楊金海，劉雪鋒，李雙喜，尹泓江，余 磊，林 營

(云南電網有限責任公司 玉溪供電局， 云南 玉溪 653100)

0 引言

相對于架空線路，電力電纜具有占地面積小、可靠性高的優(yōu)勢，在城市電網建設中得到了廣泛的應用[1-3]。隨著電力電纜線路大量的鋪設，實際運行過程中，在外力破壞、過負荷等因素的共同作用下，電纜的缺陷及故障問題[4-6]變得越來越突出。而電纜一般敷設在隧道或者井蓋里面，位置較隱蔽，為缺陷及故障的辨識帶來了挑戰(zhàn)。目前電纜故障辨識的主流方法包括行波法、局部放電技術和溫度法。電纜發(fā)生故障時，會有行波信號產生，因此行波電流可作為故障定位的方法[7-8]。行波法結合圖像處理的方法，對波形的時域或者頻域特征進行辨識[9-10]，但由于信號衰減、噪聲干擾等問題會造成一定的誤差。電纜缺陷產生時，往往會伴隨局部放電信號[11-12]，局部放電的方法在電纜典型故障的類型識別中起到了較好的效果，但目標對象主要為電纜附件，而電纜本體的故障識別效果容易受到強電磁環(huán)境的影響[13-14]。電纜發(fā)生故障時，會出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)象，具體檢測方法一般為分布式光纖測溫技術與紅外熱成像技術[15-16]，但成本較高。

近年來，一種新型的檢測方法——阻抗譜法[17]得到了國內外電力學者的重視。對于電纜的阻抗譜研究，日本學者提出了快速傅里葉反變換(IFFT)技術[18]。國內華中科技大學研究人員[19-20]基于積分變換技術開展了電纜本體及中間接頭等缺陷的識別和定位研究，驗證了阻抗譜技術用于電纜缺陷定位的有效性。電纜故障發(fā)生前，往往伴隨缺陷的產生。為深入研究電纜故障機理，本文基于輸入阻抗譜的方法，利用仿真建模和試驗驗證，提出電纜缺陷和故障類型的辨識方法，旨在解決目前主流方法無法聯(lián)合缺陷和故障進行診斷和分析的瓶頸，為電纜故障預警提供技術支撐。

1 輸入阻抗譜相關原理

1.1 傳輸線原理

依據(jù)傳輸線理論，電力電纜可等效為單位長度分布參數(shù)模型的組合，如圖1[21]所示。

圖1 傳輸線等效分布參數(shù)模型Fig. 1 Equivalent distribution parameter model of transmission line

將電纜首端的位置設置為原點，則傳輸線x處的電壓、電流計算過程為：

(1)

其中:R0、L0、G0、C0分別為單位長度的電阻、電感、電導和電容，j表示虛數(shù)，ω表示角頻率。

進一步可得：

(2)

對式(2)求得通解為：

(3)

式(3)中e表示自然常數(shù)。

由式(3)可知，電力電纜中任意位置的電壓及電流均以波的形式傳播，本質上由前向傳播的入射波U+和后向傳播的反射波U-兩部分組成。

當故障點位于電纜首端時，則無反射波，即U-=0；同理，當故障點位于電纜末端時，則無入射波，即U+=0。其中:傳輸線的傳播系數(shù)γ、傳輸線的特征阻抗Z0分別為：

(4)

故障電流一般為高頻分量，則有ωL0?R0、ωC0?G0，則有

(5)

1.2 輸入阻抗譜

坐標x處的輸入阻抗為：

(6)

其中：ρL為電纜的反射系數(shù)，計算過程為

(7)

其中：ZL為電纜終端負載的阻抗值，ρL表示負載反射系數(shù)。

電纜異常狀態(tài)包括開路和短路狀態(tài)，當傳輸線為開路故障時，則ZL趨近于無窮大，反射系數(shù)為1；當傳輸線為短路故障時，則趨近于0，反射系數(shù)為-1。其他情況下，阻抗不匹配，發(fā)射系數(shù)介于-1到1之間。

