（电力系统及其自动化专业论文）电力电缆故障低压脉冲自动测距方法研究.pdf

郑州大学t 学硕i ：论文 a b s t r a c t p o w e rc a b l eh a st h ea d v a n t a g e so fs a f e t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n db e a u t i f i c a t i o no f u r b a nl a y o u lw i t hd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y , t h ea p p l i c a t i o no fp o w e r c a b l ei sm o r ea n dm o r ew i d e l yi nu r b a nd i s t r i b u t i o ns y s t e n la l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n g a p p l i c a t i o na n dr u n n i n gt i m eo f p o w e rc a b l e t h ef a u l to c a 鹏a l ea l s om o r ea n dm o r e f r e q u e n t l y , w h i c hb r i n g sf o r t h1 1 8 0 1 h u g ed a m a g e t h e r e f o r e , e x a m i n i n gt h ef a u l to f p o w e rc a b l ef a s t l ya n da c c u r a t e l ya n df i n d i n go u tt h ef a u l tp o s i t i o nh a v et h ee x t r e m e l y s i g n i f i c a n c et og u a r a n t e et h ep o w e rq u a l i t y a tp r e s e n t 仕a v e l i n gw a v em e t h o di sw i d e l yu s e di nt h ec a b l ef a u l tl o c a t i o n , w h o s e m e r i ti st h a ti t sv e r a c i t yo f l o c a t i o ni sn o ti n f l u e n c e db yt h ef a u l tt y p et h e o r e t i c a l l y b u t t h et r a v e l i n gw a v es i g n a la r e n u a t e s 嬲ar e s u l to f t h el i n ec o r ei n s u l a t i o nd i e l e c t r i cl o s s t h er e f l e c t i o no ft h ej o i n ta n do t h e rd i s t u r b a n c e s ，s ot h ed i r e c t l ya u t o m a t i cl o c a t i o nt o t h ef a u l to fc a b l ei sv e r yd i f f i c u l t g e n e r a l l yo p e r a t o r sf i r s t l yr e g u l a t et h ew a v eo ft h e f a u l ts i g n a lt ot h ea p p r o p r i a t es i z ei nt h ed i s p l a ys e r e a no f t h el o c a t i o ni n s t r u m e n t ，t h e n s e p a r a t e l ym o v et h ec u r s o rt ot h ed i s c h a r g ep u l s ea n dt h er e f l e c t i o np u l s ei n i t i a ls t a t i o n , f i n a l l yc o m p u t et h ed i s t a n c eo ft h ef a u l t t h i sm e t h o di sn o tc o n v e n i e n tf o rt h eu s e r s a n dt h ep