（电力电子与电力传动专业论文）电力电缆故障分析与测距研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sd e v e l o p i n ga so u rc o u n t r y se c o n o m i c ，t h er a n g eo fp o w e rc a b l e s a p p l i c a t i o ni sl a r g e ra n dl a r g e r b u t ，b e c a u s eo ft h ec a b l e sb a dm a k i n g t e c h n o l o g yl e v e l ，p o o rq u a l i 够，i n s t a l l a t i o na n dt h eo p e r a t i o nc i r c u m s t a n c e ，t h e p o w e rc a b l ec o u l ds o m e t i m e sf a u l t i tt a k e sl a r g el o s st ot h eu s e r s o ，d e t e c tt h e f a u l ta c c u r a t e l ya n dq u i c k l yh a sam o m e n t o u si m p o r t a n c ef o rt h ep o w e r s y s t e m ss t a b i l i t ya n d t h eu s e r sp o w e r u s i n gq u a l i t y t h ep a p e rc h o o s e sf a u l ta n a l y s i sa n dd i s t a n c em e a s u r e m e n to ft h ep o w e r c a b l ea st h em a i nc o n t e n t n o w a d a y s ，t h ec o m m o nm e t h o do fp o w e rc a b l e d i s t a n c em e a s u r e m e n ti st h em o v i n gp u l s em e t h o d t h ef a u l tw a v e su s u a l l ya l e g o ta tt h eb r o k e ns p o t i ti su s u a l l yh a r dt oa n a l y s i s i nt h ep a s t ，t h ea n a l y s i s m e t h o dh a sa p r o b l e mt h a tt h ea c c u r a t et i m eo f t h eb e g i n n i n go f t h ep u l s ei sh a r d t ob ed e t e c t e d i tt a k eav e r ys e r i o u sc o n s e q u e n c e t h es h o r t a g eo f t h em e t h o di s t h a tt h ec o l l e c t i o ns i g n a l sa r ed i f f e r e n tf r o me a c ho t h e re v e r yt i m e t h ep a p e rc o m b i n e sw a v e l e tt h e o r yw i t hs i g n a lm u t u a l i t y , r a i s e san e w m e t h o dt od e t e c tt h eb e g i n n i n gt i m eo f t h ep u l s e ，r e a l i z e dt h ed i s t a n c ec a l c u l a t e d b yp r o g r a m t h er e s u l ti st e s t e db ys i m u l a t i o na n a l y s i s a tf i r s t ，t h ep a p e rh a s p u tw a v e l e to nt h eo r i g i n a ls i g n a l ，o b t a i n st h eh i 曲f r e q u e n c yd e c o m p o s e d s i g n a la n dl o wf r e q u e n c yd e c o m p o s e ds i g n a l s e c o n d ，t h es i g n a lm u t u a l i t y t h e o r yi sa p p l i e do nt h el o wf r e q u e n c yr e c o n s t r u c t i o ns i g n a l ，t h e r e f o r eg e t st h e a p p r o x i m a