高压电缆接头在线监测系统的综合预警机制

高压电缆接头在线监测系统的综合预警机制
窦巍;钱俊波;韩叶祥
【摘要】高压电缆接头的在线监测系统主要采用局部放电、护套电流、温度等状况检测,各有不同的故障评估方法,但都受到负荷变化的影响,三相之间的平衡状态也需要一并考量,不同状态量彼此之间也存在一定的相关性.因此提出了阈值预警、负荷比预警、三相平衡预警、趋势预警、综合预警等不同层次和种类的预警方法,完善高压电缆接头在线监测系统的预警机制.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2018(035)011
【总页数】4页(P237-240)
【关键词】高压电缆接头;局部放电;护套电流;接头温度;综合预警
【作者】窦巍;钱俊波;韩叶祥
【作者单位】西宁供电公司,甘肃西宁 810000;苏州光格设备有限公司,江苏苏州215123;苏州光格设备有限公司,江苏苏州 215123
【正文语种】中文
0 引言
高压电缆接头由于制造工艺、施工安装质量、敷设环境等因素的影响，容易出现诸多绝缘缺陷，是整个线缆设备的薄弱之处。

据国家电网公司统计，70%以上的电力电缆运行故障是由于电缆附件缺陷引起的，其中最主要的就是电缆接头故障。

因
此对电缆接头的状态监测和故障预警具有重要的作用。

目前业内主要采用局部放电、金属护层接地电流、温度等检测技术来测量电缆接头的绝缘状况，各自具有不同的故障评估方法，但相对独立，缺少综合考量和预警评判。

1 电缆接头监测的关键技术[1,2,3]
1.1 局部放电
局部放电是指发生在电力设备绝缘层但尚未击穿的高频放电，是绝缘层缺陷在强电场作用下发生的反复放电，长期运行将产生累积效应，导致电缆绝缘层的介电性能恶化，最终导致整个绝缘层的击穿，造成严重的后果。

因此局部放电是衡量电力电缆运行健康与否的重要指标。

对于高压电缆接头而言，一般使用高频电流互感器(HFCT, High Frequency Current Transformer)卡在接头的接地线上，通过电磁
感应高频脉冲电流信号，间接获得局部放电的脉冲信号。

图1 电缆中间接头高频局放检测原理
1.2 接地环流、感应电压
金属屏蔽层接地电流，可以直接反映电缆主绝缘老化过程中电容量的变化，是判断绝缘老化的重要依据。

通过对接地电流或电压(保护接地的情况下)的在线监测，可以得到其变化趋势，实时掌握主绝缘的老化状况。

接地电流或电压的监测相对比较简单，一般使用低频电流互感器或电压互感器安装在接地线上，如图 2。

图2 高压电缆接头直接接地电流(左)和保护接地电压(右)检测原理
1.3 接头温度
电缆绝缘缺陷导致绝缘水平不断下降，泄露电流随之增大，温度升高。

电缆中间接头接触电阻增大时，温度不断升高，加剧绝缘老化，不断恶化。

把测温传感器固定在电缆外护套上来检测电缆接头温度，可实现对电缆接头表面运行温度24 h不间断连续在线监测。

通过对高压电缆本体护层温度的统计分析，可全面掌握其工作状况，及时了解电缆护层的老化情况，并在接头温度急剧升高达到极限温度时，发出
报警信号提醒有关人员紧急处理。

温度作为常用的检测参量，传感技术相对比较成熟，针对电缆接头类的点式测温，一般使用接触式传感器如数字式温度传感器DS18B20、K型热电偶等。

1.4 本体电流
电缆本体电流监测虽然不属于电缆接头状态监测，但可以反映负荷的变化情况，间接影响接头局部放电、接地电流/电压、温度等参量的监测值，所以在预警评估时可作借鉴。

其监测原理如图3所示。

图3 高压电缆本体电流检测原理
2 电缆接头监测对象的相关特性
2.1 负荷影响
有实验表明，不同负荷下电缆局部放电的测量结果明显不同，放电频次随负荷的增长而增加，放电幅值也呈不同程度的增大[4] 。

这一结论在实际工程应用中也得到了进一步验证，图4和图 5所示为某220 kV电缆接头在2018年4月1日至4月5日几天的放电趋势图，可以发现每天在约18:50～22:20期间放电频次和放电量幅值都会变大，而该时间段正好是日常下班后的用电高峰期，电缆的负荷相对较大。

同样地随着负荷的增大，电缆接头的温度和接地电流也会变大，在评判这些参量的变化趋势时，应当充分考虑负荷的变化因素，以免误报预警。

2.2 三相平衡状态和局部放电的非一致性
理论上由于三相电缆的对称性，三相接头的温度和接地电流/电压应当相等。

实际工程中由于环境和施工工艺等影响，不可能绝对相等，但正常情况下差异不大。

只是当护层绝缘出现缺陷，三相电缆金属护层的感应点式就会出现不平衡，进而产生较大的环流和局部过热。

因此，比较三相温度和接地环流/电压之间的平衡度，可以反映电缆绝缘外护套的异常状态。

而局部放电由于形成的原因不同，三相之间反而不会一致，如果三相均出现类似的放电情况，原因往往是同源的空间干扰放电所致(当然也不排除接地线路之间的电气交叉传导原因，传感器布置时需要注意)。