r e c i s i o ni sf i m c t i o n e db yt h eu s e r se x p e r i e n c e i t si n t e l l e c t u a l i z e dd e g r e ei s l o w e r k i n d so fd i s t u r b a n c e sa n dt h ea t t a c h m e n tr e f l e c t i o nb r i n gd i f f i c u l t i e st ot h e r e c o g n i t i o na n dt h el o c a l i z a t i o no f t h ef a u l t i nt h i sp a p e r , a l li n t e l l i g e n tm e t h o do fc a b l ef a u l ta u t o m a t i cl o c a t i o nw h i c hb a s e d o nt h ep r i n c i p l eo fl o wv o l t a g ep u l s er e f l e c t i o ni si n t r o d u c e d i ts h a p e st h ef a u l t r e f l e c t i n gw a v ei n t or e c t a n g n l a rp u l s e ，o v e r c o m e st h er e f l e c t i o no ft h ec a b l ej o i n tb y s e t t i n gt h r e s h o l dv o l m g ea n de l i m i n a t e ss o m eo t h e rn o i s ei n t e r f e r e n c e sb yc o r r e l a t i v e p r o c e s s i n gi nt h es i g n a lu t i l i z i n gc o r r e l a t i o nf u n c t i o n t 1 1 i sm e t h o dc a nc a l c u l a t et h e d i s t a n c eo ff a u l ta n dj u d g et h el o wr e s i s t a n ts h o r t c i r c u i ta n do p e n - c i r c u i tf a u l t a u t o m a t i c a l l y 1 1 1 es o f t w a r ei sr e a l i z e d0 1 1 1t h ed e v i c eo fc a b l ef a u l tl o c a t i o nb a s e do n t h ev i m l a li n s t r u m e n t , a n dap r a c t i c a lt e s ti sm a d eo n a8 1 圮t i o no fc a b l e 1 1 1 e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em e t h o di sv a l i da n dc o r r e c t i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n to fc a b l ef a u l tl o c a t i o nb a s e d0 1 1v i r t u a li n s t r u m e n ti s d e s i g n e d 田l eh a r d w a r e c o n t a i n sp u y u a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o d u c t ：t h e r v 0 31 0 0 bi n s t n m a e n t , t h ec a b l et e s t p u l s es i g n a lg e n e r a t o ra n dt h e n o t e b o o k i i e 皂力乜缆故障低压脉冲自动测距方法研究 c o m p u t e t h em a n - m h i n ec o 咄l c ti 玎t e r f i c eo fd i 百t a im e a s t a - i n gs y s t e mw l l i c hb 硒e d o nv i r t u a li n s l r u m ti