高壓充油電纜漏油故障定位方法應(yīng)用及探討

黃小衛(wèi)， 臧源源， 王和喜

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

高壓充油電纜漏油故障定位方法應(yīng)用及探討

黃小衛(wèi)， 臧源源， 王和喜

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

高壓充油電纜因其電氣性能穩(wěn)定而廣泛應(yīng)用于輸配電領(lǐng)域，但卻容易受外力破壞或者其它原因?qū)е聺B油漏油。對(duì)可能用于充油電纜漏油故障定位的幾種方法進(jìn)行了分析，探討了其適用范圍和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行了改進(jìn)，拓展了適用范圍。對(duì)充油電纜發(fā)生漏油故障時(shí)，壓力降與流量的變化關(guān)系進(jìn)行了分析，提出了壓力-流量比例的方法，將統(tǒng)計(jì)學(xué)觀念應(yīng)用于漏油故障定位，以提高定位精度。此外，還對(duì)負(fù)壓波在充油電纜漏油故障定位中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探討。

充油電纜；漏油；油壓；流量；故障定位

0 引 言

充油電纜是利用補(bǔ)充浸漬原理來(lái)消除絕緣層中形成的氣隙，以此提高電纜工作場(chǎng)強(qiáng)［1］。由于其可靠性高、維護(hù)工作量少、電纜及附件通用率高、適用電壓等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)［2］，從1924年意大利安裝的第一條充油電纜開(kāi)始［3］，它就廣泛應(yīng)用于高電壓長(zhǎng)距離的輸電領(lǐng)域。1983年投運(yùn)的加拿大本土與溫哥華島跨海聯(lián)網(wǎng)工程采用的就是39 km（兩段，分別長(zhǎng)30 km、9 km）500 kV充油電纜［4］；2009年6月30日投運(yùn)的海南聯(lián)網(wǎng)工程使用的也是31 km 500 kV充油電纜［5］；2012年開(kāi)始規(guī)劃建設(shè)的英國(guó)Western Link英格蘭—蘇格蘭聯(lián)網(wǎng)工程采用的海底電纜，其電壓等級(jí)600 kV，長(zhǎng)度420 km，電纜類型仍然是充油?？梢?jiàn)充油電纜還將在輸電系統(tǒng)中繼續(xù)得以廣泛運(yùn)行。

充油電纜電氣性能穩(wěn)定，其自身電氣擊穿的幾率非常小，因此更多的故障是由于外力破壞或者施工工藝的差異導(dǎo)致電纜出現(xiàn)漏油。對(duì)于海底電纜來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)的故障更高達(dá)90％以上是由于外力破壞所導(dǎo)致的［6］。充油電纜一旦出現(xiàn)此類故障，將會(huì)向外排油，以防止外部潮氣、水分等侵入電纜內(nèi)部，造成電纜的損傷。充油電纜的供油系統(tǒng)一般都安裝有流量、壓力監(jiān)測(cè)裝置，因此完全可以利用電纜向外排油時(shí)檢測(cè)到的壓力、流量等相關(guān)信息，對(duì)漏油點(diǎn)進(jìn)行定位。

1 凍結(jié)法漏油點(diǎn)測(cè)尋

用凍結(jié)法進(jìn)行充油電纜漏油點(diǎn)故障測(cè)尋的原理如圖1所示，圖中X點(diǎn)為漏油點(diǎn)，泄漏點(diǎn)查找過(guò)程中需要測(cè)量觀察電纜兩端油壓。故障定位時(shí)首先用液氮或液態(tài)空氣冷凍A點(diǎn)絕緣油［7］，若圖中壓力表示數(shù)P1不變，P2下降，則漏油點(diǎn)X在A點(diǎn)右側(cè)；然后在A點(diǎn)左側(cè)尋找B點(diǎn)，用同樣的方法在故障電纜右端B點(diǎn)進(jìn)行冷凍，若P1下降，P2不變，則漏油點(diǎn)在AB之間。在AB之間反復(fù)尋找冷點(diǎn)進(jìn)行測(cè)尋，縮短故障點(diǎn)的范圍，直到找到故障點(diǎn)。