图4 局部放电随负荷变化的放电频次趋势图
图5 局部放电随负荷变化的放电量趋势图
3 预警机制
准确及时的故障预警是高压电缆接头在线监测系统最重要的功能目标所在，对各个监测点的局部放电、接地环流/电压、温度等关键测量参量的阈值预警是不够全面的，有必要综合考虑各种关联因素，分不同机制给出不同类型和等级的预警，制定相应的应对措施。

3.1 阈值预警
阈值预警比较简单，只需设定各个参量的阈值，当达到时触发告警，灵敏度很高，相对于温度、电流/电压等直观的测量参量来说非常适用，但对于局部放电等复杂间接的参量就过于简单。

一般只作最基本的预警，使电力运检人员得到初步的提醒和关注。

电缆接头相关阈值预警包括以表1中几类(表中Th为相关参量的预警阈值)。

3.2 负荷比预警
负荷比预警是考虑到负荷对电缆接头局部放电、温度、接地电流/电压等参量的影响而定，但局部放电和温度与负荷之间的关系尚不能定量明确，需要根据实际现场的情况作出粗略的评估。

局部放电负荷影响评估的方法是：取得本体电流的额定值IL和高峰值IH，以及相应模拟局部放电信号的放电量QL和QH、放电频次NL和NH，则得到放电量相对负荷变化率为：
kQ=(QH-QL)/(IH-IL)
(1)
表1 阈值预警检测对象预警类型预警公式说明局部放电放电量阈值预警Q≥ThQ 为放电量,单位pC放电频次阈值预警N≥ThN为放电频次,单位pps放电相似度阈值预警U≥ThU为局放相似度,单位%接头温度温度阈值预警T≥ThT为接头温度,单位℃温升阈值预警dT≥ThdT为接头温升,单位℃护套环流电流阈值预警Is≥ThIs 为接地电流,单位A护套电压电压阈值预警Us≥ThUs为接地电压,单位V
放电频次相对负荷变化率为：
kN=(NH-NL)/(IH-IL)
(2)
温度则按同样的方法取得温度相对负荷变化率：
kT=(TH-TL)/(IH-IL)
(3)
接地电流与负荷之间存在比较直接的关联，按照相关标准[5]直接使用负荷比值来计算。

负荷比预警包括表2中的几类。

表2 负荷比预警检测对象预警类型预警公式说明局部放电放电量负荷比预警Q-kQ(I-IL)≥ThkQ为放电量相对负荷变化率,I和IL分别为当前和额定本体电流值放电频次负荷比预警N-kN(I-IL)≥ThkN为放电频次相对负荷变化率接头温度温度负荷比预警T- kT(I-IL)≥ThkT为温度相对负荷变化率护套环流电流负荷比预警
Is/I≥ThIs为接地电流,I为本体电流
3.3 三相平衡预警
三相平衡预警是针对三相线缆之间接地电流/电压、温度差异过大而反映的异常告警。

评估数值之间的差异可以用差值、极差、方差、标准差等很多方式，文献[5] 使用峰值相比的方法，比较简单，如表 3所示。

表3 三相平衡预警检测对象预警类型预警公式说明接头温度温度三相平衡预警TMax/TMin≥ThTMax和TMin分别为三相中最大和最小的温度护套环流电流三
相平衡预警IMax/IMin≥ThIMax和IMin分别为三相中最大和最小的护套电流护
套电压电压三相平衡预警UMax/UMin≥ThUMax和UMin分别为三相中最大和
最小的护套电压
另外对于局部放电三相之间对称情况，如果排除三相信号源电气传导的因素，可以视作同源的空间干扰所致，应当防止误报。

判断局部放电信号三相之间的对称性，如果只从放电幅值和频次来比较则失之轻率，还需要考虑放电相位分布特性、时频脉冲特征等。

本文采用数理统计的方法对放电相位数据进行二维统计，提取脉冲重复率、偏斜度、陡峭度、幅值偏差、相位偏差、正负半周相关性等参量(具体计算
公式参见文献[6] )，按照相位的上下半周期取得如所示一共10个特征量，如表4。