t e f a u l tt i m es i n g n h f i t y t h i r d ，u s et h em e t h o do fs e a r c h i n gm o d u l u s m a x i m u ml i n et of i n do u t t h ep r e c i s es i n g u l a r i t yi nt h eh i 曲f r e q u e n c y r e c o n s t r u c t i o ns i g r l a l a tl a s t ，t h ep r e c i s et i m eo ft h ep u l s ei sg o ti nt h eh i g h e s t f r e q u e n c yd e c o m p o s e ds i g n a ll e v e l t h et i m ei s u s e dt oc a l c u l a t et h ef a u l t d i s t a n c eo f t h ep o w e rc a b l e t h ep a p e r , u s i n gm a t l a b p l a t f o r mb a s e do nt h e o r ya n a l y s i s ，d r a wu pt h e d i s t a n c ec a l c u l a t i o nf l o w c h a r to ft h ef a u l tp o w e rc a b l e f u r t h e r m o r e ，f o rar e a l i i a b s t r a c t f a u l ts i g n a l ，t h ep a p e rg i v e st h ed e t a i lc a l c u l a t i o nc o u r s e b ys i m u l a l i o n ，t h e p a p e rg e t sag o o dr e s u l t k e y w o r d sw a v e l e ta n a l y s i s ；s i g n a lm u t u a l i t yt h e o r y ；t h ef a u l tp o w e rc a b l e ； t h em e t h o do fs e a r c h i n gm o d u l u sm a x i m u ml i n e 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力电缆故障分析与测 距研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：端传日期：2 a i 年? 月1 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 电力电缆故障分析与测距研究系本人在燕山大学攻读硕士学位期 间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有， 本人如需发表将署名燕山大学为第完成单位及相关人员。本人完全了解 燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送 交论文| ；勺复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密吖 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：韩伟 日期：2 耐年3 月j 日 导师签名 碰 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1电力电缆的发展概况 电缆的使用，早在1 5 0 年前就已经开始。最初用于电讯和炸矿方面。 1 8 1 2 年俄国科学家n j i 雪令格第一个试验成功用橡皮带绝缘的电缆埋在涅 瓦河底来引爆炸矿。此后英、美、德各国也相继创造了一些不同形式的原 始电缆。1 8 4 2 年横跨美国纽约港的水底电缆投入使用，1 8 6 6 年横越大西洋 的水底电缆投入使用。 直到1 8 7 9 年白炽灯发明之后，电缆在电力系统方面的使用才有了新的 发展。高压电力电缆的发展约在1 8 9 0 年开始，这时美国的1 0k v 单相电缆 在伦敦安装成功，2 0k v 的三芯电缆在1 9 1 0 年以后逐渐普遍使用，3 5k v 的电缆在第一次世界大战时开始制造。1 9 1 4 年德国的科学家m 霍斯司特发 明了屏蔽型电缆，到1 9 2 3 年苏联工程师进一步创造了分相铅包电缆【1 】。 到2 0 世纪6 0 年代，交联电缆问世，经过近半个世纪的发展，电缆制 造业已经由最初的低压电缆的制造转向高压电缆甚至超高压电缆的制造。 其中，以日本、美国和欧洲的水平最高。近年来，我国交联电缆生产线已 超过1 0 0 多条，其中三分之一可以生产高压交联电缆。由于局域网改造的 需要，从1 9 9 9 年开始，中压交联电缆年需求量已达3 5 00 0 0k m 。