圖1　兩端供油充油電纜凍結(jié)法原理

若充油電纜為一端供油，需將完好的電纜與發(fā)生泄漏的電纜油通道在一端連接起來(lái)［7］，如圖2所示，然后采取上述方法進(jìn)行故障測(cè)尋。

圖2　一端供油充油電纜凍結(jié)法原理圖

用凍結(jié)法進(jìn)行漏油點(diǎn)定位的方法可以查找到輕微的滲漏油故障，但是此種方法需要反復(fù)進(jìn)行測(cè)尋，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)；對(duì)于水底或者海底充油電纜，冷凍則不易實(shí)現(xiàn)，而且水底或者海底充油電纜故障后需要向外排油，不宜將一端與供油系統(tǒng)進(jìn)行隔離；另外電纜一般敷設(shè)于地下，反復(fù)測(cè)量過(guò)程中也需要反復(fù)開(kāi)挖，電纜越長(zhǎng)，工作量越大。因此，冷凍法進(jìn)行漏油故障點(diǎn)的定位適合于陸上距離不太長(zhǎng)的充油電纜。

2 流量法漏油點(diǎn)測(cè)尋

2.1流量法泄漏定位的原理

傳統(tǒng)的流量法需要電纜兩端壓力相同，用流量法進(jìn)行漏油故障點(diǎn)定位時(shí)，需要將故障電纜與完好電纜的另一端連接起來(lái)［8］，如圖3所示，其中C相X點(diǎn)發(fā)生漏油，L為單相電纜長(zhǎng)度。按照流體力學(xué)的相關(guān)理論，長(zhǎng)管道的壓力降為管道體積流量與流阻之積，如圖3所示，從B相電纜首端到漏油點(diǎn)與從C相首端到漏油點(diǎn)壓力降是相等的，圖中流阻與距離是成正比的［9-10］，則可以得到

圖3　流量法漏油故障定位示意圖

式中，QC、QB分別為C相和B相電纜油道中的體積流量，由安裝在供油系統(tǒng)入口處的流量計(jì)測(cè)出。

則可以計(jì)算得出漏油故障點(diǎn)據(jù)C相首端的距離為：

為消除環(huán)境溫度等因素造成的干擾，常采取的措施是在式（1）中B、C兩相的流量同時(shí)減去正常相A相的流量，得到校正后的漏油點(diǎn)距離為：

2.2流量法泄漏故障定位的改進(jìn)

上述流量法泄漏定位只適用于一端供油的充油電纜，而且當(dāng)電纜斷成兩節(jié)時(shí)，該方法也不適用；對(duì)于兩端供油的系統(tǒng)，由于電纜兩端壓力不相同，則同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際上絕緣油在電纜油道中流動(dòng)時(shí)，屬于流體力學(xué)中的層流范疇［9］，其體積流量、壓力滿足哈根-泊肅葉定律，即

式中：Q為管道中的體積流量；ΔP為壓力降；μ為流體的粘滯系數(shù)；r為管道半徑；L為管道長(zhǎng)度。若令

則R即為前面提到的流阻，它與管道長(zhǎng)度成正比。

由式（4）可知，電纜內(nèi)部絕緣油及油道的參數(shù)均為已知量，若能夠測(cè)量或計(jì)算出流量與壓力降，即可得出漏油點(diǎn)到電纜首末端的距離。

對(duì)于兩端供油的系統(tǒng)，若電纜兩端均裝有壓力表和流量計(jì)，如圖4所示，電纜兩端測(cè)量得到的壓力、流量分別為P1、Q1，P2、Q2，設(shè)漏油點(diǎn)壓力為Px，從電纜兩端到漏油點(diǎn)分別使用哈根-泊肅葉定律得

解式（6）、式（7）組成的方程組可得到故障點(diǎn)距電纜首端距離為：

圖4　流量法故障定位的改進(jìn)