sd 韶i 弘c db y 砸i n gv 岱u a lb a s i c6 0 鹬t h e 、，i s i b l ep r o 孕a m m i n g l a i l g u a g e t h e f t w a r em c l u d 鹤i n i f i a l i z a t i o nm o d l e p a r a m d 盯s e t t i n gm o d l l l c ，d a m c o l t e c t i o n m o d l l l e d a md i s p l a y m o d l 】l ea n dd a t a p r o c e s s i n g m o d u l e t h e c h a r a 蛐o ft l l es y s t e mi n c l u d i n gr e a s o n a b l ec 0 曲删o i l ，r e l i a b l ec a p 曲i l i 坝 h i 曲i n t 叼蜥o na n dc o n v e i l i e mi n s t a l l a f i o n 伽l ys h o wt h em e r i t so f v i r t u a li n s t r u m l w i $ l l l ea i do f t h em a t l a bs i m 删o np l a t f o r m , t h es 删a f i o nm o d e lb 勰o do h l o wv o l l a g e 叫m e t h o di s e s t a b f i s h e d , a n df a u l tw a v e so fs h o r t - c i r c u i ta n d o p 盯l 叫棚i ta r cg a j l l c d t h es j l i l m a t 。dw a v oi s o c e s s e dw i m 也em e t l l o dw h j c hw a s 脚o s e d i nt h ea r t i c l e ，a n dt h em e t h o di s 幽e df e a s i b l eb yt h er e s i l l t s k e yw o r d s l o w v o l t a g ep u l s er e f l e c t i o n , f a u l t 咖a t i o nl o c a t i o n , v i r t u a li n s t r u m 龇l c o f r c l a 虹o nf u n c t i o n ，m a t l a bs 砌a t i o n 1 1 1 电力电缆故障低压脉冲自动测距方法研究 1 1 研究的意义 1 绪论 随着我国国民经济的快速发展，电力电缆在城区配电网中得到了越来越广泛 的应用。同架空线相比，电力电缆具有供电可靠性高，不受地面和空间建筑物的 影响，不受恶劣气候和鸟类侵害，安全、隐蔽、耐用，维护工作量小，防潮，防 腐和防损伤等优点。城镇市区人口稠密区、大型工厂、发电厂、交通拥挤区、电 网交叉区等地方要求供电占地面积较小，一般多采用电缆进行供叫”。 随着电缆应用数量的增多及运行时间和负荷的不断增长等原因，电力电缆发 生故障越来越频繁。由于电缆线路大多敷设在电缆沟内或埋入地下，一旦发生故 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，而且还会造成难以估量的停电损失。因此迅速、准确地确定电力 电缆故障点，可以减少停电时间，提高供电可靠性，减少故障修复费用及停电带 来的损失。电缆发生故障后一般不能通过直观法直接发现故障点，只能采用专用 仪器测试才能判断故障性质和故障距离。目前已经出现了多种实用的测距方法， 其中以行波法应用最为广泛，利用行波法可以较准确的进行各种故障测距，减小 了故障定点的工作量，有利于快速发现故障点和排除故障，及时恢复系统运行， 减小由于电缆故障而带来的经济损失。深入研究电缆故障测距技术，利用计算机、 现代信号处理技术对行波法测距系统采集的原始数据进行有效的处理，从而实现 电缆故障的自动定位具有重要的现实意义和经济价值。 1 2 国内外研究现状 电力电缆的使用已经有一百多年的历史，随着科学技术的进步，经过国内外 学者几十年的探讨和研究，电缆故障测距技术也取得了长足的发展，向着测距精 度高，自动化程度高，故障定位迅速的目标迈进。产生了多种故障测距方案。 1 2 1 阻抗法 阻抗法通过测量电缆线路单端或双端电压电流值，根据故障距离是故障电流 - l - 塑型盔兰三兰竺：三笙兰 电压的函数列写特定的故障测距方程，求得故障距离来实现故障定位。