冶金企業(yè)電力電纜在線監(jiān)測及故障測距系統(tǒng)

韓天祥

根據(jù)高壓電纜工作原理，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓電纜屏蔽層電流，預(yù)判斷高壓電纜頭及電纜本體存在的接地隱患。通過在1780高壓系統(tǒng)所做的小規(guī)模試驗(yàn)，可以高壓電纜及電纜頭故障預(yù)判。本項(xiàng)目計(jì)劃對(duì)1780和150t煉鋼系統(tǒng)的35KV、10KV高壓電纜進(jìn)行（除部分10KV連接電纜外）實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控機(jī)器設(shè)在相應(yīng)的值班室，高壓配電室和現(xiàn)場電纜集中區(qū)域設(shè)立遠(yuǎn)程站，通過DP網(wǎng)通訊。理論依據(jù)是利用暫態(tài)行波和穩(wěn)態(tài)分量的分析方法，研究不同故障類型下電纜接地線電磁暫態(tài)信號(hào)以及穩(wěn)態(tài)接地電流，判斷電纜絕緣狀況，同時(shí)利用高頻電流行波測距原理，來定位故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電纜故障點(diǎn)測距。

1 項(xiàng)目概況

冶金企業(yè)電力電纜屬隱蔽設(shè)備，因部分施工單位在施工過程中對(duì)電力設(shè)施保護(hù)意識(shí)比較淡薄，另外外力破壞的隱患一直威脅著電纜線路的安全運(yùn)行，目前在冶金企業(yè)配電系統(tǒng)，所出現(xiàn)的異常中，電纜故障大約占35%，在電纜故障中，屬于外力破壞的約占70%左右。電力電纜出現(xiàn)故障一般分為三種情況：第一種是電纜三相短路，發(fā)生此類故障時(shí)，企業(yè)中斷供電，對(duì)供電可靠性造成較大影響；第二種是電纜兩相短路，出現(xiàn)此種問題也需要中斷供電；第三種是電纜單相接地，發(fā)生此類故障，雖不需要對(duì)企業(yè)中斷用電，但是非故障相對(duì)地電壓升高為線電壓，將對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的絕緣水平造成較大的破壞，特別是絕緣薄弱點(diǎn)，損壞更大。冶金企業(yè)的供電接線形式有其自身特點(diǎn)，所以當(dāng)電纜遭受外力破壞發(fā)生故障時(shí)，故障維修存在一定困難，主要表現(xiàn)在故障點(diǎn)尋找困難、恢復(fù)時(shí)間長、對(duì)作業(yè)環(huán)境要求高、施工難度大、維修費(fèi)用高。

根據(jù)之前案例冶金企業(yè)因電纜著火事故直接導(dǎo)致系統(tǒng)停產(chǎn)情況，對(duì)本維護(hù)范圍區(qū)域進(jìn)行電纜運(yùn)行情況分析，經(jīng)過詳細(xì)的檢查、判斷和分析，最終分析發(fā)現(xiàn)本區(qū)域之前出現(xiàn)過天車滑線接地，造成變壓器中性點(diǎn)偏移導(dǎo)致接地電流增大的生產(chǎn)間高壓電力電纜的在線運(yùn)行監(jiān)測在國內(nèi)由于高電壓、監(jiān)測參數(shù)不明顯、且干擾量因素較多，考慮到設(shè)備投入等經(jīng)濟(jì)因素，并沒有普遍應(yīng)用，但是也不缺乏電纜在線監(jiān)測研究案例。因工業(yè)生產(chǎn)需要用到大量的電力電纜，同時(shí)在不同使用環(huán)境下高壓電力電纜運(yùn)行方式有所差異，這也為電力電纜運(yùn)行監(jiān)測工作帶來了一定困難，需要耗費(fèi)大量的維修時(shí)間。所以工業(yè)生產(chǎn)中若能對(duì)電力電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控且提前發(fā)出預(yù)警信息，更利于快速解除故障隱患，以防更大火災(zāi)事故發(fā)生?？稍谠缙诎l(fā)現(xiàn)高壓電纜故障問題，盡早解決，避免事故擴(kuò)大化。近幾年冶金企業(yè)的高壓電纜出現(xiàn)過兩次重大著火事故，一次是2009年能源中心2#變電站高壓電纜著火事故，另一次是2012年100t轉(zhuǎn)爐高壓電纜著火事故，兩次事故直接經(jīng)濟(jì)損失至少1000萬元，間接經(jīng)濟(jì)損失無法估量。