當故障點位置為la時，則輸入阻抗為：

(8)

(9)

反射系數(shù)的計算公式為：

(10)

(11)

其中:‖為阻抗的并聯(lián)值，Rf為電纜故障點等效電阻。

當電纜發(fā)生故障時，由公式(9)知，電纜首端輸入阻抗也會發(fā)生變化。因此，可根據(jù)首端電纜輸入阻抗譜的特征差異，對故障類型進行研判。

2 仿真測試

以某一同軸 10 kV 交聯(lián)聚乙烯電纜為研究對象，其長度設置為50 m，通過pscad仿真平臺，開展不同缺陷和故障類型的輸入阻抗譜研究。

2.1 電纜本體容性缺陷

電纜本體容性缺陷主要是電纜老化引起的，因其會增大絕緣介質的相對介電常數(shù)，仿真中設定電纜9.0～10.2 m發(fā)生局部老化，缺陷程度分為輕度老化和重度老化，即單位電容值分別增大到健康狀態(tài)的1.03倍和1.07倍，測試頻率為0～100 MHz，仿真計算得到的輸入阻抗譜見圖2。

圖2 容性缺陷仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 2 Capacitive defect simulation of input impedance spectroscopy for power cable

由圖2可知，從整體上看，容性缺陷下，電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢，且與健康狀態(tài)下的振蕩周期相同；從細節(jié)上看，隨著電纜容性缺陷嚴重程度的增加，電纜輸入阻抗幅值會往左偏移，即諧振頻率點變小。

2.2 電纜本體感性缺陷

電纜本體感性缺陷主要是電纜屏蔽層破壞引起的，因為電纜為同軸結構，銅屏蔽層的破壞改變該區(qū)域的物理結構，從而導致局部區(qū)域的單位電容值減小。仿真中設定電纜9.0～10.2 m處發(fā)生屏蔽層破損，嚴重程度分為輕微破損和重度破損，相對于健康狀態(tài)，單位電容值分別減小了1%和5%，測試頻率為0～100 MHz，仿真計算得到的輸入阻抗譜見圖3。由圖3可知，從整體上看，感性缺陷下，電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢，且與健康狀態(tài)下的振蕩周期一致；從細節(jié)上看，隨著電纜感性缺陷嚴重程度的增加，電纜輸入阻抗幅值會往右偏移，即諧振頻率點變大。

圖3 感性缺陷仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 3 Inductive defect simulation of input impedance spectroscopy for power cable

2.3 開路故障

電纜開路故障設定在電纜遠端，反射系數(shù)為1，會引起阻抗不匹配。仿真中設定電纜40 m處存在電纜斷線，電纜末端為開路狀態(tài)，測試頻率為0～100 MHz，仿真計算得到的輸入阻抗譜見圖4。

圖4 開路故障仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 4 Open-circuit fault simulation of input impedance spectroscopy for power cable

由圖4可知，從整體上看，電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢，振蕩周期較健康狀態(tài)增大；從細節(jié)上看，對比健康狀態(tài)，電纜輸入阻抗幅值諧振頻率點會偏移，對應幅值也會增加。

2.4 短路故障

電纜發(fā)生開路故障時，故障點位置設定在電纜遠端，反射系數(shù)為-1，會引起阻抗不匹配。仿真中，設定電纜40 m處存在短路情況，且電纜末端為開路狀態(tài)，測試頻率為0～100 MHz，仿真計算得到的輸入阻抗譜見圖5。由圖5可知，從整體上看，電纜的輸入阻抗譜呈振蕩衰減的趨勢，振蕩周期較健康狀態(tài)增大；從細節(jié)上看，對比健康狀態(tài)，電纜輸入阻抗幅值諧振頻率點會偏移，對應幅值也會增加，且幅值大于開路故障。

圖5 短路故障仿真的電纜輸入阻抗譜Fig. 5 Short-circuit fault simulation of input impedance spectroscopy for power cable