基于阻抗 法原理的测距方案大致有经典电桥法，单端电压电流值算法和双端电压值算法。 经典电桥法【2 】的理论基础为电缆线路的集中参数模型，即同种规格的电缆芯 线电阻与长度成正比。将被测电缆故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障 相与非故障相。调节电桥两臂上的一个可调电阻器，使电桥平衡，利用比例关系 和已知的电缆长度就能得出故障距离。电桥法的优点是原理简单，精度较高，但 是它的适用范围小，主要应用于电缆低阻故障测距，不能用于高阻和闪络性故障， 因为高阻和闪络性故障流过检流计的电流非常小，一般灵敏度的检流计很难探测 这样小的电流。电桥法必须已知电缆准确长度，当一条电缆线路内由导体材料或 截面不同的电缆组成时，还要进行换算。电桥法不能测量三相短路故障。 单端电压电流值算法p 7 l 的理论基础为电缆线路的分布参数模型。将正弦高压 信号施加于带高阻故障的电缆，使高阻故障点闪络，此时故障点的高阻故障就变 为电弧电阻。根据电弧是电阻性这一特性，流过故障点的电流和故障点两端的电 压同相位，采集线路首端的电压与电流后，基于分布参数线路理论就可以求出沿 线路各点的电压与电流，推导出定位方程，从而定位故障点【4 】。该方法基于严格 的理论方程推导，现场工频电场的干扰，电弧非纯电阻性而是非线性等因素均影 响其测距精度。 双端电压值算法【3 , 9 1 的原理为利用线路的长线方程，分别由两端求得的故障点 电压幅值应相等。采集两端电压信号，根据故障时沿线电压的分布规律，使用搜 索迭代法计算故障点位置。由于采用电压幅值，故不要求双端采集电压信号的同 步。理论上是可行的，仍然受测量系统固有误差的影响。 1 2 2 行波法 行波法测距的理论基础为电压电流行波沿传输线传播的波过程。以电缆线路 的分布参数建立模型，根据行波在测量端与故障点之间的传播时间及行波在传输 线上的传播速度经简单计算来确定故障位置。基于行波法【m 1 6 1 的测距方案有低压 脉冲反射法，脉冲电压法，脉冲电流法，二次脉冲法。 低压脉冲反射法主要用于低阻短路和断线故障测距【1o l ”。首先向故障电缆首 端注入脉冲电压信号( 电压信号可以选择阶跃电压或脉冲电压) ，通过测量入射电 压行波和反射电压行波的时间差来进行测距，测距公式为 工：a t x v 2 l 即为故障距离，f 为入射行波和反射行波之间的时间差，v 为行波在电缆 中的传播速度。低压脉冲反射法的优点是原理简单、直观，不需要详细的电缆原 2 皇垄皇垄垫壁堡量壁鲨皇垫翌翌立生翌塞 始资料，根据反射脉冲的极性可以分辨故障类型，还可以根据脉冲反射波识别电 缆接头与分接点的位置。缺点是不能用于测量高阻与闪络故障。 脉冲电压法又称闪测法 t 2 1 ，针对高阻和闪络性故障，利用直流高压或脉冲高 压信号击穿电缆故障点，由放电电压脉冲在观察点与故障点之间往返一次的时间 来进行测距。脉冲电压法的优点是不需要将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故 障短时击穿产生的瞬间脉冲信号进行测距，测试速度快，测量过程简单易行，已 经成为测量电缆高阻和闪络性故障的重要方法。缺点是安全性差，仪器与高压回 路有电耦合，易发生高压信号窜入，损坏仪器，危及人身安全。用该方法测距时， 高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串入电阻或者电感以便产生电压信号，这 样就降低了高压电容放电时加在电缆上的电压，使故障点不容易击穿。故障放电 时，分压器祸合的电压波形变化不尖锐，不易分辨。 脉冲电流法【m 1 5 堤在脉冲电压法的基础上发展起来的，采用线性电流耦合器 采集电缆中的电流行波信号。测试时将电缆故障点用高电压击穿，使用仪器采集 并记录下故障点击穿产生的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号在测量端 与故障点往返次所需时间来计算故障距离。由于通过线性电流耦合器测量电流 脉冲信号，无需电容与电缆间串连阻抗，与高压回路无直接电气连接，因此保证 了仪器和测量人员的安全，已经成为高阻和闪络性故障测距的主流方法，但是这 种方法存在盲区，有时波形不够明显，需要靠人为判断，仪器误差较大。 二次脉冲法( s i m ) 原理是由回波仪释放一个发射脉冲，在高阻或间歇性电缆 故障点不能被反射，仪器将显示整个电缆长度的波形存储起来，称此波形图为“完 好轨迹”。设备高压电容器放电，使电缆故障点发生闪络，故障点的电弧表现为阻 值非常低的电阻。同时回波仪被触发送出第二个发射脉冲( 低压脉冲1 ，这个加在 高压信号上的脉冲将从故障点反射。带自动数据处理的回波仪存储该故障点反射 波形，并将完好轨迹和故障轨迹进行叠加，两条轨迹将有一个清楚的发散点。这 个发散点就是故障点的反射波形点。