從著火事故總結(jié)得出，冶金企業(yè)高壓電纜屏蔽層增設(shè)監(jiān)控的十分必要，將全部的三相高壓供配電系統(tǒng)都增設(shè)高壓電纜屏蔽監(jiān)控，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，降低事故發(fā)生概率。

2 監(jiān)測和故障預(yù)警測距系統(tǒng)的運(yùn)用

電纜系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在瞬時(shí)性暫態(tài)故障，電纜系統(tǒng)運(yùn)用在線監(jiān)測系統(tǒng)功能，運(yùn)行暫態(tài)行波技術(shù)，采用電纜瞬時(shí)性暫態(tài)故障的行波特征對(duì)電纜的絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)電纜故障預(yù)警；同時(shí)利用行波測距技術(shù)、行波選線技術(shù)進(jìn)行電纜故障定位及選線，實(shí)現(xiàn)電力電纜的在線監(jiān)測。

本文介紹了冶金企業(yè)的電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理、關(guān)鍵技術(shù)以及系統(tǒng)構(gòu)成，并且列舉了電力電纜在線監(jiān)測的典型監(jiān)測方案。

在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分包括：硬件電路、系統(tǒng)云端服務(wù)、傳感器調(diào)節(jié)電路、系統(tǒng)電源、無線數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)現(xiàn)場主站及各監(jiān)測裝置。硬件電路包括數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、管理模塊、電流泄漏傳感器、電源變換模塊、溫濕度傳感器。

2.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

主站系統(tǒng)采用基于B/S方式的系統(tǒng)管理軟件，采用局域網(wǎng)方式與監(jiān)測終端通訊。系統(tǒng)還附帶云端訪問功能，通過任意一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)主機(jī)，即可訪問電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況，設(shè)備運(yùn)行情況以及告警情況等。

監(jiān)測中心軟件是整個(gè)供電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的核心，具備數(shù)據(jù)傳輸、處理、分析功能，實(shí)時(shí)接收由各監(jiān)控裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理，進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)或顯示；而且它也接收各個(gè)操作裝置發(fā)送過來的監(jiān)測、控制等各種指令，并把這些指令轉(zhuǎn)發(fā)給指定的監(jiān)測裝置。

本系統(tǒng)架構(gòu)于JBoss ESB基礎(chǔ)之上，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性得到了極大的保證。本系統(tǒng)采用Java語言開發(fā)，保證了系統(tǒng)的跨平臺(tái)性，即在windows，linux或者Unix操作系統(tǒng)上面均可以無縫運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和擴(kuò)展提供了極大的便利和保障。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)，從軟件體系架構(gòu)和硬件服務(wù)器架構(gòu)兩個(gè)方面充分考慮了未來的可擴(kuò)展性，在橫向和縱向兩個(gè)維度都可以方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的延展。

值班人員可在監(jiān)控中心或通過遠(yuǎn)程訪問的方式，直觀的查看各條電纜線路運(yùn)行情況，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警提示。方便了工作人員對(duì)電力電纜日常的監(jiān)測和維護(hù)，并且系統(tǒng)自動(dòng)保留原始數(shù)據(jù)以便以后的利用。電力電纜狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用將減少工作人員親自與運(yùn)行電纜近距離接觸的機(jī)會(huì)，提高安全可靠性。查看該條線纜選中時(shí)間段監(jiān)測到的波形信息，根據(jù)相關(guān)的波形信息，可分析出該線纜目前的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

2.2 工作原理

將高壓電纜屏蔽層一端接地，在高壓電纜屏蔽層接地端加裝一臺(tái)50：5的電流互感器，電流互感器輸出的AC0-5A信號(hào)進(jìn)入電流轉(zhuǎn)換器，電流轉(zhuǎn)換器輸出的DC4-20mA信號(hào)進(jìn)入PLC模擬量輸入模塊，通過西門子S7編程軟件編制監(jiān)控、報(bào)警程序，使用INTOCH軟件制作畫面監(jiān)控、畫面報(bào)警，同時(shí)通過編制程序和安裝聲光報(bào)警器實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警。

