在電力系統(tǒng)中，配網(wǎng)電纜承擔(dān)著電能分配與傳輸?shù)闹匾蝿?wù)。由于電纜多埋設(shè)于地下或敷設(shè)于電纜溝內(nèi)，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，查找故障點(diǎn)的過(guò)程往往耗時(shí)費(fèi)力。為此，基于暫態(tài)行波原理的監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，本文對(duì)其基本工作機(jī)制與技術(shù)構(gòu)成做簡(jiǎn)要介紹。

一、為什么關(guān)注電纜的“行波”

當(dāng)電纜絕緣發(fā)生瞬間擊穿或局部放電時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生高頻暫態(tài)行波，沿電纜向兩端傳播。行波包含豐富的故障信息，且傳播速度相對(duì)穩(wěn)定，這為故障定位提供了物理基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)的工頻電氣量檢測(cè)相比，行波信號(hào)的頻率范圍較高，能夠更靈敏地反映突發(fā)性絕緣劣化或瞬時(shí)性故障。因此，通過(guò)對(duì)行波的捕獲與分析，有可能在故障演變?yōu)橛谰眯酝ｋ娭鞍l(fā)出預(yù)警，并在故障發(fā)生后實(shí)現(xiàn)較高精度的定位。

二、系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能

典型的單端故障預(yù)警與定位系統(tǒng)通常包含三類核心組件：故障定位在線監(jiān)測(cè)裝置、故障電流傳感器和電壓行波采集單元。

1. 故障定位在線監(jiān)測(cè)裝置

該裝置是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與通信核心，負(fù)責(zé)同步采集多路傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜狀態(tài)的全天候不間斷監(jiān)測(cè)。裝置能夠捕捉納秒級(jí)變化的暫態(tài)過(guò)程，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信上傳至服務(wù)器進(jìn)行后續(xù)分析。

2. 故障電流傳感器

該傳感器基于電磁感應(yīng)原理，專門設(shè)計(jì)用于同時(shí)感應(yīng)高頻行波信號(hào)和工頻電流。在高頻段內(nèi)，傳感器能夠檢測(cè)微弱的放電信號(hào)，適用于捕捉早期絕緣缺陷；在工頻段，可測(cè)量負(fù)荷或故障電流，用于輔助判斷故障性質(zhì)。傳感器外殼通常具備較高的防護(hù)等級(jí)，可適應(yīng)戶外或潮濕環(huán)境安裝。

3. 電壓行波采集單元

該單元一般安裝在母線段，從電壓互感器二次側(cè)獲取三相電壓及零序電壓信號(hào)，用以捕捉電壓行波和穩(wěn)態(tài)電壓變化。電壓行波與電流行波聯(lián)合分析，有助于區(qū)分故障類型及判斷行波傳播方向，從而提高選線與定位的可靠性。

三、技術(shù)原理簡(jiǎn)析

1. 行波測(cè)距原理

行波測(cè)距是利用行波從故障點(diǎn)傳播到測(cè)量端的時(shí)間差來(lái)計(jì)算故障距離。在單端測(cè)距方式下，裝置測(cè)量從故障點(diǎn)反射回來(lái)的行波與初始行波之間的時(shí)間差，結(jié)合已知的行波傳播速度，即可估算故障位置。由于行波往返一次，實(shí)際距離需取時(shí)間差對(duì)應(yīng)路程的一半。

2. 行波選線原理

在配電網(wǎng)中，多條出線共用同一母線。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路與非故障線路的行波極性、幅值及能量分布存在差異。通過(guò)比較各線路行波初始波頭的極性與幅值，可以判斷哪一條線路發(fā)生了故障，即行波選線。

3. 故障預(yù)警原理

電纜在發(fā)生永久性故障之前，往往存在間歇性放電或局部絕緣劣化過(guò)程，每次放電都會(huì)產(chǎn)生微弱的高頻行波。系統(tǒng)通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)這些行波的出現(xiàn)頻率、幅值變化趨勢(shì)，可以評(píng)估絕緣狀態(tài)。當(dāng)行波活動(dòng)顯著增強(qiáng)時(shí)，提示電纜可能存在發(fā)展中的絕緣缺陷，從而實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警。

四、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與局限

優(yōu)勢(shì)

響應(yīng)速度快：行波以接近光速傳播，微秒級(jí)的時(shí)間分辨率可支持公里級(jí)的定位精度。

不受系統(tǒng)接地方式影響：暫態(tài)行波信號(hào)在小電流接地系統(tǒng)中仍然清晰可辨。

可預(yù)警：區(qū)別于僅能告警故障發(fā)生的傳統(tǒng)保護(hù)，行波監(jiān)測(cè)能夠在故障發(fā)展早期提供絕緣劣化信息。

局限與挑戰(zhàn)

波速不確定性：電纜老化、溫度變化及接頭處阻抗不連續(xù)會(huì)影響實(shí)際波速，引入定位誤差。

高采樣率要求：精確捕捉納秒級(jí)行波需要高速采集與高精度同步，硬件成本較高。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的反射干擾：在多分支電纜線路中，行波會(huì)在分支點(diǎn)發(fā)生多次折反射，波形識(shí)別較為復(fù)雜。

數(shù)據(jù)傳輸壓力：連續(xù)高速采樣產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，依賴高效的壓縮與觸發(fā)上傳策略。

五、應(yīng)用場(chǎng)景

該技術(shù)主要適用于以下配網(wǎng)電纜場(chǎng)景：

城市地下電纜網(wǎng)路

電纜-架空線混合線路

對(duì)供電可靠性要求較高的工業(yè)用戶或重要負(fù)荷供電線路

故障巡線困難的山區(qū)、水網(wǎng)區(qū)域

六、小結(jié)

配網(wǎng)電纜單端故障預(yù)警與精確定位系統(tǒng)以暫態(tài)行波為核心信息載體，結(jié)合高速采集、無(wú)線通信與后臺(tái)分析，為電纜絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供了一種技術(shù)路徑。其最大特點(diǎn)在于能夠捕捉早期絕緣缺陷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)從“故障后定位”向“故障前預(yù)警”的延伸。盡管在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨波速校準(zhǔn)、復(fù)雜拓?fù)渥R(shí)別等技術(shù)挑戰(zhàn)，但隨著傳感與信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，行波法在配網(wǎng)電纜監(jiān)測(cè)中的價(jià)值正逐步顯現(xiàn)。

審核編輯 黃宇