二次脉冲法的优点是，可以避开故障点闪络 时引起强烈的电磁干扰；低压脉冲宽度可以调节；较长线路也能记录到清晰的信 号波形，提高测量精度。缺点是：所用仪器较多；由于故障点电阻要降到很小的 数值，如果故障点受潮严重，故障点击穿过程较长，测试时间相应增加，故障点 维持低阻状态的时间不确定，施加二次脉冲的控制有难度【1 6 1 。 1 2 3 其他测距方法 随着科技的不断进步和对电缆故障测距研究的深入，国内外学者提出许多采 用先进的技术手段进行故障测距和诊断的新方法。 日本学者采用脉冲电流法，由光纤电流互感器感应出故障时产生的浪涌电流 3 茎型盔主! ；兰竺丝苎 信号，利用采集速度为1 6 m h z 的快速a d 技术实现测距，其原理【l 刀为：当电缆 发生故障时，故障点产生浪涌电流向电缆两端传播，当浪涌电流到达测试端时， 对应时刻分别为和岛，传播时间差a t = k 一乞l ，设故障点到测试端的距离为工， n - 0 = t l - v a t 式中l 为电缆总长，v 为浪涌电流在电缆中的传播速度。 由于浪涌电流是一个短暂的过程，该系统采用了光磁传感器测量，采用采样 率为1 6m h z 的高速a d 转换器对浪涌波形进行采样，形成数据，以便更精确地 确定浪涌电流到达的时间差。浪涌电流在电缆传播过程中，由于频率不同衰减不 同，发生色散现象，因此浪涌波形发生畸变，上升时间也产生延迟。浪涌电流达 到比较值之前的延迟时间，对传统方法来说，是产生故障测距误差的一个重要原 因。然而，在该a d 处理方法中，未达到比较值的电流波形也被记录在预触发存 储器中，这样就可以分辨浪涌波形中的上升点，避免发生测距误差。波形可以保 存为数据文件，以便以后的分析和处理。该系统在电缆在线故障测距领域取得重 大进展，精度离实际要求相差不大，能够迅速发现故障，减少停电损失。缺点是 浪涌电流在传播过程中的色散现象以及外界的电磁干扰，会使测距出错。浪涌电 流的速度取经验值无疑也将影响测距精度。 美国学者为了克服高压脉冲法有可能对电缆的健全部分进一步造成危害的 缺陷，也提出了在线故障测距方法i l 射。出发点是将环形线开路或在线路末端设置 开路点，利用故障时产生的浪涌电压或电流在开路点发生正或负的全反射，通过 设于开路点附近的传感器得到脉冲信号，测出其脉冲问隔时间实现测距。 日本的藤仓电线公司研制出带全球定位系统( g p s ) 的故障测距系统【1 9 j 。在 该系统中，同样采用故障浪涌到达电缆两端的时间差来定位的。g p s 同步卫星装 配有高准确度的原子时钟，保证了时间、位置等信息的高度准确性。当故障点产 生浪涌电流，向电缆两端传播，到达两端时，被安装在电缆两端的光磁传感器检 测到，再通过光电转换器转变为电信号，传送到波形处理器，达到一定幅值的计 数值被波形处理器记录下来，g p s 接收器把与数据对应的时刻值送交c p u 处理， 然后通过m o d e m 和电话线传送到主站。 英国学者提出了利用基于脉冲电流法的实时专家系统 2 0 , 2 1 矧来实现电缆的故 障定位。专家系统，即用计算机来模拟专家思维，解决某一领域内的重大问题。 电缆故障测距专家系统将专家知识库作为电脑的基本数据库，用一套规则来维护 和更新该知识库。知识库可以从以往的故障事件中提取，并可以在实际应用中进 行修改。专家系统有良好的人机界面，能够给出所作决策的论据。 电力电缝故障低压脉冲自动测距方法研究 1 2 4 数字信号处理在电缆故障测距中的应用 除了设计更完善的电缆故障测距方案，制造和采用更精密的测量及其他硬件 设备外，对采样数据进行科学有效的处理，从软件的角度提高故障测距精度也是 众多学者研究的热点课题。出现了小波分析法f 哪能6 】，曲线拟合法刚，相关法【2 4 】 等数据处理算法。 行波法电缆故障测距的关键是暂态故障特征的提取，即放电脉冲与反射脉冲 的准确定位。小波分析中的多尺度分析思想，具有可调的时频窗，即时频局部化 特征，被誉为数学“显微镜”。小波具有自动“聚焦”性能，因此在处理非平稳暂 态信号等领域具有它独特的优势。文献【1 5 】是在脉冲电流测试法的基础上，针对 测距系统采集的行波信号引入小波变换，把录波数据进行3 尺度小波分解与重构， 再对重构信号进行5 尺度小波分解，在分解各尺度上检测模极大值，以确定放电 脉冲和反射脉冲的起始点k 和砭，然后由下式计算故障距离： 。= 掣 式中墨和k 指离散采样点，e 指采样频率，v 是脉冲传播速度。小波分析方法 一般可以较好地确定反射波起始点，但是如果反射波上升沿较缓，奇异性较弱时， 使用小波方法确定起始点也会带来较大误差，分解层数和母小波的选取等都会对 测距结果产生影响，有可能会出现测距误差较大，甚至出现反射波起始点不能确 定的情况。 针对低压脉冲法故障测距中，由于电缆本身存在着损耗，导致反射波波形发 生畸变，上升沿变缓，宽度增加，不利于反射波起始点的正确识别问题。