因1780系統(tǒng)35KV高壓電纜、150t系統(tǒng)35KV高壓電纜、120t系統(tǒng)35KV高壓電纜監(jiān)控畫面和編制的程序基本一致，因此只列出150tSVC系統(tǒng)35KV高壓電纜屏蔽層電流監(jiān)控的畫面和程序。

在35KV單芯電纜供電回路中，電纜屏蔽層無論是單端接地還是雙端接地還是一端接地一端接保護(hù)器，也就是說必定有一個(gè)接地點(diǎn)，當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，故障點(diǎn)電流一部分流經(jīng)屏蔽層接地點(diǎn)構(gòu)成回路。本方案通過在屏蔽層接地處加裝一零序電流互感器檢測屏蔽層中工頻容性電流幅值的變化，作為接地故障判斷依據(jù)，同時(shí)結(jié)合PLC編程技術(shù)，在CPU中存儲(chǔ)邏輯判斷程序，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，通過人機(jī)界面顯示接地回路提醒運(yùn)行人員及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，快速判斷并切除故障回路。關(guān)于150t10KV電纜頭在線監(jiān)控實(shí)施，利用屏蔽層電流檢測手段結(jié)合成熟的PLC技術(shù)針對(duì)150t外圍高壓電纜實(shí)施在線監(jiān)控，該方案主要涉及三個(gè)區(qū)域，包括150t轉(zhuǎn)爐變壓器區(qū)域、150t連鑄變壓器區(qū)域以及150t一次除塵區(qū)域。每條回路均采用兩端檢測方式，即電源側(cè)和設(shè)備側(cè)電纜頭屏蔽層引出線分別加裝采樣電流互感器，遠(yuǎn)端設(shè)備側(cè)通過設(shè)置遠(yuǎn)程站利用光纖將電流數(shù)據(jù)傳輸至150t高壓室總站。該方案的實(shí)施能夠及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)電纜隱患，發(fā)出預(yù)警，通知運(yùn)行人員采取應(yīng)對(duì)措施，從而提前避免電氣事故的發(fā)生。

電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)利用瞬時(shí)性暫態(tài)故障自熄滅的特點(diǎn)，以及行波選線、測距原理，根據(jù)電纜瞬時(shí)性接地后的絕緣狀態(tài)更接近于永久故障的現(xiàn)象，對(duì)電纜的絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)電纜故障進(jìn)行預(yù)警，并且同時(shí)完成選線、測距功能。

在每條電纜接地金屬屏蔽層上安裝一個(gè)高頻傳感器，將電纜在發(fā)生故障前的微弱的暫態(tài)電流信號(hào)進(jìn)行采集，并且傳輸?shù)叫胁娏鞑杉瘑卧?，通過采集單元信號(hào)處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息上傳至系統(tǒng)上位機(jī)，系統(tǒng)軟件經(jīng)特有算法，分析電纜主絕緣狀況，分級(jí)預(yù)警電纜故障，選擇故障線路。同時(shí)系統(tǒng)采集被監(jiān)測電纜母線PT，通過超高頻電壓信號(hào)采集單元采集Ua、Ub、Uc、UL電壓行波信號(hào)，用于判定故障相，計(jì)算電纜故障距離。該系統(tǒng)融合先進(jìn)的數(shù)字化傳感器技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、云計(jì)算為一體，能夠適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境，為正在運(yùn)行中的電力電纜保駕護(hù)航。監(jiān)測系統(tǒng)利用云服務(wù)功能將電纜故障預(yù)警信息上傳至多用戶云空間，設(shè)備管理人員可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以讓相關(guān)負(fù)責(zé)人實(shí)時(shí)了解變電站內(nèi)電纜運(yùn)行狀況信息，確定電纜運(yùn)行狀態(tài)，做到故障前的實(shí)時(shí)預(yù)警、選線和測距，從而實(shí)現(xiàn)電纜的狀態(tài)檢修。提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

冶金企業(yè)電網(wǎng)中的電力電纜，大多采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，電力電纜分為單芯電纜和三芯電纜。

電纜線路使時(shí)伴隨發(fā)生瞬時(shí)性故障，此刻會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的電壓行波和電流行波與永久性故障。我們知道，行波由故障點(diǎn)向線路兩端傳播，當(dāng)傳播到線路首端或末端時(shí)會(huì)發(fā)生折反射。我們需要在雙端測距法適合線路和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的架空線的電纜混合線路以及精確度需要極高，而且需要安裝的設(shè)備有2臺(tái)測距裝置。單端測距法的原理相對(duì)簡單，只需要在合適位置安裝1臺(tái)裝置，且不需要在線路上裝設(shè)通信通道，投資小，并且有時(shí)候配電線路末端不具備安裝檢測裝置的條件，此時(shí)可用單端法進(jìn)行測距。