对1 1 0k v 高压电缆，已从1 9 9 8 年的年需求量5 0 0k m 达到1 9 9 9 年的10 0 0 - - , 12 0 0k m ， 2 0 0 0 年后，国内已有2 5 3 0 条高压交联电缆生产线启用【2 3 l 。 1 2电力电缆故障测距的意义 自电力电缆发明以后，就在世界各国的电力系统中得到了越来越广泛 的应用。电力电缆具有安全、可靠、分布有利于美化城市与优化厂矿布局 等优点。随着我国经济的迅速发展，城市规模的不断扩大，由于土地资源 紧张，同时为美化环境，电力电缆在我国获得了越来越广泛的应用堋。 但是，由于电缆的制造工艺、产品质量、安装运行环境、管理维护等 燕山大学工学硕士学位论文 原因，电力电缆也会发生故障，快速的检测并排除故障对提高电力系统的 可靠性和稳定性，以及保证用户用电质量具有决定性的作用。 通过对全国主要城市、冶金和石化系统的1 2 6 家电力电缆运行维护单 位9 10 0 0k m 电压1 0k v 的电力电缆在1 9 9 7 至2 0 0 1 年期间的故障统计， 表明，1 0 一2 2 0k v 电力电缆的平均运行故障率由1 9 9 7 年的1 1 3 次( 1 0 0 k i n 口1 逐年下降到2 0 0 1 年度的5 2 次( 1 0 0 k m d ) ，相比经济发达国家仍高出约1 0 倍。2 0 世纪7 0 一8 0 年代投入运行的x l p e 绝缘电力电缆产品，约有3 7 0 0 0 k m 质量不稳定，基本已进入高故障率时期。约7 0 的电缆线路经常处于过负 荷运行状态且不能够及时维护。同时，投资规模的限制使部分城市将过去 的6k v 油纸绝缘电力电缆直接升压至1 0k v 电压系统中运行，造成电缆线 路运行故障次数明显增加【5 】。 1 3电力电缆故障测距的现状 目前，我国已经能够制造出5 0 0k v 电压等级的电力电缆，1 1 0k v 电压 等级电缆已经普遍进入市区。通过对国内主要城市电力、冶金和石化系统 的电力电缆运行维护单位近几年来的电力电缆运行故障率和故障原因的统 计和分析，表明故障的主要原因是外力破坏嘲。经过对电力电缆产生故障的 原因分析，针对电缆的故障特点及起因，把电缆故障进行了分类。主要有 断线故障、主绝缘故障和护层故障三种。传统的故障测距是电桥法，但用 电桥法测量时要求知道电缆全长等资料。对电缆芯线材料的均匀性，对端 短接线电阻以及接触电阻的要求都很高，因此，目前已经很少使用电桥法。 低压脉冲法是受雷达原理的启发而发明的。它利用反射脉冲和发射脉 冲的时间差及电缆的波速来计算故障距离，它可以很准确地测出断线、短 路及低阻故障，但很难测量高阻故障。高压闪络法可以较好的测试高阻和 闪络性故障，它具有波形容易理解、操作安全、接线方便等优点。国内外 的文献资料对于行波法都有比较多的研究。有的文献把行波测距分为a ，b ， c 型三种类型。有的文章分析比较了各种故障测距类型的测量盲区问题。 还有的把置信系数的概念运用到故障极性识别上，也得到了较好的效果。 有的提出了相关分析定点法确定行波的到达时刻。有的针对a 型( 单端测距 2 第1 章绪论 法) 和d 型( 双端测距法) ，对变电站的故障实例进行了研究。还有的提出了 带补偿的d 型双端行波测距算法。也有人提出了利用晟小二乘法进行输电 线路故障测距的算法，利用电缆线路的分布参数，根据功率平衡原理计算 故障点的方法，以及借助g p s 时钟精确确定脉冲的到达时刻掣7 1 ”。 1 4 小波分析方法 近年来，随着小波理论自身的发展和世界范围内小波分析算法研究热 潮的兴起，以及高速a d 技术和d s p 技术的发展和广泛应用，小波分析应 用于电力系统暂态信号分析与处理的优势已经展现出来。国外从1 9 9 3 年开 始把小波理论引入电力系统，我国则从1 9 9 4 年开始引入小波分析【1 2 】。文献 w a v e l e t sa n dp o w e rs y s t e mt r a n s i e n t s ) ) 是第一篇公开发表的将小波理论运 用于电力系统的文章，它提出了一种用于识别电力系统扰动软件的研制方 法【1 3 】。同年，r i b e i r o 发表了一篇把小波应用于电力系统的介绍性文章。 r i b e i r o 由于他的两分发言稿【1 4 “6 1 ，从而被公认为是第一个将小波带入电力 工程应用的学者。1 9 9 6 年后，国外有关小波变换在电力系统中的应用研究 得到广泛开展。小波理论在电力系统电磁暂态分析方面的应用，只有国外 少数几个学者在继续研究，国内研究最多的是利用小波变换分析解决继电 保护与故障定位问题。 电力系统发生故障时，系统电压、电流波形会发生突变。当选用平滑 函数的一阶导数作为小波函数时，信号的奇异点在小波变换下将出现模极 大值，而且奇异程度可通l i p s c h i z 指数来表示，其数值可由不同尺度下的 小波变换模极大值计算出来。l i p s c h i z 指数越大，函数越光滑，对于常用信 号，其l i p s c h i z 指数小于零，模极大值幅度随尺度增大而增大；对于测量 信号中混杂的噪声，其l i p s c h i z 指数小于零，模极大值幅度随尺度增大而 减小，这一性质可被用于对电力系统信号进行奇异点检测和消噪。也可用 于对行波故障进行测距。