文献 2 7 1 提出利用二次曲线拟合方法确定反射波起始点，即对反射脉冲上升沿的中间段数 据做二次曲线拟合，确定其视在起始点，通过视在波速建立电缆故障点与反射波 视在起始点间的联系，结果表明可以提高测距精度。 相关法也是检测反射波起始点的常用方法，因为电缆故障定位中反射脉冲是 电缆入射脉冲的响应，在均匀无损传输线的条件下两者之间只是存在时间延时， 而其它特性完全相同，即两者是完全相关的，利用这一特性可以在采集的波形中 找出反射脉冲的起始点。实际电缆为有损耗传输线，从现场测量结果可以看出反 射波相对于入射波来说波形发生了明显畸变，由于高频分量的衰减导致反射脉冲 上升沿变缓、宽度变大，入射波和反射波的相关性大大降低，因此采用相关法会 产生较大误差。 郑州大学t 学硕l 论文 1 3 本文研究内容及所做的工作 通过阅读大量国内外文献了解了当前电缆故障测距研究的现状。为了实现电 缆故障测距的精确性和缩短测距过程所需的时间，专家学者从软件和硬件不同的 角度进行了探索，产生了各种研究性的成果，但是大多仍处于理论研究阶段，或 者由于技术水平和生产成本的限制，一些采用先进技术的测距方案在相当长的时 间内不能真正大面积推广。目前现场广泛采用行波法测距方案。 实际的故障测距仪器，由于线芯绝缘介质损耗引起的行波信号衰减，中间接 头等的反射和其他干扰等因素，直接实现自动测量较困难，一股是依靠操作人员 确定放电脉冲和反射脉冲的起始点。具体的方法是在测距仪器的显示屏上将故障 信号的波形调整到合适的大小，再把光标分别移动到放电脉冲和反射脉冲的起始 点，计算出故障距离。此方法用户用起来常感不方便且定位精度与使用者的经验 有关。本文针对低压脉冲反射法提出一种自动故障测量方法，在基于虚拟仪器嗍 的故障测距仪上采用软件抗干扰方法处理采集的波形数据，实现故障自动定位及 故障类型的自动判断。 本文所做的主要工作： ( 1 ) 研究和学习行波法测距的理论基础即电缆传输线的波过程，建立电缆线 路分布参数模型的基础上，分析了行波的反射和透射现象。对行波法测距的实用 方案进行了分析。 ( 2 ) 针对低压脉冲反射法测距系统采集的波形，存在中间接头干扰，高频分 量干扰和其他干扰，采用将发射波与反射波整形，设最门槛电压及信号的相关运 算等一系列软件抗干扰方法，消除中间接头反射，高频分量和其他干扰对测距精 度的影响。实现了故障自动定位和故障性质的自动判断。针对电力电缆进行了实 测试验，实测结果验证了该方法的有效性和正确性。 ( 3 ) 设计了基于虚拟仪器的智能化电力电缆故障测距仪。硬件部分采用普源 科技出品的r v 0 3 1 0 0 b 型仪器，配合电缆测试脉冲信号发生器和笔记本电脑，并 采用高性能可充电电池为外接独立电源可连续工作。软件部分采用v i s u a lb a s i c 6 0 为可视化编程语言，结合电力电缆故障测距的特点，设计了基于虚拟仪器的数 字化测距系统的人机使用界面。并编写了包括仪器初始化、参数设置、数据采集、 数据显示以及数据处理等模块的软件。 ( 4 ) 基于m a t l a b 仿真平台，对低压脉冲反射法的原理进行了仿真研究， 并对仿真波形采用上述软件抗干扰方法进行处理，验证上述方法的可行性。 电力电缆故障低压脉冲自动测距方法研究 2 1 引言 2 电缆线路行波测距理论分析 目前现场广泛采用行波法进行电力电缆故障测距。行波法测距的理论基础为 电压电流行波沿传输线传播的波过程。因此本章介绍电压、电流波在电缆线路里 传播的行波理论，以便更深入的理解基于电压、电流波传播原理的电缆故障测距 技术。 2 2 电缆的长线模型与等效电路 电力电缆属于传输线的一种，传输线本身的长度，远远长于它所传播的电波 的波长五( 即，a ) 时，此时传输线称为长线 2 1 。由于脉冲电压行波中含有大量 的高频分量( 脉冲电压行波宽度越窄，上升沿越陡，则高频分量越大) ，这些高频 分量的波长相对于电缆长度来说很小。传输电缆随着所传送行波的电压和频率的 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丽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一；。因此，行波在电缆中的传输过程不能简单地 讲 用集中参数模型对电缆的暂态行波过程进行分析，而是应该把电缆近似看成由许 许多多的电阻r 、电导g 、电容c 和电感l 元件( 等效元件) 按图2 1 联接方式 组成。这些元件的参数称为电缆传输线路的分布参数。由这些等效元件联接构成 的模型即为电缆分布参数模型，它是集中参数元件构成的极限情况。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，如图2 1 所示。 