實(shí)際配電網(wǎng)中分支線眾多，在分支中或?qū)⒋嬖谥罅康牟ㄗ杩範(fàn)畹牟贿B續(xù)點(diǎn)。當(dāng)判斷線路會(huì)發(fā)生故障時(shí)，故障行波會(huì)有較為復(fù)雜的折射和反射，使測量到的行波波形十分復(fù)雜，難以識(shí)別，因此需要對(duì)每一條分支線分別裝設(shè)行波測距裝置。

當(dāng)過電壓引起絕緣擊穿放電時(shí)，造成運(yùn)行電纜的瞬間燃弧，故障電弧使水氣蒸發(fā)烘干，電弧熄滅后絕緣又恢復(fù)到能夠耐受正常運(yùn)行電壓的水平。通過特高頻技術(shù)我們發(fā)現(xiàn)由水樹枝造成的“可恢復(fù)故障”引起的電纜擊穿放電量在十幾到幾十微米數(shù)量級(jí)，持續(xù)時(shí)間小于2ms，并且其產(chǎn)生的瞬時(shí)電磁暫態(tài)信號(hào)的強(qiáng)度和波形形態(tài)明顯區(qū)別于局部放電(據(jù)資料顯示對(duì)于普通的局部放電局放量在5pC～20pC以內(nèi)，持續(xù)時(shí)間3ms～5ms?；螂娋W(wǎng)擾動(dòng)產(chǎn)生的電磁暫態(tài)信號(hào)。

經(jīng)過分析，綜保裝置在電纜頭監(jiān)控方案中沒有較適合的功能利用，原因如下：

（1）150t10KV供電系統(tǒng)主變壓器中性點(diǎn)經(jīng)電阻柜接地，如系統(tǒng)發(fā)生單相接地，接地電流較大，綜保裝置已開通零序保護(hù)跳閘功能，保護(hù)裝置零序電流端子已經(jīng)接入，因此電纜頭監(jiān)控屏蔽層電流無接入位置。

（2）監(jiān)控用的電流互感器采用KXT10-50A（孔徑22mm）電流互感器，這種電流互感器可以直接輸出DC4-20mA的信號(hào)，無需加裝電流變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)可節(jié)省資金900元左右。而綜保裝置只接受0A～5A的電流信號(hào)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

高壓電纜屏蔽層通常需要進(jìn)行接地處理，設(shè)置高壓電纜屏蔽層的目的是平衡三相交流電中所出現(xiàn)的不平衡電流，或達(dá)到電纜運(yùn)行過程中單相接地故障短路電流需求，有效保護(hù)工業(yè)生產(chǎn)用高壓電力電纜遭受非平衡磁場下的電動(dòng)力影響。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)電纜終端的應(yīng)力區(qū)，更易造成損傷，導(dǎo)致電氣絕緣受損，縮短電纜終端使用壽命。系統(tǒng)采用高頻傳感器采集獲取電纜接地線暫態(tài)電流信號(hào)。傳感器安裝在電纜屏蔽層接地線處，要求傳感器前屏蔽層接地線做好絕緣處理。傳感器與采集單元間通過多芯屏蔽線連接。

按照高壓供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，三相四線制的系統(tǒng)中需要增加零序電流監(jiān)控、保護(hù)，零序電流只應(yīng)用于三相四線制的電路中，但在實(shí)際應(yīng)用的高壓供配電系統(tǒng)中存在很多三相電路，往往我們會(huì)忽視這一部分電路中外部原因造成的漏電電流及系統(tǒng)本身不平衡電流的監(jiān)控，這兩種電流較小時(shí)對(duì)電纜不會(huì)產(chǎn)生大的危害，一旦超過一定的數(shù)值，將會(huì)對(duì)整條高壓電纜產(chǎn)生破壞性的影響，燃燒后將會(huì)引燃附近的高壓電纜，對(duì)于整個(gè)供配電系統(tǒng)都是一個(gè)不小的危害。

