高壓電纜在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越多，其敷設(shè)路徑分布廣，運行條件復(fù)雜。由于輸電電纜線路電壓等級高，在運行中擊穿造成破壞性大，極易造成重特大事故。如何對電纜故障做到“早發(fā)現(xiàn)、早排查、早解決”，成為降低電纜故障總量、提升精益運維能力的關(guān)鍵。
山東科匯電力自動化股份有限公司依托多年來在電力線路故障監(jiān)測方面的技術(shù)研究及應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合電力部門精益運維的實際需求，制定了電力電纜線路在線監(jiān)測與故障定位的針對性解決方案，研制出了DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)，適用于10kV及以上電壓等級的電纜線路，包括高壓電纜線路、電纜—架空混合線路及海纜線路等。系統(tǒng)基于電纜線路潛伏性故障及絕緣擊穿故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號進行捕捉、采集和分析，結(jié)合工頻錄波數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對高壓電纜線路故障在線監(jiān)測和分段、定位，為高壓電纜線路精益運維及電纜線路全壽命周期管理提供可靠、精準的技術(shù)支撐。
一、 系統(tǒng)構(gòu)成
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)由監(jiān)測終端、通信鏈路、系統(tǒng)后臺和多客戶端人機界面組成。監(jiān)測終端以無線或有線的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送回系統(tǒng)后臺；后臺軟件以事件為引，以時間歸集，自主關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)，異常事件以短信、WEB等多種方式發(fā)布。
二、 技術(shù)特點
q 非接觸式行波浪涌傳感器耦合電壓、電流行波信號，安全、可靠。
q 雙端行波法測距原理實現(xiàn)電纜故障在線定位。
q 與電纜相連架空線路故障單端定位。
q 混合及T型線路故障區(qū)段判定。
q 護層絕緣狀態(tài)分析診斷。
q 為電纜線路全壽命周期管理提供歷史數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)。
三、 功能及應(yīng)用
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)實時在線采集電纜運行工頻電流、護層接地電流，以數(shù)值或者電流曲線的方式進行展示；電纜發(fā)生故障時，對故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號的捕捉、采集和分析，根據(jù)雙端行波法測距原理實現(xiàn)電纜故障的測距，同時根據(jù)電纜線路的運行特點，輔以工頻錄波進行故障性質(zhì)診斷，從而形成對線路運行狀態(tài)的有效監(jiān)測和故障的分段定位。
01故障精確定位
根據(jù)雙端行波法測距原理，監(jiān)測裝置安裝在所監(jiān)測線路的兩端。線路故障時，監(jiān)測裝置采集暫態(tài)數(shù)據(jù)，后臺軟件依據(jù)暫態(tài)數(shù)據(jù)自動計算得出故障測距結(jié)果。在自動測距結(jié)果的基礎(chǔ)上，用戶可根據(jù)暫態(tài)波形，手動校正故障距離，進一步提高測距精度。
自動測距方法也適用于T型電纜線路和架空電纜混合線路。
02故障區(qū)間判別
后臺軟件根據(jù)故障線路工頻錄波數(shù)據(jù)，在時間同步的基礎(chǔ)上，快速判斷架空電纜混合線路和電纜T型線路故障所屬區(qū)間，為運維管理部門落實搶修任務(wù)提供依據(jù)，避免多班組共同巡線，提升運維效益。
03工頻電流監(jiān)測
實時監(jiān)測電纜線路運行電流，以數(shù)值和電流曲線的方式進行展示。當線路發(fā)生異常變化時，系統(tǒng)能夠自動錄波，實現(xiàn)故障性質(zhì)分析診斷。
04接地環(huán)流監(jiān)測
實時監(jiān)測電纜金屬護層接地電流，以數(shù)值或電流曲線的方式進行展示。當接地電流發(fā)生異常變化時，系統(tǒng)能夠自動錄波，計算接地電流與負荷電流比，對高壓電纜金屬護層接地故障提供實時告警。
四、 關(guān)鍵技術(shù)
基于行波原理的雙端在線測距法，利用暫態(tài)行波浪涌到達測量端的絕對時間，確定故障位置。實現(xiàn)高壓電纜線路故障在線精確測距的關(guān)鍵技術(shù)是高壓電纜線路終端處暫態(tài)行波浪涌的提取方法、高精度衛(wèi)星對時技術(shù)及暫態(tài)干擾信號的分析識別。
01暫態(tài)行波信號的提取
