探讨110kV及以上电力电缆故障在线监测与定位系统方案

孙黎新 朱孟宗 王硕伟

摘要：常规的电力电缆故障定位设备为离线式，对于一些重要的电缆，需要在发生故障后立即得到故障位置信息以便迅速排除故障，否则会带来巨大间接损失。经过细致研究，结合GPS高精度授时、行波测距以及其他相关技术的最新研究成果，经过反复优化，提出110kV及以上电力电缆故障在线监测解决方案，以实现电力电缆故障的在线监测与定位。

关键词：电缆故障；行波；在线；定位

一、概述

电力电缆发生故障会造成巨大的直接和间接损失，电力部门对电缆故障的预防，以及故障发生后及时的定位和修复都非常重视。

现在常规的电力电缆故障定位设备为离线式，已经比较成熟。在电缆发生故障后，将电缆停运，在电缆的一端施加脉冲高压将故障点击穿形成行波，行波在故障点和近端脉冲电容之间来回反射，脉冲测距仪记录电流（或电压）行波，并根据两次行波之间的时间差来确定故障距离。

对于一些重要的电缆，需要在发生故障后立即得到故障位置信息以便迅速排除故障，否则会带来巨大间接损失。虽存在这样的需求，但由于运行电缆和停运后的独立电缆有着很大的区别，例如在电缆运行中，本条电缆和并联的其他电缆均会产生强烈的行波干扰；发生故障时的电压一般远小于离线设备施加的脉冲高压，产生的行波幅值也小得多；供电侧（近端）的行波反射系数，也较离线测试时附加的脉冲储能电容的反射系数小得多，造成行波很难在故障点和近端之间发生明显的来回反射，综合以上因素，传统的单端行波反射法难以实现在线应用。

对于重要电缆，还有一种很重要的需求，在电缆发生永久性故障之前，往往会发生一系列的瞬时可恢复性故障（瞬时放电，但在下一个电压过零点后电弧熄灭，故障得到恢复），预示着电缆的状态发生劣化，如果能及时给出瞬时性故障的位置并统计瞬时故障发生的时间和次数，将会在一定程度上实现电缆的状态检修，更好的保证供电可靠性。

经过细致研究，结合GPS高精度授时、行波测距以及其他相关技术的最新研究成果，经过反复优化，提出以下解决方案，以期实现电力电缆故障的在线监测与定位。

二、电力电缆在线监测与故障定位系统简介

1.基本原理：

在电缆首末端安装本系统子站，电缆发生故障时，产生行波且向两端传播。两端子站在确定发生故障后，将故障发生时刻及采集到的行波数据通过网络传至主站。主站结合电缆的长度、波速度等数据，可将故障点及时准确地定位。

适用范围：（1）电压等级：110kV及以上；（2）故障类型：相对地故障；（3）故障性质：永久性故障、瞬时性故障

2.功能特点：

（1）提前预警故障隐患；（2）选定故障电缆线路；（3）及时报告故障位置；（4）电缆护层电流检测；（5）防止电缆由于长期带故障运行而发生火灾；（6）能对瞬时性故障做出反应并定位；（7）实现电缆运行状态检修；（8）无漏报和误报。

3.技术参数：

（1）电源输入电压：AC220V ±20% 或DC300V±20%。（2）子站装置功耗：20W。（3）时间同步精度：<50ns。（4）子站采样频率：20MHz。（5）运行环境温度：-20℃～50℃。（6）信号输入电压：AC100V，50Hz。（7）护层电流测量范围：0～1000A。（8）通讯接口：10M以太网，或3G、4G无线通讯。（9）后备电池电压：6V。（10）定位精度：<10m。

4.系统架构：

5.系统主站：

三、电力电缆故障在线监测与定位系统方案

1.需求：

检测电缆为一条110kV电缆，共3条单芯电缆。现需要安装电缆故障在线监测与定位系统，统计故障信息，并且还需要实时监测电缆护层环流，以便于发现护层绝缘破损故障，并实现永久性故障和瞬时性故障的实时在线测距定位。

安装本系统后，根据瞬时性故障的统计信息，以及护层环流装状态，尽可能地实现电缆状态检修，提高供电可靠性；并在电缆发生故障后，将会及时给出故障距离，以利于迅速修复。

2.系统组成：

对于每条电缆线路（三条单芯电缆），本系统需要在线路两端各安装一台子站，1条线路共2台子站。可以选择室内挂墙安装的COT-6100子站，或者组屏安装2U标准插箱的COT-6200子站（需在变电站提供屏位）。

具体安装方案：

供电侧：1台子站安装在供电侧的110kV变电站（称为A站），每台子站需要接相应线路的三相PT输出作为电压信号输入；用3个开合式CT挂在相应线路的三相CT信号输出线上作为护层环流监测CT。

受電侧：1台子站安装在110kv受电侧变电站（称为B站），每台子站需要接相应线路的三相PT输出作为电压信号输入；用3个开合式CT挂在相应线路的三相CT信号输出线上作为护层环流监测CT。

在A/B两侧，均安装一台3G或4G无线路由器，每台子站均接入交换机，再通过无线路由器进入网络与主站建立连接。

在A/B两侧，均需安装一只GPS天线作为精确的时间同步源。

在A/B两侧，均需安装一个天线安装座，用于安装GPS天线和3G /4G天线，应将天线安装座放置于屋顶，以便可靠接收GPS信号。

提供具有大带宽、固定IP的服务器作为本系统的主站数据库服务器和应用服务器，主站软件采用BS结构，任何授权用户均可在任意位置的任意上网计算机上，通过浏览器直接进行访问。