劉泊辰，張衛(wèi)東，高盛，劉冰，高原

（國(guó)網(wǎng)淄博供電公司，山東 淄博 255000）

0 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下，電力工業(yè)也面臨著深化改革和快速發(fā)展的艱巨任務(wù)，國(guó)家電網(wǎng)必須加快電力工業(yè)的智能化發(fā)展，提高電力利用效率和配網(wǎng)電力電纜的安全性和可靠性。電力電纜作為電力傳輸?shù)闹饕ǖ?，相比于傳統(tǒng)的高空架設(shè)線路，電力電纜常埋于地下，在空間方面不受地面和建筑物的影響，在外部環(huán)境方面不受風(fēng)吹、日曬等惡劣天氣因素的影響，具有安全、隱蔽、耐用等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用非常廣泛，尤其是在城市化快速發(fā)展的今天，電力電纜的覆蓋面積不斷擴(kuò)大。配網(wǎng)電力電纜雖然具有很多優(yōu)勢(shì)，但是長(zhǎng)期埋于地下處在潮濕環(huán)境當(dāng)中，容易受到腐蝕，影響電力電纜的絕緣性，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維護(hù)，將會(huì)造成嚴(yán)重故障，因此，配網(wǎng)電力電纜故障探測(cè)和定位技術(shù)就成為了電力工作者所關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

1 配網(wǎng)電力電纜故障原因的評(píng)價(jià)

在城市建設(shè)過程中，由于土地資源的稀缺，傳統(tǒng)的架空線路已經(jīng)嚴(yán)重影響城市的規(guī)劃和發(fā)展，逐步使用地下電纜線路替代傳統(tǒng)架空線路。因此，配網(wǎng)電力電纜在城市電力基礎(chǔ)設(shè)施中具有重要地位，配網(wǎng)電力電纜的質(zhì)量，將直接決定著城市生產(chǎn)、生活用電的安全性和穩(wěn)定性。隨著電纜技術(shù)的發(fā)展，承受電壓等級(jí)也由低到高逐漸得到突破，絕緣材料也由天然橡膠，轉(zhuǎn)化為油浸紙絕緣、氣體絕緣、合成橡膠、聚氯乙烯、交聯(lián)聚乙烯等新型材料，但是，由于電力電纜常深埋于地下，日常維護(hù)和檢修工作存在諸多不便，因此，在對(duì)配網(wǎng)電力電纜維護(hù)管理過程中，需要對(duì)其故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析，制定針對(duì)性的維護(hù)措施。實(shí)踐調(diào)查得知，配網(wǎng)電力電纜故障根據(jù)其故障產(chǎn)生的原因，主要分為本體故障和外體故障兩個(gè)方面，（故障類別如圖1所示：）下文對(duì)配網(wǎng)電纜故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行具體分析：

1.1 電纜本體故障

圖1 配網(wǎng)電纜故障類別Fig. 1 Fault category of distribution network cable

電力電纜本體故障包括：制作工藝問題和材料缺陷，而導(dǎo)致的電纜過熱和過電壓等問題。由于電纜在傳輸電能的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這種熱量會(huì)隨著電流的增加而升高，如果電纜在設(shè)計(jì)過程中電阻不符合要求，超出核定負(fù)荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。當(dāng)傳輸電能所使用的電力電纜選擇不當(dāng)，導(dǎo)體截面過小，就會(huì)在運(yùn)行中產(chǎn)生過載現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間在過載狀態(tài)下運(yùn)行可能導(dǎo)致電纜集中發(fā)熱，一旦散熱不均勻同樣會(huì)造成發(fā)熱現(xiàn)象[1]。在配網(wǎng)電力電纜安裝過程中，如果通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理，電纜安裝過于集中，或者靠近其他熱源，在長(zhǎng)期使用過程中也會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)散熱效果不好，產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。此外，如果配網(wǎng)電力電纜制造工藝存在缺陷，電力電纜壓接不緊密，會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)的電阻過大，在相同的電流情況下，電力電纜阻值較大的部位，所產(chǎn)生的電壓就越高，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)出的熱量不斷增大，從而產(chǎn)生故障隱患，影響電纜的正常運(yùn)作。