根據(jù)行波測距的原理，需要采集故障暫態(tài)電壓信號或暫態(tài)電流信號，系統(tǒng)從運行安全以及裝置安裝維護方便的角度考慮，采用非接觸式信號傳感技術(shù)，根據(jù)監(jiān)測線路的實際情況，選擇獲取電壓信號或者電流信號或者電壓電流冗余信號。電流信號采集采用羅氏線圈，電壓信號采集采用非接觸式電壓傳感器。
02高精度對時技術(shù)
雙端行波實現(xiàn)測距誤差控制在幾米范圍內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)是雙端設(shè)備對時誤差精度的控制。監(jiān)測終端通過對電力系統(tǒng)現(xiàn)有基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的納秒級授時技術(shù)在授時電路、被授時電路、晶振性能以及輸出信號波形和傳輸路徑等方面的優(yōu)化處理，實現(xiàn)了20ns級授時精度。
03暫態(tài)信號的干擾及識別
識別操作、雷電等干擾信號是實現(xiàn)測距的前提。系統(tǒng)通過非接觸式傳感器提取故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號，根據(jù)故障時頻與雷電、操作及區(qū)外故障時頻特性區(qū)別及三相暫態(tài)信號極性，實現(xiàn)對故障信號的準確識別；同時，結(jié)合故障線路工頻信號，可以區(qū)分各類干擾。
五、 應(yīng)用案例
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)已經(jīng)在廣州、肇慶、東莞、佛山、云浮、河源、上海等地以及舟山500kV聯(lián)網(wǎng)海底電纜交接試驗投入運行，達到了預(yù)期目標。
01 人工試驗
在ZQ供電公司XX變電站一退運110kV電纜線路進行單相接地試驗。該電纜線路由四段組成：Ⅰ段電纜線路包含2段完整交叉互聯(lián)段電纜，一端為GIS端，一端為戶外終端，長度為3272米；Ⅱ段電纜線路戶外終端3為直接接地，戶外終端5為保護接地，長度為107米；Ⅲ段電纜線路戶外終端2為直接接地，戶外終端4為保護接地，長度為215米；Ⅳ段架空線路長度約為233米。
在Ⅰ段電纜線路戶外終端1處、GIS端分別安裝DJ-100高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位裝置。
試驗一：在I段電纜線路設(shè)置故障點F1，距甲變電站1020米左右。
分別進行了三次試驗，雙端測距波形如下所示。左側(cè)波形為乙變電站側(cè)波形，接頭類型為GIS終端頭；右側(cè)波形為甲變電站側(cè)波形，接頭類型為戶外終端頭。
三次試驗結(jié)果穩(wěn)定，定位距離基本一致, 結(jié)果最大相差為2.14米。
試驗二：戶外終端1和戶外終端4的電纜鎧裝不連接，在戶外終端4處F2點使用球間隙模擬故障放電。
分別進行了三次試驗，雙端測距波形如下所示。左側(cè)波形為乙變電站側(cè)波形，右側(cè)波形為甲變電站側(cè)波形。
三次試驗結(jié)果穩(wěn)定，定位距離基本一致, 結(jié)果最大相差為2.16米。
02電網(wǎng)擾動行波數(shù)據(jù)分析
GD供電公司XX變電站ZM電纜架空混合線路包含二段電纜線路和一段架空線路，其中Ⅰ段電纜長2489米，Ⅱ段電纜長2034米，電纜鎧裝采用交叉互聯(lián)方式接地方式；架空線長度不詳。系統(tǒng)共安裝3套DJ-100高壓電纜在線監(jiān)測及故障定位裝置，分別位于1#戶外終端、2#戶外終端、4#戶外終端；1#DJ-100裝置和2#DJ-100裝置監(jiān)測Ⅰ段電纜；2#DJ-100裝置和3#DJ-100裝置監(jiān)測Ⅱ段電纜。
2020年12月21日凌晨，DJ-1000高壓電纜在線監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障報警信息。系統(tǒng)均給出了Ⅰ段電纜和Ⅱ段電纜的雙段測距結(jié)果，同時記錄了故障時刻的工頻電流波形。
通過對DJ-100裝置的工頻電流波形分析，可知線路A、B兩相間發(fā)生異常。
Ⅰ段電纜線路的雙端測距結(jié)果距離1#戶外終端2485.11m、距離2#戶外終端3.89m。
Ⅱ段電纜線路的雙端測距結(jié)果距離2#戶外終端4.29m、距離4#戶外終端2029.71m。
從Ⅰ段電纜線路雙端測距行波數(shù)據(jù)分析，雙端測距結(jié)果為距離1#戶外終端2485.11米，與I段電纜全長2489米接近，相差3.89米；從Ⅱ段電纜線路雙端測距行波數(shù)據(jù)分析，雙端測距結(jié)果為距離2#戶外終端4.29米，與Ⅱ段電纜全長2034米接近，相差4.29米。
結(jié)合工頻數(shù)據(jù)波形，綜合以上分析結(jié)果及波形極性，可知線路擾動發(fā)生在架空線路段，電纜線路區(qū)外；此外，利用電網(wǎng)擾動，DJ-1000高壓電纜在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)還能夠測量線路全長，從而校正了線路長度數(shù)據(jù)不完整的現(xiàn)象。