该法利用小波奇异点检测确定线路故障发生时刻 及其两次行波波头到达检测点的时间间隔，从而推算出故障位置，达到故 障定位的目的【1 7 以8 】。在有的文章中，提出了一种基于小波重构的电力电缆 故障测距方法，该方法利用脉冲电源作用下故障相与健全相的电流差作为 3 燕山大学工学硕士学位论文 测量信号，再利用小波变换对其做多尺度分解，对高频分解信号进行单支 重构，得到脉冲的精确到达时刻。有的文章分析了利用小波变换模极大值 的方法，实现了在强噪声中提取信号，再现信号突变的功能。有的人提出 对故障相和无故障相进行比较并同时进行小波分解，从而找到两波形相分 离的时刻的方法。另外有一些文章则对电力电缆的调试和测距方法进行了 现场的试验，并且与仿真结果进行比较分析，说明故障不受电压相角等因 素的影响 7 , 2 0 2 1 】。 总之，小波变换在电力系统中应用虽然仍处在起步阶段，但其应用十 分广泛。随着数字信号处理技术的发展，小波算法成为可能，这使小波变 换在电力系统中的应用将进一步深入，小波分析在电力系统方面将有更广 阔的应用前景。 1 5 本课题研究的内容和目标 本论文主要完成了以下几方面的工作： ( 1 ) 在查阅了大量文献的基础上，对电力电缆的故障类型以及故障成因 进行了总结。针对常见的故障类型，提出了相应的测量方法。 ( 2 ) 在详细分析电力电缆电气特性的基础上，得出了电力电缆分布参数 的计算公式，并且分析了波在电力电缆分布参数中的传播规律。 ( 3 ) 建立了现代行波测距法中低压脉冲法、直流高压闪络法仿真模型， 得到了仿真结果，总结了各自的优缺点，并且对电力电缆不同的故障距离 和放电电容容量进行了仿真分析，并得出了一些有价值的结论。 h ) 把信号相关原理与小波分析相结合，给出了一种新的检测故障脉冲 起始点的方法，实现了脉冲起始时刻的准确检测。 ( 5 ) 以m a t l a b 为编程工具，绘出了该方法的计算流程图。 以往电力电缆行波法故障测距，都是利用脉冲信号中两脉冲到达测量 端的时间差来计算故障点的距离，脉冲时刻主要由观察法得到，而且采集 到的故障信号具有较大的随机性，因此对于脉冲波头到达时刻的确定非常 困难。虽然近年来采用小波分解来确定波头到达时刻的方法，被越来越多 的运用到故障测距中来，但由于高频信号的损耗大，噪声也大，这对小波 4 第1 章绪论 分解后奇异点的搜索带来一定的困难，本文把信号相关技术与小波分解结 合起来很好的解决了这一问题，实现了脉冲时刻的自动检测。 对采集到的原始故障信号先进行小波分解，运用合适的小波方法及分 解层数，分解后得到高频分解信号和低频分解信号，再对低频重构信号应 用信号相关技术，得到粗略的脉冲时刻，根据模极大值搜索方法，逐层向 高频重构信号进行搜索，最终得到精确的脉冲时刻。 1 6 本论文的结构 本文以电力电缆为研究对象，对其进行故障分析和测距研究。第一章 介绍了电力电缆故障测距的意义和国内外研究的现状，指出电力电缆故障 测距对于电力系统的稳定、保护用电设备和保证用户的用电质量都具有十 分重要的意义。第二章分析了电力电缆的电气特性，得出了电力电缆分布 参数的计算公式，介绍了波在电力电缆中的传播理论。 第三章分析了电力电缆故障的成因，主要有机械损伤、施工和运行维 护不当等，对各种故障进行了分类总结。第四章针对常见电力电缆故障具 体提出了常用的测量方法，建立了仿真模型。传统的电力电缆测距方法是 电桥法，现代电力电缆测距方法分为低压脉冲反射法、直流高压闪络法、 冲击高压闪络法和远端短路环法。本章在详细分析各种方法的原理、接线 图和故障极性的判别基础之上，提出了电力电缆短路、断路和高阻故障的 仿真模型，得到了仿真波形，并对仿真结果进行了分析。第五章对一故障 信号利用文章所讲的方法，把信号相关与小波分析相结合，进行了详细的 分析，实现了脉冲时刻的自动检测，并且给出了计算过程。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章电力电缆的电气特性分析 电气参数对于电力电缆是至关重要的。它决定了电缆的传输性能和传 输容量。这是由于传输容量主要取决于各部分的损耗发热，而损耗则是根 据电气参数来计算的。电气参数主要有导电线芯电阻、绝缘电阻、电缆的 电感和电容。电气参数往往作为检查电缆质量和工艺的指标和依据，下面 分别予以介绍。 2 1 电力电缆电气参数的分析 2 1 1电力电缆导电线芯电阻 最高工作温度下，单位长度导电线芯的交流电阻由下式计算【6 】： r = r ( 1 + 雎+ _ y 。) ( 2 - 1 ) 式中r 1 为最高工作温度下，导电线芯的单位长度直流电阻，单位为r v m ； 以为集肤效应因数：儿为邻近效应因数。 最高工作温度下，单位长度导电线芯的直流电阻用下式计算： r 。= 粤il + a ( o 一2 0 。) i 毛也屯颤也 ( 2 2 ) a 一 一 式中4 为线芯截面积，假如线芯由月根相同直径d 的导线绞合而成，则 彳：! ! 答；p 。为线芯材料在温度为2 0 。