图2 1 电缆的等效电路 f i g 2 1 t h e e q u i v a l e n tc i r c u i to f c a b l e 7 - 签丛盔兰三：兰里圭丝兰 由于电阻、电导、电容和电感这些参数是分布在传输线上的，因此用单位长 度上传输线的参数表示，即： 励单位长度具有的电阻，其单位为q m 。 厶单位长度具有的电感，其单位为h m 。 o 单位长度导线之间的电容，其单位为f m 。 函单位长度导线之间的电导，其单位为s m 。 r 和g 0 的存在导致波形发生衰减，当p , o = 0 、g 0 = 0 时，称为无损线。厶和 c 0 是惰性元件，所以从传输线一端施加电压后另一端不能立即得到电压。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g 上的电压建立起来，最后使另一端得到电压。所以，电波从一端传 播到另一端将会有一定的延时，也就是说电波在电缆中传播有一定的速度。 电缆线路上传播的电压、电流波以一定的速度运动，把运动方向与规定方向 一致的行波，称为正向行波；把运动方向与规定方向相反的行波称为反向行波。 假定一电缆线路m n ，如图2 2 所示，规定距离坐标x 的方向从m 端到n 端，则 线路上向着n 端运动的行波即为正向行波，而向着m 端运动的行波即为反向行 波f 2 】。 m x 一+ 人人 图2 2 正向波与反向波 f i g 2 2 t h ef o r w a r dw a v ea n dr e v e r s ew a v e 2 3 电缆的传输特性参数 2 3 1电缆的波速度 n 行波在电力电缆中传播时，从一端传到另一端需要一定的时间，电缆长度与 传播时间之比，称为波速度矿 2 1 。设电缆的两个端点m ，n 之间的距离为，行 波从m 端传播到n 端的时间为r ，则行波的传播速度v 为： y ：l r 经分析可知，电缆中行波的波速度可表示为： 8 电力电缆故障低压脉冲自动测距方法研究 阽赤2 去 其中：s 一光的传播速度，3 x 1 0 s m s ；p 一介质相对导磁系数；f 一介质相对介 电系数。 可见，电缆的波速度只与电缆的绝缘介质的性质有关，而与导体芯线的材料 及截面积无关，对于不同导体材料制成的电缆，只要绝缘介质相同的，其波速度 是不变的。表2 1 示出不同绝缘介质的电缆中脉冲波速度的参考值。 表2 1 电缆中脉冲波速度参考值 t a b 2 1r e f e r e n c ev a l u eo f c a b l ep u l s ew a v es p e e d 2 3 2 电缆的波阻抗 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。当电压波从电缆始端向前运动时，对分布电 容不断充电产生伴随的向前运动的电流波，对电压、电流之间的关系，用波阻抗 ( 也称特性阻抗) z 0 来描述。经分析可得： z 0 = 压 厶、c 0 除了与电缆所用介质材料、介电系数与导磁系数有关外，还与电缆芯 线的截面积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，其波 阻抗也不同。电缆芯线的截面积越大，波阻抗值越小。一般电力电缆的波阻抗值 在1 0 4 0 q 之间。 塑型- 丈兰三兰鎏_ 圭笙苎 对于正向电压波以与电流波之间，满足关系： u 。“。= z o 对于反向电压波以与电流波f _ 之间，则有： 沙i _ = 由上可看出，正向电压、电流波同极性，而反向电压、电流波反极性。假设 电压行波极性为正，则线路上电流行波的流动方向就是电压行波的流动方向。 电缆的波阻抗与电缆本身的结构与绝缘介质及导体材料有关，而与电缆的长 度无关，即使很小一段电缆，它的波阻抗也处处相等。波阻抗是电缆中一对正向 或反向电压、电流波之间的幅值之比，而不是任一点电压、电流瞬问幅值之比， 因为电缆任一点电压、电流的瞬时值，是通过该点的许多个正向与反向电压、电 流行波相迭加而形成的。 2 4 行波波动方程与正弦稳态解 2 4 1 行波波动方程 计氕仃坡措电缆线路传猜酮圾短程时，米用甩缆线蟠明分碲参毅模型，则猫 线各点电压“和电流i 既是时间t 的函数，又是空间工的函数。设电缆上某一点到 始端的距离为x ，利用节点电流方程j = 0 ，节点电压方程“= 0 。在膏处有如 下的电压电流方程组： 铲 + 塞。r 础蚂出妻( ：1 ) l l f + 塞踟= g 0 州甜+ 罢+ c o 出妄 + 宴o x 纠 盘戗讲 略去上式中的二阶无穷小( d x ) 2 项并整理后得： 一锄7 氟2 r + 厶a 7 a( 2 2 ) 卜& o x = g o “+ c o o u l a t 。 j 挎毗歉矧0 2 i包， l 一筹娟罢+ c o 急， 对无损耗线，r = 0 ，g n = 0 ，上式可以化简为： 电力电缆故障低压脉冲自动测距方法研究 一窘= 厶c o 虿：u一面5 “虿 一争厶c o 雾一万。