表4 局部放电信号特征量特征量名称特征量名称Nsp上半周脉冲重复率Nsn下半周脉冲重复率Asp上半周幅值偏差Asn下半周幅值偏差Fsp上半周相位偏差Fsn 下半周相位偏差Skp上半周偏斜度Skn下半周偏斜度Kup上半周陡峭度Kun下
半周陡峭度
局部放电信号的特征向量表为
F={Nsp，Asp，Fsp，Skp，Nsn，Asn，Fsn，Skn}
计算任意两相(如A、B相)之间的局部放电信号特征相关系数为：
(4)
式中，N=10为特征向量的长度；和为A、B两相特征向量的均值：
(5)
当三相最小相关系数Min(CAB, CBC, CCA)≥Th时判为三相局放信号类似。

3.4 趋势预警
趋势预警是对一段时间内检测参量的发展趋势进行评估，判断其增长率是否超过阈
值而给出的预警。

考虑到负荷变化、环境因素、季节变换等对局部放电、接头温度、接地电流/电压等的影响，需要设法消除影响趋势计算的波动干扰，可以采用抽样、移动平均法和多项式拟合等方式来计算平均增长率[7] ，设时间序列为：
Y0,Y1,Y2,…,Yn-1，线性拟合后的平均增长率为：
(6)
趋势预警有表5所示几类。

3.5 综合预警
综合预警综合考虑局部放电、接头温度、护套环流/电压等所有检测参量，根据其
相关性与反映接头缺陷的能力配置权重和阈值系数，计算电缆接头的缺陷水平，从而给出告警。

阈值综合预警的缺陷水平为：
(7)
表5 趋势预警检测对象预警类型预警公式说明局部放电放电量趋势预警
kQ≥ThkQ为放电量平均增长率放电频次趋势预警kN≥ThkN为放电频次平均增
长率接头温度温度趋势预警kT≥ThkT为温度平均增长率护套环流电流趋势预警
kIs≥ThkIs为电流平均增长率护套电压电压趋势预警kUs≥ThkUs为电压平均增长率
式中，i为检测参量类型，分别为局部放电放电量、局部放电放电频次、接头温度、接头温升、护套环流、护套电压6种(N=6)，wi、xi、Thi、pi分别为第i种参量
的权重、测量值、阈值和阈值系数。

负荷比预警的缺陷水平为：
(8)
式中，i为检测参量类型，分别为局部放电放电量、局部放电放电频次、接头温度
3种(N=3)，wi、xi、Thi、pi分别为第i种参量的权重、测量值、负荷比阈值和阈值系数，wIs、Is、ThIs、pIs分别是护套环流的权重、测量值、负荷比阈值和阈值系数，其余相关变量参见3.2节。

三相平衡预警的缺陷水平为：
(9)
式中，i为检测参量类型，分别为接头温度护套电流、护套电压3种(N=3)，wi、xMax_i、xMin_i、Thi、pi分别为第i种参量的权重、三相最大测量值、三相最小测量值、三相不平衡阈值和阈值系数。

趋势预警的缺陷水平为：
(10)
式中，i为检测参量类型，分别为接头温度护套电流、护套电压3种(N=3)，wi、kxi、Thi、pi分别为第i种参量的权重、测量值在趋势评估时间段内的平均增长率、平均增长率阈值和阈值系数。

四种综合预警如表6所示。

表6 综合预警预警类型预警公式阈值综合预警Zth≥Th负荷比综合预警
Zload≥Th三相平衡综合预警Zimbance≥Th趋势综合预警Ztrend≥Th
4 结束语
本文介绍了电缆接头在线监测的几种关键技术及其相关特性，特别指出负荷的影响、三相之间的平衡或不对称特性，提出了阈值预警、负荷比预警、三相平衡预警、趋势预警等具体的预警机制，并在此基础上提出几种监测参量相互结合起来的综合预
警，可以改进以往电缆接头的综合监测系统只简单汇集各种监测参量并各自给出预警的做法。

但对于其中相关阈值、权重或系数的合理选取仍然需要进一步的研究，以提高在线监测预警的准确性和实时性。

【相关文献】
[1] 曹俊平，蒋愉宽，王少华，等. XLPE电力电缆接头缺陷检测关键技术分析与展望[J].高压电器,2018,54(7):88-97.
[2] 李建斌，王嘉华. 基于云诊断的电缆多参数在线监测装置研究与开发[J].机电信息,2017,15:53-55.
[3] 张小龙，徐春红，庄立生，等.高压电缆及通道多状态综合监控系统研究与应用[J].供用
电,2016,(5):70-75+56.
[4] 吴科，周凯，宋永佳，等.负荷变化对电缆终端局部放电行为的影响研究[J].绝缘材
料,2016,49(4):61-68.
[5] Q/GDW 11223-2014.高压电缆状态检测技术规范[S].北京: 中国电力出版社,2014.
[6] 杨孝华, 廖瑞金, 胡建林, 白仕雄.基于BP人工神经网络的XLPE电力电缆局部放电的模式识别[J].高压电器,2003,39(4):35-37.
[7] 黄吉洋，杜建国，杨忠，等.电力电缆局部放电的趋势评估方法[J].上海电力学院学报, 2018,34(1):19-23.。