c 时的电阻率；晓为2 0 对每 4 度温度系数常数；0 为最高工作温度，毛为单根导线加工过程中引起金属电 阻率增加所引入的系数，它与导线直径大小，金属种类，表面是否有涂层 有关，线径越小，系数越大，一般可取1 0 2 1 0 7 ；k 2 为由于多根导线绞合 使单线长度增加所引入的系数，一般取1 0 2 ( 2 5 0m l t l 2 以下) 1 0 3 ( 2 5 0m m 2 及以上) ；k 为因紧压过程使导线发硬，弓i 起电阻率增加所引入的系数，一 般取1 0 1 ；屯为因成缆绞合，使线芯长度增加所引入的系数，一般取1 0 1 左右；丘为因考虑导线允许公差所引入的系数，对紧压结构一般取1 0 l 左 第2 章电力电缆的电气特性分析 右。 集肤效应因数即由于集肤效应使电阻增加的百分数，可由下式求得： 4 弘2 1 9 2 + 0 。s x 式中置2 = 1 - t，其中，为电源频s4率，工频50hz：月。为单位长(2-度3)8zf x 1 0 - 7 电缆导体线芯直流电阻( 见式( 2 - 2 ) ) ，单位为叫m ；t 为除分割导体取0 , 4 3 5 外均取1 。 邻近效应因数y 。即由于邻近效应使电阻增加的百分数，可用下式表示： 蚱= 茄c 争2 蚱2 面葡 ( 2 4 ) 式中巧z ：芝1 0 k p ，其中，、r 同式( 2 3 ) ，除分割导体取o 3 7 外， 其他型式线芯取0 8 1 ；皿为线芯外径，对于扇形芯电缆，等于截面积相 同的圆形芯的直径，如a 为线芯截面，则扇形芯等效圆的直径为皿：、塑； s 为线芯中心轴间距离，对于扇形多芯电缆s = 皿+ ，a 为线芯间绝缘层 厚度，其邻近效应因数儿为式( 2 4 ) 计算所得值乘2 3 。 对于高压充油电缆，线芯为中空结构，其t 可按下式计算： t = 丽d c - , d o 媸) 2 ( 2 _ 5 ) 式中d o 为线芯内径( 中心油道直径) ；d 。为具有相同中心油道的等效实芯 导体的外径。 2 i 2 电力电缆的电容 电缆本身便是一个标准的圆柱形电容器。导电线芯和接地的金属屏蔽 毒 + r 噬一。 珂 3o 燕山大学工学硕士学位论文 层( 或金属护套) 构成了电容器的两个极。电容电流将会限制电缆的传输容量 和长度。通过电容的测量，也可检查电缆的质量和工艺。所以电容亦是电 缆较重要的一个电气参数。 单芯电缆电容的计算可忽略边缘效应。介质中任一点的电场均沿半径 方向分布。类似绝缘电阻的计算方法，在绝缘中距电缆中心x 处取单位长度 的小圆柱体，据高斯定理，穿出均匀介质中任意闭合面的电场强度矢量的 通量，恒等于闭合面内所包围的电荷的代数和与介质的介电常数之比，而 与闭合面的形状、大小、电荷分布无关。 单位长度电缆的电容为； c = 昙2 毒。莓跏 ddj 式中口为绝缘层外径，d c 为导电线芯外径( 含内半导电层) ，g 为线芯所带 电荷，e ，为介质的介电常数，为真空介电常数，e 为绝缘材料的相对介 电常数。为方便计，可以将式( 2 6 ) 写成： c ：孚1 0 mfm(2-7) 式中g 为几何因数。 对于多芯圆形芯电缆，三芯联在一起金属屏蔽层( 或金属护套) 的电容： c ；5 5 。7 n g 1 0 一1 2fm(2-8) 对于扇形芯电缆，三芯联在一起对金屑屏蔽的电容： c - 5 5 7 。n 8 1 0 1 2v m(2-9) g 1 f g 及f 值均可从相关文献的电缆几何因数曲线中查得。 2 1 3 电力电缆的电感 在工频下，电磁场为缓变场。可仅考虑由于磁场的变动而引起的感应 电压，而感应电压反过来对磁场的影响可不必考虑，且磁场按恒定磁场计 第2 章电力电缆的电气特性分析 算。 ( 1 ) 单相回路电缆的电感在实际工程中，可将线芯内部磁通链所产生 的电感称为内感，：线芯外部所有磁通产生的电感称为外感己。按个回路的 电感为二者之和： 三=上。+厶(2-lo) 图2 1 为计算内感的示意图。设导电线芯的直径为口，材料的磁导率 为“。导电线芯为铜和铝，他们均为非磁性材料，其磁导率可认为等于真 空磁导率( = 4 z x l o _ 7 h i t io 图2 - 2 为计算外感的示意图，图中可近似认 为电流集中在线芯的几何中心轴线上，在离电缆中心轴线x ( x 见2 ) 处的 磁场强度为两个积分曲线所链磁通在x 处产生的磁场强度的叠加。 a 图2 - 1 计算线芯内感说明 圈2 - 2 计算线心外愿倪明 f i g 2 1t h ei l l u s t r a t i o no f t h ew i r e si n t e r f i g 2 - 2t h ei l l u s t r a t i o no f t h ew i r e so u t e r i n d u c t a n c ei n d u c t a n c e 对于中空线芯结构，如有中心油道电缆的线芯厶可用简化公式( 2 1 1 ) 表 示。在一般情况下见s 故= 譬l n 苦对每根电缆而言，磁通链为其 一半，故每单位长度电缆的外感丘可用公式( 2 1 2 ) 表示： - o s 1 _ ( 秒卜- 7 h m ( 2 - 1 1 ) t = 旦2 1 = 盟2 7 r h 軎= ( 2 1 1 1 差) 1 旷h m ( 2 - 1 2 ) g d 、d 。 l 燕山大学工学硕士学位论文 式中d ，为线芯外径，d n 为中空油道内径，s 为线芯间距。 ( 2 ) - - 相回路电缆的电感电力电缆在实际工程中，尤其高压输电线路 均为三相水平直线敷设和三相等边三角形敷设( - - 芯电缆亦属此列) 。