3 試驗驗證

為驗證仿真計算結果的準確性，取電纜戶外試驗場廢棄的50 m三相電纜，制作電纜缺陷與故障標本。利用寬頻阻抗譜儀對電纜標本進行電纜首端輸入阻抗譜測試，即將夾具兩端分別連接電纜首端的纜芯和屏蔽層，而電纜末端開路。測量前，對電纜首端進行預處理，使電纜纜芯及屏蔽層各伸出長度約為1.5 cm，便于夾具的連接，阻抗譜測量范圍為100 kHz～100 MHz。

3.1 局部老化

電纜局部老化試驗中，參照相應的測試標注，將1.2 m長的電纜放入老化箱，進行加熱老化，老化時間分別為5、7 d，通過阻抗分析儀測量的輸入阻抗譜見圖6。

圖6 老化試驗中的電纜輸入阻抗譜Fig. 6 Aging test of input impedance spectroscopy for power cable

由圖6可知，老化試驗會引起電纜輸入阻抗譜和諧振頻率點的改變。隨著老化天數(shù)的增加，輸入阻抗譜向左偏移越嚴重，諧振頻率點會偏小，試驗結果與仿真計算結果一致。

3.2 屏蔽層損害

屏蔽層損害試驗中，通過人為控制局部缺損長度，缺陷起始位置距電纜首端9 m處，缺損長度分別為5 cm和8 cm，通過阻抗分析儀測量的輸入阻抗譜見圖7。由圖7可知，缺損試驗也會引起電纜的輸入阻抗譜和諧振頻率點的改變。隨著缺損長度的增加，輸入阻抗譜向右偏移越嚴重，諧振頻率點會偏大，試驗結果與仿真計算一致。

3.3 開路故障

開路故障測試中，故障點位置設置于距首端40 m處，通過阻抗分析儀測量的輸入阻抗譜見圖8。由圖8可知，開路故障會導致輸入阻抗譜周期與諧振頻率點幅值的改變。諧振周期會增大，且諧振頻率點幅值也會增大，試驗結果與仿真變化規(guī)律相符。

圖7 缺損試驗中的電纜輸入阻抗譜Fig. 7 Shielding layer detect test of input impedance spectroscopy for power cable

圖8 開路故障試驗中的電纜輸入阻抗譜Fig. 8 Open-circuit fault test of input impedance spectroscopy for power cable

3.4 短路故障

短路故障測試中，故障點位置設置于距首端40 m處，通過阻抗分析儀測量的輸入阻抗譜見圖9。由圖9可知，短路故障會導致輸入阻抗譜周期與諧振頻率點幅值的改變。諧振周期會增大，且諧振頻率點幅值也會增大，試驗結果與仿真變化規(guī)律相符。

圖9 短路故障試驗中的電纜輸入阻抗譜Fig. 9 Short-circuit fault test of input impedance spectroscopy for power cable

3.5 中間接頭故障

為進一步探索輸入阻抗譜方法的適用性，開展中間接頭故障的研究。距電纜首端9 m處設置一個中間接頭，長度約為0.2 m，通過阻抗分析儀測量的輸入阻抗譜見圖10。

圖10 中間接頭試驗中的電纜輸入阻抗譜Fig. 10 Intermediate joints test of input impedance spectroscopy for power cable

由圖10可知，電纜存在中間接頭故障時，輸入阻抗譜整體呈現(xiàn)衰減趨勢，但中間會有異常振蕩點，幅值反而會增加。

4 結論

電纜缺陷發(fā)生時，輸入阻抗譜會產生偏移，而電纜故障發(fā)生時，輸入阻抗譜振蕩周期會增大，因此，可根據(jù)輸入阻抗譜的特征變化制定相應的運維策略，若發(fā)生偏移，及早進行現(xiàn)場巡視，規(guī)避電纜形成實質性故障，引起線路跳閘，最終造成電力事故。后續(xù)可進一步開展高阻、低阻等接地故障的研究，為電纜故障的機理研究提供技術支撐。