傳統(tǒng)的流量法進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位，只需測(cè)量?jī)啥说牧髁考纯?，但是該種方法只適用于一端供油的且電纜未發(fā)生斷裂的情況。進(jìn)行改進(jìn)后，需要測(cè)量?jī)啥说牧髁?、壓力共四個(gè)數(shù)值，一定程度上會(huì)使誤差增大，但是該種方法能夠應(yīng)用于兩端供油的系統(tǒng)；而且當(dāng)電纜斷裂時(shí)，兩端分別排油，該方法也能檢測(cè)出斷裂點(diǎn)的位置，因水底或者海底的充油電纜，發(fā)生故障或者斷裂時(shí)需要向外排油，該方法具有較大優(yōu)勢(shì)，但是由于其精度問(wèn)題，此種方法只能作為故障定位的初步手段，得到故障點(diǎn)的大致位置，然后采取更為準(zhǔn)確的故障定位方法。

3 壓力-流量比例法泄漏定位

上述流量法依據(jù)單次測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算得到故障點(diǎn)的位置，當(dāng)其他原因?qū)е履骋粶y(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差時(shí)將直接影響故障定位的結(jié)果。壓力-流量比例法就是采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，測(cè)量多組壓力、流速（體積流量），依據(jù)其關(guān)系推導(dǎo)出故障點(diǎn)的位置。

壓力-流量比例法原理如圖5所示，設(shè)漏油點(diǎn)距電纜兩端A、B距離分別為χ1、χ2，當(dāng)從一端供油時(shí)，流量穩(wěn)定后，故障點(diǎn)與電纜另一端的壓力是相等的。泄漏定位時(shí)，先從A端供油，當(dāng)流量Q1穩(wěn)定后，AB兩端壓力差P1-P2也即AX之間的壓力差，此時(shí)依據(jù)式（4）也即哈根-泊肅葉定律可得：

圖5　壓力-流量比例法示意圖

可見(jiàn)，AB兩端壓力差與漏油的流量成正比，比例系數(shù)直接與故障點(diǎn)到A端的距離有關(guān)。改變供油端的壓力P1，記錄多組數(shù)據(jù)P1-P2及Q1，在坐標(biāo)軸中描繪出數(shù)據(jù)點(diǎn)，應(yīng)近似在一條直線上，如圖6a，求出該直線的斜率k1。

圖6　壓力差與流量關(guān)系示意圖

用同樣的方法，在B端供油，當(dāng)流量穩(wěn)定后，可得到：

改變壓力P2，記錄多組數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)軸中描繪出數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖6b，求出該直線的斜率k2。

依據(jù)式（9）、式（10）可知，k1、k2分別只與χ1、χ2相關(guān)，且可得出：

則可計(jì)算得出漏油故障點(diǎn)距A、B兩端距離分別為：

用壓力-流量比例法對(duì)漏油故障點(diǎn)進(jìn)行定位，需要采集多次測(cè)量的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中描點(diǎn)，作出擬合直線，此種方法是實(shí)驗(yàn)研究中的常用方法，可以大大減少誤差，而且當(dāng)某一組數(shù)據(jù)明顯發(fā)生偏離時(shí)，可以認(rèn)為是測(cè)量錯(cuò)誤，直接舍棄，避免對(duì)故障定位精確度產(chǎn)生影響。上述雖然說(shuō)明針對(duì)的是兩端供油的充油電纜，但是對(duì)于一端供油的系統(tǒng)，可以采取臨時(shí)供油箱的方式，進(jìn)行電纜另一端數(shù)據(jù)的測(cè)量，也可實(shí)現(xiàn)漏油點(diǎn)的定位。遺憾的是該種方法只能適用于電纜未發(fā)生截?cái)嗟那闆r；另外由于故障定位過(guò)程中需要另外一端停止供油，對(duì)于水底或者海底的充油電纜，出現(xiàn)故障后需要兩邊同時(shí)向外排油，該方法也不太適用。

4 負(fù)壓波法泄漏定位

當(dāng)充油電纜發(fā)生泄漏時(shí)，由于油道內(nèi)外的壓差，漏油處立即產(chǎn)生因流體物質(zhì)損失而引起的局部液體密度減小，出現(xiàn)瞬時(shí)壓力降低，這個(gè)瞬時(shí)的壓力下降作用在流體介質(zhì)上，就作為減壓波源通過(guò)管線和流體介質(zhì)向泄漏點(diǎn)的上下游以聲速傳播［11］。這種現(xiàn)象依次向泄漏區(qū)上下游擴(kuò)散，相當(dāng)于在泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了以一定波速傳播的負(fù)壓力波［12］。設(shè)置在充油電纜兩端或泵站兩端的傳感器拾取壓力波信號(hào)，根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間差和油道內(nèi)壓力波的傳播速度，即可定位到故障漏油點(diǎn)的具體位置。