高壓電纜屏蔽層一般情況下的作用主要是平衡三相交流電中所產(chǎn)生的不平衡電流，及滿足電纜運(yùn)行時(shí)單相接地故障短路電流要求，保護(hù)運(yùn)行中的高壓電纜免受變化的非平衡磁場下的電動(dòng)力的作用，致使電力電纜終端長期處于由電動(dòng)力所造成機(jī)械力的作用，尤其是對(duì)于電纜終端的應(yīng)力區(qū)，更易造成損傷，導(dǎo)致電氣絕緣受損，縮短電纜終端使用壽命。

按照高壓供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，三相四線制的系統(tǒng)中需要增加零序電流監(jiān)控、保護(hù)，零序電流只應(yīng)用于三相四線制的電路中，但在實(shí)際應(yīng)用的高壓供配電系統(tǒng)中存在很多三相電路，往往我們會(huì)忽視這一部分電路中外部原因造成的漏電電流及系統(tǒng)本身不平衡電流的監(jiān)控，這兩種電流較小時(shí)對(duì)電纜不會(huì)產(chǎn)生大的危害，一旦超過一定的數(shù)值，將會(huì)對(duì)整條高壓電纜產(chǎn)生破壞性的影響，燃燒后將會(huì)引燃附近的高壓電纜，對(duì)于整個(gè)供配電系統(tǒng)都是一個(gè)不小的危害。

此項(xiàng)工作可有效地對(duì)高壓電纜屏蔽層中的電流進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決問題，可大大的減小此類事故發(fā)生后的經(jīng)濟(jì)損失。

此項(xiàng)工作可有效地對(duì)高壓電纜屏蔽層中的電流進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決問題，可大大的減小此類事故發(fā)生后的經(jīng)濟(jì)損失。

研究高頻傳感器在高壓電纜電磁暫態(tài)信號(hào)采集方面的應(yīng)用、分析不同故障類型下放電現(xiàn)象，同時(shí)監(jiān)測電纜金屬護(hù)層的穩(wěn)態(tài)接地電流及其變化量，研究電纜運(yùn)行過程的暫態(tài)行波和穩(wěn)態(tài)分量，預(yù)測電纜絕緣狀況，學(xué)習(xí)行波測距原理驗(yàn)證電纜故障點(diǎn)測距的可行性，完成電力電纜在線監(jiān)測裝置的上線運(yùn)行。

系統(tǒng)采用高頻傳感器采集獲取電纜接地線暫態(tài)電流信號(hào)。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）高頻電流信號(hào)采集傳感器：100K～5MHz帶寬。

（2）輸出阻抗：50Ω。

（3）運(yùn)行環(huán)境溫度：-40℃～+70℃。

路由器：

使用的路由器通過MAC地址以及域名等多種數(shù)據(jù)，支持SSID廣播控制，支持基于MAC地址的訪問控制，過濾以實(shí)施訪問的安全策略。

技術(shù)指標(biāo)：

（1）通訊網(wǎng)絡(luò)：4G全網(wǎng)通。

（2）輸入電壓：220V±20%。

3 結(jié)語

預(yù)計(jì)對(duì)150t、1780系統(tǒng)所有10KV的高壓電纜屏蔽層完成監(jiān)控的安裝，因150t10KV高壓電纜全部為三芯電纜，三芯電纜幾乎全部采用雙端接地，此次計(jì)劃監(jiān)控高壓電纜兩端屏蔽層電流，為節(jié)省費(fèi)用電流互感器使用武漢科信和電子有限公司生產(chǎn)的KXT10-50A（孔徑22mm）電流互感器，該種電流互感器可直接輸出DC4-20mA信號(hào)，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)可節(jié)省資金900元左右。監(jiān)控需要在冶金轉(zhuǎn)爐變壓器室、150t連鑄變壓器室、150t綜合除塵配電室設(shè)置三個(gè)遠(yuǎn)程站，遠(yuǎn)程站之間使用光纖收發(fā)器通訊。值班人員可在監(jiān)控中心或通過遠(yuǎn)程訪問的方式，直觀的查看各條電纜線路運(yùn)行情況，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警提示。方便了工作人員對(duì)電力電纜日常的監(jiān)測和維護(hù)，并且系統(tǒng)自動(dòng)保留原始數(shù)據(jù)以便以后的利用。電力電纜狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用將減少工作人員親自與運(yùn)行電纜近距離接觸的機(jī)會(huì)，提高安全可靠性。