1.2 電纜外體故障

配網(wǎng)電纜的外體故障，主要包括：環(huán)境因素影響和敷設(shè)施工過程中造成的機(jī)械損傷。由于長(zhǎng)期處在地下潮濕環(huán)境當(dāng)中，一旦受潮電纜的絕緣設(shè)施很容易受到腐蝕的滲透，保護(hù)層受到腐蝕導(dǎo)致電纜絕緣老化或者受潮，性能受損，影響電力電纜承受電壓等級(jí)和載流量，出現(xiàn)電纜故障。由于受到敷設(shè)施工工藝的影響，在敷設(shè)電纜過程中造成電纜外皮機(jī)械損傷，長(zhǎng)期使用過程中，防水和絕緣性能下降，再加上一些電纜材料自身的材料缺陷，在外力作用下導(dǎo)致電纜斷裂等現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)這類故障，很容易導(dǎo)致電力電纜短路，影響電力傳輸?shù)陌踩院涂煽啃訹2]。

2 配網(wǎng)電纜故障診斷與定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

配網(wǎng)電纜作為電能主要輸電線路，主要分為地下輸電線路、水下輸電線路以及空氣中輸電線路三種類型，由電纜線路路徑、電纜本體、電纜附件、接地系統(tǒng)和在線監(jiān)控設(shè)備組成。其中監(jiān)控設(shè)備主要負(fù)責(zé)對(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于電纜處于不間斷工作狀態(tài)，電纜故障可能出現(xiàn)在線路施工、調(diào)試、維護(hù)等任何階段，除了少量的電纜故障出現(xiàn)在施工、調(diào)試階段外，更多的電纜故障出現(xiàn)在維護(hù)運(yùn)行期間。配網(wǎng)電力電纜在長(zhǎng)期使用過程中，絕緣老化等問題會(huì)逐漸顯現(xiàn)，一旦造成配網(wǎng)電力電纜故障會(huì)給用戶帶來極大的困擾，這就要求電力企業(yè)必須熟練的掌握電纜檢測(cè)方法。對(duì)于配網(wǎng)電纜故障的檢測(cè)，首先，需要探測(cè)電力電纜敷設(shè)路徑，對(duì)于多條電纜同時(shí)敷設(shè)的電纜溝，還需要將故障電纜從多條電纜中區(qū)分出來。目前。在電纜故障檢測(cè)中，多數(shù)采用高壓檢測(cè)和低壓檢測(cè)兩種方法，其中高壓檢測(cè)適用于低阻、斷路、高阻等各種情況的電纜故障，低壓檢測(cè)方式適用于低阻、斷路情況，因此在實(shí)際檢測(cè)中多數(shù)采用高壓檢測(cè)方法，從而提高電纜故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性[3]。

2.1 故障診斷技術(shù)

本文主要研究紅外熱成像技術(shù)（TIS）在配網(wǎng)電力電纜故障診斷過程中的應(yīng)用，該技術(shù)借助紅外輻射探測(cè)技術(shù)能夠快速、有效的通過非接觸的方式獲取配網(wǎng)電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)信息，波長(zhǎng)為0.75μm到1000μm，具有抗干擾性能強(qiáng)和高可靠性等特點(diǎn)，突破人類視覺障礙，使人們可以直觀獲取物體表面的運(yùn)行狀態(tài)。因此，在電力行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。基于TIS技術(shù)的紅外輻射探測(cè)儀，縮小了單點(diǎn)紅外測(cè)溫儀與熱像儀之間的差距[4-5]。由于搭載了微型紅外傳感器，該設(shè)備可以通過掃描配網(wǎng)電纜表面，然后快速探測(cè)其運(yùn)行的熱量，拍攝出熱度場(chǎng)分布圖像，然后經(jīng)二次處理得到溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)分布圖，建立傳熱數(shù)學(xué)模型，根據(jù)配網(wǎng)電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能參數(shù)，環(huán)境溫度進(jìn)行故障診斷，從而準(zhǔn)確定位測(cè)量點(diǎn)[6-7]。如圖2所示：

圖2 紅外成像技術(shù)過程Fig. 2 Infrared imaging technology process

常見的電纜故障分為：開路故障、低阻故障以及高阻故障三種類型，其中開路故障通常是指電纜間或電纜對(duì)地的電阻值在規(guī)定值范圍內(nèi)，但實(shí)際工作電壓無法向終端傳輸或電壓傳輸沒有負(fù)載能力，這些都屬于開路故障，同時(shí)也是最為常見的一種故障類型。當(dāng)電纜與電纜間的絕緣有損壞現(xiàn)象或電纜對(duì)地的絕緣有損壞現(xiàn)象時(shí)，電纜絕緣電阻必然會(huì)減小，在電纜絕緣電阻小于電纜特性阻抗時(shí)，稱之為低阻故障。當(dāng)電纜間或電纜對(duì)地的絕緣電阻小于正常值，但比電纜特性阻抗大時(shí)，稱之為高阻故障。由此可見，配網(wǎng)電纜故障主要是根據(jù)故障電阻值的大小來確定，而故障電阻值又直接影響著發(fā)熱功率，進(jìn)而影響著紅外輻射探測(cè)儀器的探測(cè)精度。當(dāng)配網(wǎng)電纜發(fā)生故障時(shí)，紅外輻射探測(cè)技術(shù)能夠輕松探測(cè)到故障部位出現(xiàn)的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，即刻排除故障，并存儲(chǔ)圖像和數(shù)據(jù)，生成故障報(bào)告并提交給用戶。

