（国网天津滨海供电公司天津滨海新区300450）
摘要：传统的高压电缆运维方式以人工运维为主，低效、成本高且并不能及时发现电缆本体缺陷或者杜绝电缆遭受外力破坏。本文介绍的基于无低压电源环境下的高压电缆综合在线监测装置，可以在无低压电源条件下实现对高压电缆运行状态和运行环境的实时监控，能够帮助运维人员及时发现高压电缆的运行缺陷，维护电网稳定性。
关键词：高压电缆；状态检测；在线监测
随着我国城市建设和基于城市能源互联网模式下的电网发展方式的转变，35千伏及以上高压电力电缆应用愈加广泛。滨海供电公司高压电缆现有运维方式以人工运维为主，主要包括护线队配合运维人员对电缆进行定期巡视，运维人员对电缆运行状态进行定期检测，然而这些运维方式低效、成本高且并不能及时发现电缆本体缺陷或者杜绝电缆遭受外力破坏。
随着互联网和信息技术的飞速发展，将传统的电缆状态检测技术与互联网技术相结合已成为大势所趋。
1.常见的高压电缆状态检测技术
高压电缆作为电力系统中主要支撑设备，它的运行情况是否安全可靠越来越受到重视。
状态检修技术，是指通过设备的历史运行、检修、试验和连续监测的数据，分析设备健康状况发展趋势，加以预测、诊断、估计设备的寿命，然后确定设备检修项目、频度与检修内容。
高压电缆状态检测技术主要涉及电缆温度检测、局部放电检测、接地环流检测等。
1.1电力电缆温度检测
电力电缆的本体温度通常与电缆的载流能力、局部绝缘受损以及电缆的敷设环境有关。通过实时检测电缆每一点的温度及变化情况，可对电缆的负荷量进行控制，对电缆某一点的绝缘受损或导体接触不良而导致的温度上升的变化情况进行精确定位，以及对电缆周边环境特别是靠近电缆的热力管道及其他热源对电缆影响的监控等，降低因过热造成的能源损失和浪费，减少或避免因过热故障而引发的突发性事故。
1.2局部放电检测
局部放电是不完整桥接的电极的电子放电。这种放电量级通常很小，但是会造成绝缘进一步损耗最终导致绝缘失效。局部放电分为绝缘材料内部放电、表面放电、导体尖端放电，常常会通过电磁、声音、气体三种方式放出能量。
从理论上讲，局部放电试验是评价交联聚乙烯电力电缆绝缘状况的最佳方法。由于受到检测设备测试灵敏度以及现场各种干扰的影响，实际应用效果不是很理想。
1.3接地环流检测
为了抑制金属护套内产生较大的环流，高压单芯电缆常采用一端接地或交叉互联两端接地的保护方式。此时，电缆接地线接地电流为零或者很小。
当电缆外护套有破损或者发生绝缘缺陷时，将造成金属护套多点接地，产生较大的接地线电流，可通过电流互感器采样，获得接地线电流的变化情况。
2.无低压电源环境下的高压电缆综合在线监测装置的研制过程
结合高压电缆运行需要检测的状态和环境数据，电网运维人员设计了一种无低压电源环境下的高压电缆综合在线监测装置，可满足运维要求，实现对高压电缆运行状态和运行环境的实时监测，能够帮助运维人员及时发现高压电缆的运行缺陷，维护电网稳定性。
2.1装置功能介绍
无低压电源环境下的高压电缆综合在线监测装置可实现对电缆工井井盖开合状态监控、电缆工井内水位监控、电缆接地箱箱门开合状态监控的电缆环境监测和高压电缆温度监测、护层环流监测的电缆状态监测。高压电缆综合监测系统流程图如图1所示。
图1系统流程图
2.2电缆工井井盖在线监测单元
在日常运维中，工作人员发现电缆工井井盖存在丢失现象，不仅危害井下电力电缆，也对行人的安全造成威胁，容易发生坠井事故。
本装置所用电缆井盖在线监测单元是SJ12A井盖监控单元，该系统有两路井盖传感器输入接口，可实时监测井盖的状态，并显示于面板，同时具有RS485通讯接口，可通过总线通讯进行井盖状态数据上传，实现井盖状态远程监测。该单元由两个漫反射红外探测仪和监控终端构成，当井盖无异常，红外探测仪收到漫反射的红外线，监控终端显示井盖状态正常；当井盖被开启或破坏时，红外探测仪不能接受红外线，监控终端显示井盖状态异常。设计图如图2所示。
图2电缆井盖监控单元设计图
由于井盖材料不同，漫反射率不同，SJ12A井盖状态监控单元研发后，小组成员对不同井盖类型情况下井盖监测单元的灵敏性做了实验，结果显示无论何种材料的井盖，响应率都在99.6%以上。
2.3电缆工井水位监测单元
由于天津临海，地势较低，部分工井内常出现渗水现象。未做防水措施的电缆长期浸泡在水中，存在安全隐患。
小组成员为本项目设计的SW12A型水位监测单元是由三个霍尔浮球开关和水位监控主机组成，水位传感器接口短路时有效，相应水位指示灯亮，开路时无效，相应水位指示灯灭。当出现水位传感器非正常时，比如发生水位高，但水位中或水位低没有发生，主机会对传感器故障数据进行置位，可以通过通讯判断水位传感器的工作状态。水位监测终端及传感器设计图如图3所示。
图3水位监测终端及传感器设计图
2.4接地箱箱门开合状态监测单元