均可近 似地使用单相回路电感的计算公式，即： ，g 厶= l 2 = 上3 = t + ( 2 1 n 争1 0 - 7h r l l ( 2 - 1 3 ) 值得指出的是，对于水平直线敷设的三相电缆，为了保证线路平衡运 行，电缆经过一定长度后需进行换位敷设。如下图2 3 所示： a b c 图2 - 3 电力电缆换位示意图 f i g 2 3t h ep o s i t i o nc h a n g e ds k e t c hm a po f t h ep o w e rc a b l e 此时电感应取三段电感之平均值即： 工= 半= 厶+ 2 ( 1 n 2 夺”s l s 2 s 3 ) l o 。h m 若s 1 = 曲= s ；品= 2 s 时上式为： = 厶+ 2 m 孥) 1 0 4h m 2 2电力电缆分布参数的波传播 r 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 电磁波的传播过程叫做波过程。在波的作用下，电缆的等值电路要用 分布参数电路来表示。也可以说，波过程就是分布参数电路的过渡过程。 分布参数电路最根本的特点在于电压和电流不但是时间t 的函数，而且是位 置x 的函数。 2 2 1 长线的基本概念与等效电路 传输线本身的长度，远远长于它所传播的电波的波长a ( 即z a ) 时，这 1 0 第2 章电力电缆的电气特性分析 种传输线即称为长线。对于传输脉冲电压波而言，长线的长度z 大于脉冲的 宽度屯。所以，上述长线的“长”，是相对于波长；l ( 或脉冲t ，) 而言的。下 面举例说明长线的概念( 3 4 j 。 设电波的频率为，波速为v ，其波长a = v f 。工频( ，= 5 0 h z ) 电波 在空气中传播时，其波速v = 3 1 0 8m s ， 波长2 , = v f = 3 x l o * 5 0 ：= 6 x 1 0 6m ； 高频( f = 1 0m h z ) 电波在空气中传播时，, = v f = 3 x l o s 1 0 7 = 3 0n l 。根据上 述长线的概念，10 0 0i i 1 长的电缆，对克= 3 01 1 1 的高频电波来说，它是“长 线”，对a = 6 x 1 0 6 m 的工频电波来说，则它就不是“长线”了。 传输电缆随着所传送电波的电压和频率的升高，芯线和外皮间的位移 电流和漏电流就越来越不可忽略。另外，芯线中的电流不仅会因导线有直 流电阻而在导线上产生电压降，而且还会产生交变磁场，此磁场又会感生 | ： 出自感电动势工半。因此，电缆传输线路，在工频时，不能简单地看成是 讲 由导电芯线、绝缘和护层构成的，而是还要包括沿电缆长度分布许许多多 的电阻、电导、电容和电感元件( 等效元件) ，这些元件的参数称为电缆传输 线路的“分布参数”。每一段处于工作状态的电缆传输线路( 等效长线) 的等 效电路，如下图2 4 所示： 二二堡l o l l j 图2 4 一段传输电缆的等效电路 f i g 2 - 4t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f o n ec a b l e 图2 - 4 中r o 、kg 。、c o 分别为每小段( 无限小) 电缆传输线路的电阻、电 感、电导和电容。 2 2 2电力电缆分布参数的传输特性 由于电缆传输的是高频电压波，因此可以忽略电阻和电导上的损耗。 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 这样，就可以认为处于工作状态的电缆线路中分布参数只包括电感和电容。 若以元件厶和c o 分别等效代表电感和电容分布参数则可绘出图2 5 所示的 等效电路。 圈2 - 5 忽略电阻和电导时传输电缆的等效电路 f i g 2 5t h ee q u i v a l e n to fo r ec a b l ew i t h o u tr e s i s t a n c ea n dc o n d u c t a n c e 因为厶和c o 都是惰性元件，所以从a 端施加电压后b 端并不能立即得 到电压。因为厶中不能立即产生电流，电容c 0 上的电压也不能立即建立， 而要经过一定时间使厶中的电流和c 0 上的电压建立起来，最后使端点b 得 到电压。所以，电波从a 点传到b 点要经历一定的时间，也就是说电波在 电缆中传播有一定的速度。 ( 1 ) 电缆中电波的传播速度v 假定a 、b 两个端点之间的距离为厶从 a 端施加电压起到b 端得到电压为止，经历的时间为l 那么电压波的传 播速度v 为： v：一l(2-16) ”5 一t 经分析可知：v = - 1 ：一二 q l b s 秘 式中c 光速，c = 3 1 0 8 m s ； “电缆芯线周围介质的相对导磁系数； s 电缆芯线周围介质的相对介电系数。 可见，电缆中电波的传播速度v 与电缆的介电性能有关。所以，同一 电波在不同绝缘材料的电缆中传播，速度不同。 经测量可知，对于油浸纸绝缘电缆，v * 1 6 0r n p s ；对于塑料电缆， v 1 7 0 2 0 0m i x s ；对于橡胶电缆，v 2 2 0m l a s 。 第2 章电力电缆的电气特性分析 ( 2 ) 电缆的特性阻抗z c电缆作为传输线用于连接电源和负载，对于终 端匹配的电缆，其输入端的电压与电流之比就是电源的集中阻抗。