容量不高。對(duì)于同樣的導(dǎo)線截面積,電纜的輸送容量要比架空線路小。對(duì)于相同的輸送容量,電纜的綜合投資費(fèi)用為架空線路的幾倍。

(2)分支箱或T型接頭多,一旦發(fā)生故障,可能會(huì)擴(kuò)大事故范圍甚至發(fā)生全停。

(3)電力電纜多在地下或溝道內(nèi),尋找故障點(diǎn)比較麻煩。

(4)要制作電纜頭,成本費(fèi)用高,對(duì)工藝要求也比較高。

3電力電纜基本結(jié)構(gòu)

電力電纜的主要結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電芯線,外包絕緣層,有的還包有金屬鎧裝,并加以接地。三相輸電導(dǎo)體相互間都必須有絕緣材料,并要保證絕緣材料的絕緣性良好。電力電纜的絕緣層材料應(yīng)具備下列主要性能:(1)高擊穿強(qiáng)度:(2)低介質(zhì)損耗:(3)相當(dāng)高的絕緣電阻:(4)優(yōu)良的耐放電性能:(5)一定的柔性和機(jī)械強(qiáng)度:(6)絕緣性能長(zhǎng)期穩(wěn)定。為了保護(hù)好絕緣層,避免石頭等堅(jiān)硬物破壞以及防止挖機(jī)挖破,絕緣層外面往往還有保護(hù)層。

4三相電纜單相接地電橋法測(cè)量故障距離原理

三相電纜單相接地電橋法測(cè)量故障距離原理如圖1所示,接地電阻為Re。

本次采用的是單臂電橋。測(cè)量前,在電纜的末端用與電纜同型號(hào)的跨接線將故障相與非故障相短接,如圖1所示。再在電纜首端將非故障相電纜與故障相電纜分別與單臂電橋的x1端和x2端連接,作為電橋的另外兩個(gè)臂。設(shè)電纜的長(zhǎng)度為L(zhǎng),故障距離為L(zhǎng)x。當(dāng)合上電源開(kāi)關(guān)s后,調(diào)節(jié)電阻r3,當(dāng)檢流計(jì)指示平衡時(shí),根據(jù)平衡電

橋原理,則有:

由式(1)可得:

式(2)即電纜故障距離測(cè)量公式。

如圖1所示的電橋x1端連接良好相,而x2端連接故障相的接線稱為正接法。反之,如將x2端接良好相,x1接故障相,則稱為反接法。同理可得,反接法計(jì)算公式為:

一般情況下,測(cè)量時(shí)用正、反接法進(jìn)行兩次測(cè)量,取其平均值為電纜故障點(diǎn)的距離,這樣可減少測(cè)量誤差,該種方法也叫正反接線平均法。

5三相電纜兩相短路電橋法測(cè)量故障距離原理

三相電纜兩相短路電橋法測(cè)量故障距離原理如圖2所示,設(shè)BC兩相短路。

測(cè)量三相電力電纜中兩相短路故障距離與測(cè)量單相接地故障距離基本相似。如圖2所示,采用的是單臂電橋。測(cè)量前,任選一條故障相電纜。在電纜的末端用與電纜同型號(hào)的跨接線將故障相與非故障相短接,再在電纜首端將非故障相電纜與故障相電纜分別與單臂電橋的x1端和x2端連接,而另一條故障電纜與電源的負(fù)極相連再接地。設(shè)電纜的長(zhǎng)度為L(zhǎng),故障距離為L(zhǎng)x。當(dāng)合上電源開(kāi)關(guān)s后,調(diào)節(jié)電阻r3,當(dāng)檢流計(jì)指示平衡時(shí),根據(jù)平衡電橋原理,則同樣可得式(1),因此對(duì)應(yīng)電纜的故障距離也是式(2)。同樣也可以用正、反接法進(jìn)行兩次測(cè)量,取其平均值為電纜故障點(diǎn)的距離。另外一條電纜的故障距離也是同樣的算法。

6現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

某市區(qū)有一條電壓為10kV的三相銅芯油紙絕緣電纜,全長(zhǎng)為1200m,在運(yùn)行中發(fā)生故障,電纜截面為3×120mm2。用兆歐表測(cè)量電纜各相的絕緣電阻,測(cè)量結(jié)果如表1所示。后用本文提出的方法,準(zhǔn)確計(jì)算出了故障點(diǎn)的距離。

本次電纜故障點(diǎn)的距離計(jì)算步驟如下:

(1)根據(jù)表1發(fā)現(xiàn)C相對(duì)地的絕緣電阻要比其他相低一個(gè)數(shù)量級(jí),可判斷C相單相接地。

(2)A、C相末端用跨接線連接后,在首端測(cè)得整個(gè)回路電阻為0.3720。而由電纜參數(shù)計(jì)算,回路電阻應(yīng)為

(銅電阻系數(shù)p=0.01840·mm2/m)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相似,說(shuō)明引線接觸良好,電纜未發(fā)生斷線故障。

(3)用電橋法測(cè)故障點(diǎn)時(shí),電橋兩臂的讀數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2的測(cè)量結(jié)果,由式(2)計(jì)算出正接法時(shí),

由式(3)計(jì)算出反接法時(shí),

則求正反接線平均法的值:

(4)為了準(zhǔn)確反映預(yù)測(cè)精度,本文采用相對(duì)誤差(MaximumpercentError,MpE)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)比較幾種方法故障距離測(cè)量的準(zhǔn)確度。MpE表達(dá)式為:

式中:EQ \* jc3 \* hps19 \o\al(\s\up 3(為測(cè)量值:y為實(shí)際值。

MpE值越小,表明測(cè)量效果越好。

后實(shí)地檢測(cè)發(fā)現(xiàn),故障點(diǎn)的距離為748.6m,由此可算出正接法、反接法以及正反接線平均法測(cè)量故障點(diǎn)距離的相對(duì)誤差。由式(4)計(jì)算得到正、反接法以及正反接線平均法這三種測(cè)量方法的相對(duì)誤差,如表3所示。

由表3可知,正接法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差為3.4%,反接法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差為2.8%:而正反接線平均法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差為0.3%,遠(yuǎn)低于前兩者,是正接法相對(duì)誤差的約1/11,是反接法相對(duì)誤差的約1/9。因此,用正反接線平均法測(cè)量故障距離更加準(zhǔn)確。

7電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電纜絕緣電阻及正反接線電阻進(jìn)行采集和分析,對(duì)整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的電纜故障診斷及故障距離的測(cè)量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

如圖3所示,電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)共分為三個(gè)部分:

(1)第一部分為現(xiàn)場(chǎng)層,也是核心層。該層主要負(fù)責(zé)采集各電纜的絕緣電阻和正反接線電阻r3、r4,用以判斷是否有電纜故障以及電纜的故障距離。該部分采用多回路絕緣監(jiān)測(cè)單元PMC-512-J進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量和其他電阻測(cè)量,所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ismartGate智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信,向遠(yuǎn)方云端傳輸。

(2)第二部分為網(wǎng)絡(luò)層,主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。該部分網(wǎng)絡(luò)空間有云端數(shù)據(jù)服務(wù)器,進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)。

(3)第三部分為應(yīng)用層,該部分主要為電腦終端和用戶服務(wù)。用戶可使用PC電腦、筆記本電腦以及其他移動(dòng)終端如智能手機(jī),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)云端數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn),了解故障電纜以及故障距離,再進(jìn)行消缺處理。

8電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

根據(jù)電橋正反接線平均法測(cè)量電纜故障距離的原理,結(jié)合電纜故障判斷和故障距離測(cè)量工作的實(shí)際需要,對(duì)電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。

9多回路絕緣監(jiān)測(cè)單元PMC-512-J

多回路絕緣監(jiān)測(cè)單元PMC-512-J是針對(duì)數(shù)據(jù)中心、光伏發(fā)電等高壓直流配電系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)的一款高性價(jià)比的電力監(jiān)控儀表,支持Rs-485通信,具有高通信速率:能測(cè)量21路絕緣電阻,存儲(chǔ)多達(dá)5000條定時(shí)記錄:具有多路輸入/輸出口:其以工業(yè)級(jí)微處理器為核心,處理速度快,支持多回路測(cè)量,具有很高的性價(jià)比。

10iSmartGate智能網(wǎng)關(guān)

(1)隨著電子通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)等技術(shù)迅速發(fā)展,越來(lái)越多工業(yè)、建筑、電力、交通等大型能源用戶希望借助科學(xué)的管理手段,對(duì)能源進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)、集中監(jiān)管,構(gòu)建能源物聯(lián)網(wǎng)。

(2)釋放數(shù)據(jù)潛力,能耗采集先行,ismartGate智能網(wǎng)關(guān)作為能耗采集終端與監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)橋梁,提供連接末端設(shè)備和云平臺(tái)的能力。

(3)具有邊緣計(jì)算的特點(diǎn),能就近提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算及邏輯編程控制功能,分擔(dān)主站服務(wù)器數(shù)據(jù)處理壓力。

(4)具有鏈路安全保障和MD5身份認(rèn)證機(jī)制,支持AEs、DEs等加密算法,TLs安全協(xié)議。

(5)支持快速設(shè)備接入,有多種通信方式,可快速接入多種末端感知設(shè)備。

(6)具有遠(yuǎn)程配置維護(hù),支持遠(yuǎn)程配置調(diào)試,維護(hù)高效。

(7)具有輕量化主站,能以web方式查看告警信息、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)曲線、事件記錄等,可構(gòu)建輕量化小型監(jiān)控系統(tǒng)。

11結(jié)語(yǔ)

隨著電纜在電力行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛,電纜故障距離的準(zhǔn)確測(cè)量越來(lái)越重要。本文針對(duì)電纜故障距離測(cè)量,首先介紹了三相電纜單相接地電橋法測(cè)量故障距離原理,然后介紹了三相電纜兩相短路電橋法測(cè)量故障距離原理,在此基礎(chǔ)上提出了正反接線平均法。分別用文中提出的正、反接法以及正反接線平均法這三種測(cè)量方法對(duì)某市區(qū)一條電壓為10kV、發(fā)生單相接地故障的三相銅芯油紙絕緣電纜進(jìn)行故障距離測(cè)量,正、反接法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差分別為3.4%、2.8%,而正反接線平均法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差為0.3%,遠(yuǎn)低于前兩者,這也證明了正反接線平均法的有效性和可靠性。最后,構(gòu)建了電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)的電纜故障遠(yuǎn)程判斷和距離測(cè)量,大大提高了電纜故障處理的效率。