高壓電纜在城市電網(wǎng)中的應用越來越多，其敷設路徑分布廣，運行條件復雜。由于輸電電纜線路電壓等級高，在運行中擊穿造成破壞性大，極易造成重特大事故。如何對電纜故障做到“早發(fā)現(xiàn)、早排查、早解決”，成為降低電纜故障總量、提升精益運維能力的關鍵。
山東科匯電力自動化股份有限公司依托多年來在電力線路故障監(jiān)測方面的技術研究及應用經(jīng)驗，結合電力部門精益運維的實際需求，制定了電力電纜線路在線監(jiān)測與故障定位的針對性解決方案，研制出了DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)，適用于10kV及以上電壓等級的電纜線路，包括高壓電纜線路、電纜—架空混合線路及海纜線路等。系統(tǒng)基于電纜線路潛伏性故障及絕緣擊穿故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號進行捕捉、采集和分析，結合工頻錄波數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對高壓電纜線路故障在線監(jiān)測和分段、定位，為高壓電纜線路精益運維及電纜線路全壽命周期管理提供可靠、精準的技術支撐。
一、 系統(tǒng)構成
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)由監(jiān)測終端、通信鏈路、系統(tǒng)后臺和多客戶端人機界面組成。監(jiān)測終端以無線或有線的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送回系統(tǒng)后臺；后臺軟件以事件為引，以時間歸集，自主關聯(lián)分析數(shù)據(jù)，異常事件以短信、WEB等多種方式發(fā)布。
二、 技術特點
q 非接觸式行波浪涌傳感器耦合電壓、電流行波信號，安全、可靠。
q 雙端行波法測距原理實現(xiàn)電纜故障在線定位。
q 與電纜相連架空線路故障單端定位。
q 混合及T型線路故障區(qū)段判定。
q 護層絕緣狀態(tài)分析診斷。
q 為電纜線路全壽命周期管理提供歷史數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)。
三、 功能及應用
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)實時在線采集電纜運行工頻電流、護層接地電流，以數(shù)值或者電流曲線的方式進行展示；電纜發(fā)生故障時，對故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號的捕捉、采集和分析，根據(jù)雙端行波法測距原理實現(xiàn)電纜故障的測距，同時根據(jù)電纜線路的運行特點，輔以工頻錄波進行故障性質(zhì)診斷，從而形成對線路運行狀態(tài)的有效監(jiān)測和故障的分段定位。
01故障精確定位
根據(jù)雙端行波法測距原理，監(jiān)測裝置安裝在所監(jiān)測線路的兩端。線路故障時，監(jiān)測裝置采集暫態(tài)數(shù)據(jù)，后臺軟件依據(jù)暫態(tài)數(shù)據(jù)自動計算得出故障測距結果。在自動測距結果的基礎上，用戶可根據(jù)暫態(tài)波形，手動校正故障距離，進一步提高測距精度。
自動測距方法也適用于T型電纜線路和架空電纜混合線路。
02故障區(qū)間判別
后臺軟件根據(jù)故障線路工頻錄波數(shù)據(jù)，在時間同步的基礎上，快速判斷架空電纜混合線路和電纜T型線路故障所屬區(qū)間，為運維管理部門落實搶修任務提供依據(jù)，避免多班組共同巡線，提升運維效益。
03工頻電流監(jiān)測
實時監(jiān)測電纜線路運行電流，以數(shù)值和電流曲線的方式進行展示。當線路發(fā)生異常變化時，系統(tǒng)能夠自動錄波，實現(xiàn)故障性質(zhì)分析診斷。
04接地環(huán)流監(jiān)測
實時監(jiān)測電纜金屬護層接地電流，以數(shù)值或電流曲線的方式進行展示。當接地電流發(fā)生異常變化時，系統(tǒng)能夠自動錄波，計算接地電流與負荷電流比，對高壓電纜金屬護層接地故障提供實時告警。
四、 關鍵技術
基于行波原理的雙端在線測距法，利用暫態(tài)行波浪涌到達測量端的絕對時間，確定故障位置。實現(xiàn)高壓電纜線路故障在線精確測距的關鍵技術是高壓電纜線路終端處暫態(tài)行波浪涌的提取方法、高精度衛(wèi)星對時技術及暫態(tài)干擾信號的分析識別。
01暫態(tài)行波信號的提取