把从始 端推进的入射波的电压与电流之比称为电缆的特性阻抗，用z ，、表示。经分 析可知： z c = t - = 厶c 0 ( 2 - 1 7 ) f 厶和c 0 除与电缆所用介质材科的介电系数和导磁系数有关外，还与电 缆芯线的截面和芯线与外皮之间的距离有关。所以，不同规格和种类的电 缆，其特性阻抗也不同，而且电缆芯线的截面越大，特性阻抗越小。例如， 油浸纸绝缘电缆的特性阻抗在1 0 - - 4 0q 之间。 ( 3 ) 电缆中电波的反射与反射系数电波从a 端到达b 端后会发生什么 现象，取决于终端b 的情况。若终端阻抗匹配，电波特技匹配负载吸收； 若终端阻抗不匹配，则将随阻抗大小的不同而产生不同的反射。电缆中任 何一点的阻抗不均匀也会引起不同的反射。反射的强弱可用反射系数来表 示。假定a 端的入射电压波为u ，b 端的电压波为7 2 ，负载为z 1 ，电路如 图2 - 6 所示。终端电压“：总是等于入射电压与反射电压之和，即屿一蜥+ ， 终端电流厶总是等于入射电流与反射电流之差，即l = 一l 。据此可得： z l = i u 2 一_ 下u f f 了- u b ( 2 - 1 8 ) 。i li f i b b 叱 【 f 、i 图2 - 6 电缆中电波反射等效电路图 f i g 2 - 6t h er e f l e c tw a v eo f t h ee q u i v a l e n tc a b l ec i r c u i t 根据波阻抗的定义可知：u f = z c ；= 厶z c 。将此代入式( 2 - 1 8 ) 后化 简得： ( z l z c ) l = ( z l 十z c ) l( 2 - 1 9 ) 13 燕山大学工学硕士学位论文 因此得反射系数n 为 n ：翌：量：丝 “f z l + z c 显然，匹配时：z l = z c 开路时；z l 乙 短路时：z l = 0 。：丝：o z l + z 。 h ：z l - - - z c ：l z l + z c n ：丝：一1咒= = = 一l f 2 - 2 0 ) 当z l 为电感时，反射系数为： ：i u e b ：2 e t 一1 ( 2 ，2 1 ) 坼 0 当t = o 时：n ：2 e t 一1 = 2 一l = 1 1 t = f 时：胛= 2 e 一1 = 三一1 ；o 2 6 e t 寸时：疗= 2 e 一。一1 = o - 1 = - 1 由此可见，当终端接电感之后，反射系数将随时间推移从+ l 向一1 变化。 因为当t = o ，即电压波刚刚到达终端时，三上的电流不能突变，此时，相当 于电感开路。所以， = + 1 ；当t - - 时，电感上的电流稳定，电压为零， 电感的感抗为零，此时相当于电感短路，因此，l = 一1 。当r 由0 斗o d 时，n 按指数规律由+ 1 向一】变化。 2 3 故障点击穿闪络及其等效电路 电力电缆的故障是多种多样的，有时还是千变万化的。电力电缆故障 闪络测距法建立在故障点击穿闪络的理论基础上，即通过故障点击穿闪络 而得到故障波形。 电缆故障除金属性接地故障不放电之外，其它的基本上都能用不同的 加压方式( 直流电压或冲击电压) 产生放电闪络，其原因是绝缘性能破坏后， 介质强度下降，这时只要外加的某种电压( 直流电压或冲击电压) 超过介质的 1 4 第2 章电力电缆的电气特性分析 抗电强度，故障点就会发生介质击穿，产生闪络。这个过程发生在强电场 中。发生闪络时，介质中自由电子碰撞中性分子，使其激励游离而产生新 的电子和正离子。这些电子和正离子获得电场能量，又与别的中性分子相 互碰撞，再产生激励游离，又产生大量的电子和正离子，这样使介质的电 子流的“雪崩”加剧，造成介质击穿，从而使故障点被强大的电子流瞬间 短路。这种游离是需要一定时间的，这个时间称为故障点的击穿迟延时间。 在击穿闪络过程中，由于电流和损耗的存在，从而伴随产生热效应，导致 故障点的绝缘加速破坏，故障电阻逐步降低，进而又更进一步加速故障点 的击穿进程【3 5 埘】。这就是闪络测距法的物理基础。 可以用故障点放电间隙d 和阻值为r 。的故障电阻相并联的等效电路， 结合击穿电压n ，来等效说明电力电缆在高压下发生击穿的物理过程。等 效电路图参见图2 7 ： 2 4 本章小结 图2 7 故障点击穿的等效电路 f i g 2 - 7t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f t h ef a u l tp h a s e 本章分析了电力电缆的电气特性，得出了电力电缆主要参数的计算公 式，然后系统的介绍了长线和短线的概念，并且分析了波在电力电缆中的 传播规律，本章的最后给出了电缆故障点击穿的电路模型，为后面的计算 和仿真打下了理论基础。 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章电力电缆故障的成因和分类 电力电缆供电以其安全、可靠、分布有利于美化城市与厂矿布局等优 点，获得了越来越广泛的应用。电力电缆( 以下简称电缆) 多埋于地下，如果 发生故障，寻找起来十分困难，往往要花费数小时，甚至几天的时间，不 仅浪费了大量的人力、物力，而且会造成难以估量的停电损失。