負(fù)壓波法進(jìn)行漏油點(diǎn)定位的原理如圖7所示，漏油點(diǎn)為X，設(shè)其距充油電纜首端A距離為χ，兩端裝設(shè)壓力傳感器，記錄A、B兩端壓力發(fā)生突變的時(shí)間T1、T2，兩端裝設(shè)GPS時(shí)鐘以確保兩端時(shí)間同步，則負(fù)壓波到達(dá)AB兩端的時(shí)間差為Δt=T1-T2，若負(fù)壓波的波速為υ，則

可以計(jì)算出：

圖7　負(fù)壓波法漏油點(diǎn)故障定位

負(fù)壓波的傳播速度υ大致等于聲波在管輸流體內(nèi)的傳播速度，一般會(huì)達(dá)到1 000～1 200 m/s［12］，其大小取決于油道內(nèi)絕緣油液體的彈性、密度以及油管道的彈性等［13］，由下式計(jì)算得出［14］：

式中：K為絕緣液體的體積彈性系數(shù)；ρ為絕緣液體的密度；E為油管道的彈性模量；D為油道的直徑；e為管壁厚度；C1為與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)。這些參數(shù)均為絕緣油液體及油管道的具體物理參數(shù)，查詢對(duì)應(yīng)的材料手冊(cè)，即可查出具體數(shù)值，因此，測(cè)量出了負(fù)壓波到達(dá)電纜兩端的時(shí)間差，即可對(duì)漏油故障點(diǎn)進(jìn)行定位。

負(fù)壓波泄漏定位法雖然目前尚未在充油電纜故障定位中得到應(yīng)用，但是它在自來(lái)水管道、陸地及海底輸油管道泄漏定位中均得到了應(yīng)用。當(dāng)海纜遭受破壞而出現(xiàn)滲漏油時(shí)，壓力曲線將會(huì)有一明顯的突變，此時(shí)讀取兩邊壓力曲線突變的時(shí)間，兩者相減即為負(fù)壓波到達(dá)兩端油泵站的時(shí)間差，依據(jù)絕緣油和海纜本體的相關(guān)參數(shù)，即可計(jì)算出漏油點(diǎn)的距離。

采用負(fù)壓波法進(jìn)行充油電纜漏油故障定位，其負(fù)壓波類似于行波測(cè)距中傳輸?shù)男胁?，只要充油電纜兩端采用的傳感器精度較高，故障定位的精度也能大大提高。值得注意的是，在供油系統(tǒng)中閥門(mén)的關(guān)閉、電纜負(fù)荷變化時(shí)也可能導(dǎo)致負(fù)壓波的產(chǎn)生，使兩端壓力產(chǎn)生突變，在海底輸油管道中，過(guò)濾此類誤差采取的方法是對(duì)提取的負(fù)壓波信號(hào)進(jìn)行小波變換；小波變換能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行時(shí)間和尺度的放大，能夠有效地檢測(cè)出信號(hào)的奇異性［15］，從而識(shí)別出電纜故障漏油時(shí)的負(fù)壓波信號(hào)。

事實(shí)上，在充油電纜中通過(guò)對(duì)壓力、流量的綜合分析判斷，即可得出電纜是否遭到破壞。圖8所示即為海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底充油電纜兩端的油泵站對(duì)海底電纜是否遭受外力破壞啟動(dòng)緊急油流模式的監(jiān)控示意圖。當(dāng)海纜出現(xiàn)滲漏油時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)到的壓力流量信息判斷出海纜遭受破壞，負(fù)壓波傳到兩側(cè)油泵站，則對(duì)應(yīng)電纜的緊急油流模式告警燈（圖中Rescue operation active）將常亮，系統(tǒng)將立即啟動(dòng)緊急油流模式向外排油。圖9所示是海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500kV海底充油電纜兩端油泵站系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的油流油壓等相關(guān)信號(hào)，其中就有油壓隨時(shí)間變化的波形圖，此圖是海底電纜在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的狀況，因此，壓力隨時(shí)間變化的波形圖是一條直線?？梢?jiàn)，在充油電纜中，對(duì)負(fù)壓波的識(shí)別還是較容易實(shí)現(xiàn)的，但是目前缺少試驗(yàn)及工程應(yīng)用的驗(yàn)證。