根據(jù)行波測距的原理，需要采集故障暫態(tài)電壓信號或暫態(tài)電流信號，系統(tǒng)從運行安全以及裝置安裝維護方便的角度考慮，采用非接觸式信號傳感技術，根據(jù)監(jiān)測線路的實際情況，選擇獲取電壓信號或者電流信號或者電壓電流冗余信號。電流信號采集采用羅氏線圈，電壓信號采集采用非接觸式電壓傳感器。
02高精度對時技術
雙端行波實現(xiàn)測距誤差控制在幾米范圍內(nèi)的關鍵技術是雙端設備對時誤差精度的控制。監(jiān)測終端通過對電力系統(tǒng)現(xiàn)有基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的納秒級授時技術在授時電路、被授時電路、晶振性能以及輸出信號波形和傳輸路徑等方面的優(yōu)化處理，實現(xiàn)了20ns級授時精度。
03暫態(tài)信號的干擾及識別
識別操作、雷電等干擾信號是實現(xiàn)測距的前提。系統(tǒng)通過非接觸式傳感器提取故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號，根據(jù)故障時頻與雷電、操作及區(qū)外故障時頻特性區(qū)別及三相暫態(tài)信號極性，實現(xiàn)對故障信號的準確識別；同時，結合故障線路工頻信號，可以區(qū)分各類干擾。
五、 應用案例
DJ-1000高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)已經(jīng)在廣州、肇慶、東莞、佛山、云浮、河源、上海等地以及舟山500kV聯(lián)網(wǎng)海底電纜交接試驗投入運行，達到了預期目標。
01 人工試驗
在ZQ供電公司XX變電站一退運110kV電纜線路進行單相接地試驗。該電纜線路由四段組成：Ⅰ段電纜線路包含2段完整交叉互聯(lián)段電纜，一端為GIS端，一端為戶外終端，長度為3272米；Ⅱ段電纜線路戶外終端3為直接接地，戶外終端5為保護接地，長度為107米；Ⅲ段電纜線路戶外終端2為直接接地，戶外終端4為保護接地，長度為215米；Ⅳ段架空線路長度約為233米。
在Ⅰ段電纜線路戶外終端1處、GIS端分別安裝DJ-100高壓電纜線路在線監(jiān)測與故障定位裝置。
試驗一：在I段電纜線路設置故障點F1，距甲變電站1020米左右。
分別進行了三次試驗，雙端測距波形如下所示。左側波形為乙變電站側波形，接頭類型為GIS終端頭；右側波形為甲變電站側波形，接頭類型為戶外終端頭。
三次試驗結果穩(wěn)定，定位距離基本一致, 結果最大相差為2.14米。
試驗二：戶外終端1和戶外終端4的電纜鎧裝不連接，在戶外終端4處F2點使用球間隙模擬故障放電。
分別進行了三次試驗，雙端測距波形如下所示。左側波形為乙變電站側波形，右側波形為甲變電站側波形。
三次試驗結果穩(wěn)定，定位距離基本一致, 結果最大相差為2.16米。
02電網(wǎng)擾動行波數(shù)據(jù)分析
GD供電公司XX變電站ZM電纜架空混合線路包含二段電纜線路和一段架空線路，其中Ⅰ段電纜長2489米，Ⅱ段電纜長2034米，電纜鎧裝采用交叉互聯(lián)方式接地方式；架空線長度不詳。系統(tǒng)共安裝3套DJ-100高壓電纜在線監(jiān)測及故障定位裝置，分別位于1#戶外終端、2#戶外終端、4#戶外終端；1#DJ-100裝置和2#DJ-100裝置監(jiān)測Ⅰ段電纜；2#DJ-100裝置和3#DJ-100裝置監(jiān)測Ⅱ段電纜。
2020年12月21日凌晨，DJ-1000高壓電纜在線監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障報警信息。系統(tǒng)均給出了Ⅰ段電纜和Ⅱ段電纜的雙段測距結果，同時記錄了故障時刻的工頻電流波形。
通過對DJ-100裝置的工頻電流波形分析，可知線路A、B兩相間發(fā)生異常。
Ⅰ段電纜線路的雙端測距結果距離1#戶外終端2485.11m、距離2#戶外終端3.89m。
Ⅱ段電纜線路的雙端測距結果距離2#戶外終端4.29m、距離4#戶外終端2029.71m。
從Ⅰ段電纜線路雙端測距行波數(shù)據(jù)分析，雙端測距結果為距離1#戶外終端2485.11米，與I段電纜全長2489米接近，相差3.89米；從Ⅱ段電纜線路雙端測距行波數(shù)據(jù)分析，雙端測距結果為距離2#戶外終端4.29米，與Ⅱ段電纜全長2034米接近，相差4.29米。
結合工頻數(shù)據(jù)波形，綜合以上分析結果及波形極性，可知線路擾動發(fā)生在架空線路段，電纜線路區(qū)外；此外，利用電網(wǎng)擾動，DJ-1000高壓電纜在線監(jiān)測與定位系統(tǒng)還能夠測量線路全長，從而校正了線路長度數(shù)據(jù)不完整的現(xiàn)象。