2.2 故障定位技術(shù)

配網(wǎng)電纜故障探測(cè)診斷過程，需要經(jīng)過故障類型的診斷、故障點(diǎn)測(cè)距、精確定點(diǎn)三個(gè)主要步驟。故障類型診斷主要是確定電纜故障點(diǎn)的故障相別，屬于高阻接地或者低阻接地，以便于檢修人員選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法。故障點(diǎn)測(cè)距也叫預(yù)定位，故障電纜芯線上施加測(cè)試信號(hào)或者在線測(cè)量、分析故障信息，初步確定故障的距離，盡量縮小故障范圍，以方便精確定點(diǎn)的進(jìn)行[8]。配網(wǎng)電力電纜故障定位儀器主要采用低壓脈沖、沖擊高壓電流以及多次脈沖的測(cè)試方法，具有接收靈敏度高、靜態(tài)漂移小、抗干擾能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、工作穩(wěn)定、交直流兩用等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的電纜故障定位儀器主要由：主機(jī)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、感應(yīng)式探頭、電位差式探測(cè)架等組成。其中，主機(jī)具有液晶數(shù)字顯示屏以及觸摸控制功能，具體工作參數(shù)如表1所示：

表1 電纜故障定位儀器工作參數(shù)Tab 1 Cable fault location instrument working parameters

主屏顯示器具有觸摸控制功能，全電腦操作平臺(tái)集成化軟件，徹底實(shí)現(xiàn)了智能化控制。電纜故障定位儀器采用最新的USB通信接口，采集信號(hào)穩(wěn)定，主機(jī)可自動(dòng)選擇最低6MHz、最高達(dá)48MHz四種采樣頻率，能滿足電壓等級(jí)下的配網(wǎng)電力電纜故障探測(cè)要求，并且具有較高的探測(cè)精度。同時(shí)，該電纜故障定位儀的軟件可以進(jìn)行故障自動(dòng)搜索，方便管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，雙游標(biāo)移動(dòng)可精確到0.15m，波形可任意壓縮、擴(kuò)展重疊，同屏隨機(jī)顯示多個(gè)更接近標(biāo)準(zhǔn)波形的低壓脈沖波形供您選擇疊加位，最大限度的提升故障探測(cè)精度，減少誤差。此外，電纜故障定位儀器還具有聲磁同步凈噪精確定點(diǎn)功能，直接采用數(shù)字顯示故障點(diǎn)距離，具有故障點(diǎn)定位準(zhǔn)確、時(shí)效性好等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備具有高端采樣器，取代了繁瑣的現(xiàn)場(chǎng)接線步驟，先進(jìn)的主機(jī)脈沖電源電路，使得波形更加直觀和分析判斷。該電纜故障定位儀還可測(cè)試各種不同電壓等級(jí)、不同截面、不同介質(zhì)及各種材質(zhì)的電纜故障，包括：開路、短路、低阻、高阻泄漏、高阻閃絡(luò)性故障，從而滿足不同電纜運(yùn)行環(huán)境的定位監(jiān)測(cè)，提高電纜故障檢測(cè)的適用性和可靠性[9]。

3 結(jié)論

綜上所述，在智能化電網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下，智能電纜故障測(cè)試儀是迎合工業(yè)級(jí)電力行業(yè)方案以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的需要，突破傳統(tǒng)電纜故障測(cè)試方法的局限性，采用工控嵌入式計(jì)算機(jī)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信、USB傳輸技術(shù)等進(jìn)行整合，極大提高了儀器的使用功能和利用價(jià)值。特別是在城市化快速擴(kuò)展的過程中，對(duì)于日益增多的地埋電纜故障，提供了一套多方案電纜故障檢修服務(wù)方式，從而有效提升電力電纜運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，增加電力企業(yè)管理的經(jīng)濟(jì)效益。