負(fù)壓波泄漏定位不僅可以對(duì)充油電纜滲漏油故障進(jìn)行定位，當(dāng)電纜斷裂成兩截時(shí)，同樣可以進(jìn)行判斷。對(duì)于水底或者海底的充油電纜，需要向外排油，負(fù)壓波傳到電纜兩端的同時(shí)，供油系統(tǒng)也立即可以判斷出故障，而啟動(dòng)緊急排油程序，可見(jiàn)負(fù)壓波故障定位方法不會(huì)妨礙到水底或者海底充油電纜的緊急排油。但是需要指出的是，對(duì)于水底或者海底充油電纜，受外界水壓的影響，當(dāng)泄漏量較小時(shí)，壓力變化將不足以達(dá)到兩端供油系統(tǒng)壓力告警的限值，此時(shí)可能會(huì)無(wú)法檢測(cè)到負(fù)壓波信號(hào)。

圖8　海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)油泵站緊急油流模式監(jiān)控示意圖

圖9　海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜油壓波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)充油電纜發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)檢測(cè)其供油系統(tǒng)兩端的壓力、流量等相關(guān)數(shù)據(jù)，直接檢測(cè)到漏油點(diǎn)實(shí)現(xiàn)故障定位。本文所述幾種方法各有利弊，在實(shí)際操作過(guò)程中可以綜合考慮，進(jìn)行故障定位，如流量法因數(shù)據(jù)單薄容易產(chǎn)生誤差，可以采用該方法先進(jìn)行初步故障定位，將大致漏油位置確定，然后采用冷凍法，進(jìn)一步縮小故障檢測(cè)范圍。壓力-流量比例法采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，誤差較小，可以對(duì)陸地充油電纜進(jìn)行較為準(zhǔn)確的故障定位。負(fù)壓波法雖然目前未見(jiàn)其應(yīng)用于充油電纜，但是該方法精度可靠，操作簡(jiǎn)單，還可以實(shí)現(xiàn)在線故障定位，目前已在海底輸油管道中有所應(yīng)用，經(jīng)過(guò)分析，理論上是能夠應(yīng)用于陸上、水底甚至海底充油電纜的故障定位的，但是目前缺少試驗(yàn)驗(yàn)證及工程應(yīng)用的實(shí)例。

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The Discussion and Application on the Method of the Fault Location for the Leakage of the High-Voltage Oil-Filled Cables

HUANG Xiao-wei，ZANG Yuan-yuan，WANG He-xi
（Guangzhou Bureau，EHV，China Southern Power Grid，Guangzhou 510405，China）

The high-voltage oil-filled cables are widely used in the field of the power transmission and distribution，with the stable electrical properties。However，they are easy to be damaged by external force，which could results in a leakage.The possible methods that can be used for the leakage location for the oil-filled cable is analyzed in this paper.Moreover，we have discussed the range of application，both the merit and demerit for each method，and some improving advices for this methods are put forward so as to expand the range of application.The relationship between the pressure drop and the flow is also analyzed，and a new method，pressure-flow ratio is proposed，which apples the statistics concept to the leakage fault location so as to improve the accuracy.Besides，the feasibility of the negative pressure wave used for the fault location for the leakage is also discussed in this paper.

oil-filled cable；leakage；oil pressure；flow；fault location

TM247.3

A

1672-6901（2015）06-0036-05

2015-02-12

黃小衛(wèi)（1985-），男，助理工程師.

作者地址：海南海口市濱海大道103號(hào)財(cái)富廣場(chǎng)14樓BCD［570105］.