在日常运维中，工作人员发现高压电缆接地箱存在被破坏的现象，箱内设备暴露在外，存在严重的安全隐患。
接地箱开合状态监测单元主要由一个接触式电容开关构成。该开关安装于接地箱箱门处，若门合住，接触电容开关，信号灯亮，给系统一个闭合信号，系统判断接地箱箱门闭合；若门开启，信号灯灭，给系统一个断开信号，系统判断接地箱箱门开启。图4是箱门开合检测单元设计图。
图4接地箱开合状态监测单元设计图
2.5电缆温度监测单元
小组成员设计的用于电缆绝缘表面在线温度测量的方法采用分布式温度传感器，使用单根光纤就可同时测量电缆多点故障时的温度。光纤本身可作为传感器，即使被加入电缆也不受分布电流的影响，而且还不需要维护。传感器的测温原理是电缆线路温度随着由激光脉冲送入光纤产生的喇曼散射光的亮度而变化。另外，采用成本较低的测温电缆柔性线形热偶温度探测器（FTLD）、连续热电偶温度变送电缆（CTTC）“连续”热电偶或“寻热”热电偶形式，是线状温度感测器技术发展取得的主要成果。该技术利用热电效应，能够连续产生与其长度所及范围内最高温度点温度相对应的毫伏信号，不仅能测定温度异变的幅度，而且能确定温度异变的地点。设计图如图5所示。
图5电缆监测单元设计图
2.6电缆接地环流监测单元
当高压电缆出现绝缘故障、金属护层多点接地、金属护层绝缘击穿、主绝缘层绝缘老化等情况的时候，金属护层接地环流将会增大。实现对接地环流的实时监测将有效发现和诊断绝缘故障。
小组成员设计的高压电缆接地环流由信号监测单元、数据通信单元组成，完成高压电缆接地环流、电缆本体温度的测量。系统中使用的CT使用完全符合国家电力行业标准设计，不影响电缆的正常运行。监测终端采用先进的测量电路、高速MCU、性能稳定可靠的传感器，实现对监测信号的准确测量和数据可靠传输。每一个监测终端可以对最多4通道被监测电流进行实时监测，每一通道都采用0.2级电流互感器进行隔离，保障系统安全可靠。系统是全防水设计，IP68防水等级。其外壳是不锈钢材质，恶劣环境下不受影响。设计图如图6所示。
图6高压电缆接地环流监测终端
2.7现场工作电源模块
天津地区高压电缆敷设环境内无可用低压电源，小组成员最终决定由太阳能电池板提供低压电源。
本次项目设计的供电电源模块包括一块太阳能电池板、一组大容量锂电池组和光伏控制器三部分，电源设计为5天阴天能为系统持续提供电源。同时系统具备完善保护功能，光伏控制器能向系统反馈电源状态。设计图如图7所示。
图7供电电源设计图
2.8数据传输和处理模块
为了数据传输方便，我们小组将所有测量系统的数据采集单元集成至主控DTU中，所有的数据采集单元连接到主控DTU。该DTU应用的是USR-G780主机，采用的是IP68级防水外壳，USR-G780是为实现串口设备与网络服务器，通过运营商网络相互传输数据而开发的产品，通过简单的AT指令进行设置，即可轻松使用本产品实现串口到网络的双向数据透明传输。
数据上传至后台服务器，运维人员通过登录软件查看电缆位置，直接读出电缆运行数据，反映电缆工井水位、井盖状态、接地箱箱门开合状态，实现异常状态报警功能。
3.无低压电源环境下的高压电缆综合在线监测装置的实际应用与经济效益
3.1实际应用
2017年7月至8月，小组成员将本系统安装于某市供电公司4条重点110kV中，从后台软件能够清楚地看到线路的运行状态和运行环境状态，如图8所示。
图8软件截图
在后台软件中，运维人员可以清晰地看到接地环流、工井水位状态、工井井盖状态、三相电缆温度、光伏模块工作状态、接地箱箱门状态的实时数据，一旦出现异常，运维人员可迅速前往故障地点，及时发现故障和隐患，保障线路安全稳定运行。
3.2直接经济效益
小组成员对四条重点的110kV电缆线路安装在线监测装置前后的每月平均运维检修成本进行统计调查，调查结果表如表1所示。平均每条线路每月可节省运维成本2.69万元，具有极大的经济效益。
表1装置安装前后四条重要电缆线运维成本对比
3.3潜在经济效益
无低压电源环境下的高压电缆综合在线监测装置投入使用后，高压电缆外力破坏事故率明显降低，也未有因井盖丢失、接地箱箱门开启产生的纠纷事件发生，因此为公司节约了大笔运行维护费用及民事纠纷处理费用，产生了巨大间接经济效益。
此外，新装置投入使用，降低了故障检修的停电时间，使供电可靠性得到了提高和保证，维护了企业的社会形象，取得了良好的社会影响。
4结语
无低压电源环境下的高压电缆综合在线监测装置的研制填补了电力系统无低压电源环境下的高压电缆在线监测领域的空白，降低了高压电缆运维检修成本，提高了电网稳定性。该装置无需对原有电缆线路及接地箱进行任何改造，安装方便，不影响电缆正常运行，因此本项目具有极高的项目推广和实用价值。
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