如何准确、 迅速、经济地查寻电缆故障使成了供电部门日益关注的问题。 3 1电力电缆故障的成因 了解电缆故障的原因，对于减少电缆的损坏，快速地判定出故障点是 十分重要的。电缆故障的原因大致可归纳为以下几类口7 】： 3 1 1 机械损伤 机械损伤引起的电缆故障占电缆事故很大的比例。有些机械损伤很轻 微，当时并没有造成故障，但在几个月甚至几年后损伤部位才发展成故障。 造成电缆机械损伤的主要原因有： ( 1 ) 安装时损伤在安装时不小心碰伤电缆，机械牵引力过大而拉伤电 缆，或电缆过度弯曲而损伤电缆。 ( 2 ) 直接受外力损坏在安装后电线路径上或电缆附近进行城建施工， 使电缆受到直接的外力损伤。 ( 3 ) 行驶车辆的震动或冲击性负荷会造成地下电缆的铅( 铝) 包裂损。 ( 4 ) 因自然现象造成的损伤如中间接头或终端头内绝缘胶膨胀而胀裂 外壳或电缆护套；因电缆自然行程使装在管口或支架上的电缆外皮擦伤： 因土地沉陷引起过大拉力，拉断中间接头或导体。 3 1 2 材料缺陷 材料缺陷主要表现在三个方面。一是电缆制造的问题，铅( 铝) 护层留下 的缺陷；在包缠绝缘层过程中，纸绝缘层上出现褶皱、裂损、破e l 、重叠 1 6 第3 章 电力电缆故障的成因和分类 和间隙等缺陷；二是电缆附件制造上的缺陷，如铸铁件有砂眼，瓷件的机 械强度不够，其它零件不符合规格或组装时不密封等；三是对绝缘材料的 维护管理不善，造成电缆绝缘层受潮、脏污和老化。 3 1 3 绝缘老化变质和绝缘物流失 电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离使绝缘性能下降。当绝 缘介质电离时，气隙中产生臭氧、硝酸等化学生成物，腐蚀绝缘层，绝缘 层中的水分使绝缘纤维产生水解，造成绝缘下降。 过热会引起绝缘层老化变质，电缆内部气隙产生电游离造成局部过热， 使绝缘层碳化。电缆超负荷运行是电缆过热的重要因素。安装于电缆密集 地区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆以及 电缆与热力管道接近的部分等都会因本身过热而使绝缘层加速损坏。 油浸纸绝缘电缆敷设时地沟凸凹不平，或处在电杆上的户外头，由于 起伏、高低落差悬殊，高处的绝缘油流向低处而使高处电缆绝缘性能下降， 导致故障发生。在分析电缆故障发生的原因以及寻找故障点时，极重要的 是要特别注意了解高压电缆敷设、故障及修复的情况。耍注意做好电缆安 装敷设及故障修复过程中的记录工作。 3 1 4 其它成因 可能造成电力电缆故障的原因还有电缆绝缘受潮、高电压、制造和设 计工艺不良、护层腐蚀等等。出于制造缺陷而造成的电缆故障是不多的， 但是分析了解可能造成电缆故障的原因，对寻找电缆故障点是很有帮助的。 例如，通过测距知道了电缆的故障距离，而在对应位置上，发现近期进行 过城建施工，就可以怀疑为在施工的过程中损伤了被测电缆而引起了故障， 往往不需要费很大功夫，就能很快地对故障进行定点。 3 2电力电缆故障的性质与分类 由于电力电缆的种类繁多，如按电压等级分类，大约有三大类：低压 电缆、中压电缆、高压电缆：若按绝缘材料分类，大约有四大类：油浸纸 燕山大学工学硕士学位论文 绝缘电缆、塑料电缆、橡皮电缆、充油或充气电缆等。由于电力电缆的种 类较多，结构组成不尽一致，加上人们的工作属性和人们的目的要求不同 等原因，使得电缆故障的分类方法较多，这里归纳为以下几种n 况t 3 * l ： 3 2 1 按电缆的组成材料分类 分析电力电缆的结构组成，我们可以得出电缆主要由两大部分组成： 金属导体，如导体芯线、金属屏蔽层、金属外护套等；绝缘体，如主绝缘 层( 油浸纸、聚氯乙烯( x l p e ) 、聚乙烯( p v c ) 、橡胶( p e ) ) ，非金属外护层( p e 、 p v c ) ，因此电缆故障也分为两大类： ( 1 ) 导体故障也称开路故障，顾名思义，导体故障是电缆中的金属导 体所出现的故障，这里主要指芯线导体( 如铜线、铝线) 和金属屏蔽层( 如铅 包、铜带) 故障。以导体芯线为例，如图3 1 所示： a + b c 图3 - 1 导体线芯示意图 f i g 3 - 1t h es k e t c ho f w i r eb o d y 在图3 - 1 中，电缆芯线的正常电阻值应为：心a l - l s = ro 。 式中三为电缆长度，s 为芯线截面面积，因此当电缆成型后，其电阻值r 是一个定值( 一般为毫欧级) 。所以，只有当心。r 才认为导体有闽题，在 实际中有两种情况，即以下两种故障： 断线故障：即r 。= 。，也就是说电缆的芯线或金属屏蔽层在某一处或 多处断开，如实际中，电缆被人为挖断、电缆被烧断、在电缆接头处，电 缆芯线或电缆的两边屏蔽层根本没有连接上，x l p e 电缆在生产过程中屏蔽 层不连续等。 似断非断故障：即r 。民m ，如电缆的芯线或金属屏蔽层某处似 连非连，接头部分芯线或屏蔽层处理不好等。这种故障一般人们不易发现， 但实际中是确实存在的。 1 8 第3 章电力电缆故障的成因和分类 对于以上两种情况的导体故障我们统称为丌路故障。因此，开路故障 的确切定义为：电缆的导体损伤导致导体断开或似断非断的情况。导体包 括电缆的芯线和金属屏蔽层。断线故障是开路故障的一个特例。 ( 2 ) 绝缘故障电