“萨 式( 2 4 ) 即为电压电流对应的波动方程，其通解为： j “( 而) = 甜+ ( f x 7 d + “一o + x 7 v ) ( 2 5 ) l i ( x , t ) = f + ( f - x v ) - i ( t + x d 对于式( 2 6 ) 的表达式的理解【2 9 】：以“+ ( f x v ) 为例，矿( f x v ) 表示u + 是变 量f x v 的函数，其定义为：当t x v 时， 矿( t - x v ) s o ，假定当f = 时，线路上位置为五的这一点的电压函数为心，如 图2 3 所示，当时n t , 变n t , 时，具有相同电压值甜。的点必定满足： 一互：厶一量 一号2 乞一詈 图2 3 前行电压波传播示意图 f i g 2 3 s p r e a dw a v e f o r mo f f o r w a r dv o l t a g ew a v c 也就是说要求t x v 为常数，得到d x d t = 1 ，可以看出v 是速度。对于固定 的电压值来说，它在导线上的横坐标是以速度v 向石正方向移动的，因此 “+ ( t - - - x v ) 可以理解为一个以速度v 向x 正方向移动的电压波。同样“一o x v ) 可 以看成是一个以速度v 向工负方向移动的电压波。矿、“一分别被称为前行电压波、 反行电压波。同理f + 、f 一被称为前行电流波、反行电流波。 2 4 2 波动方程正弦稳态解 任意行波在电缆中的传播均满足波动方程，设电缆始端输入为角频率为的 l l 一 、，6 2 ， 订 订 x 石 一 + o o + 一 站 甜 上乙土磊 i i | l d 力 ， x x 一 + o o + 。 一， 郑州大学t 学硕_ l = 论文 正弦时i 剐函数电压，即入射电压为正弦波，可得： l 詈咖响 陪劬力 - s u o x = 氏i + ”i | 魂 【- a u o 缸= 6 0 u + c o a u a 该方程的一般解为： 一警= r ，毗j 吧+ j o ) l o ) l 一警= g o 汲j m c o b 娟+ j e c o ) u 海二爹 ( 2 7 ) 其中互为传输线的特性阻抗： 乙- j 糌叫口 y 为传播系数：，= 4 ( p + j e l o ) ( g o + j o c o ) 由( 2 7 ) 式可以看出传输线上任一点的电压和电流是由两个分量构成的，方向以始 端指向终端为参考方向，这两个分量分别称为入射分量和反射分量，即： r 1 u = u h + ( ，一 1 【i = “一j 阿 其中：u m 、，m 为电压和电流的入射分量；u 可、，一为电压和电流的反射分 量。由此可见，传输线上任一点的电压和电流是入射波和反射波分量的叠加和。 反射波分量降低了传输线的传输效率。所以正常情况下是不希望传输线上存在反 射分量。反射波的大小可以用反射系数来衡量。反射系数按下式定义： 电力电缆故障低压脉冲自动测距方法研究 烈曲：孕：善 u hi 自 其中工为行波反射点与始端的距离，设石= ，时，u = 、，= l ，代入( 2 7 ) 式中 可求出待定系数4 、4 的表达式为： 将( 2 8 ) 式代入( 2 7 ) 式可得： 4 = 去2 + z c ，2 ) e ” ( 2 8 ) 4 2 ；( 芝毛矿“ 6 = 扣+ 乙咖“) + 扣一z c 址帅) ( 2 9 ) j = ；( 芝+ 和j 1c u 2 e 训卅 将传输线终端的电压6 ：和电流j ：作为边界条件，此时用某点到终端的距离 一表示该点的位置，得，= ，一x ，由( 2 9 ) 式可得： d = + 乙j ，+ 扣一z c 磅 ( 2 1 0 ) j = ：( 芝“+ - 【1 瓦u 2 纠 e 州 得反射系数： p q 、= u u 2 1 - z z c c i i 2 ：矿y 设终端负载阻抗为z l = u ：i ：，则有： p = z z l - z z c c 矿 由反射系数的公式，当电力电缆发生短路、断路及低阻故障时其故障点的反 射情况如下： 1 短路 当电缆出现短路时，从故障点向负载看去其等效阻抗为零，即相当于阻抗 z ，= 0 。假设故障点为电缆末端，则工= 0 ，根据公式求出电压反射系数： 以= 箍一笔叫 短路点反射电压与入射电压大小相等，方向相反，故障点的合成电压为o 。 说明行波到达短路点后，电场能量全部转化为磁场能量。 2 断路 当电缆出现断路点时或行波运动到电缆的开路终端时，从断路点向负载看去 等效阻抗无穷大。如果将该点视为终端，则z ，寸o o ，= 0 。求得反射系数： 烈啦精旬 断路造成全发射，电压反射波与入射波同极性。实际的开路点电压是入射电 压与反射电压之和，因此出现电压加倍现象。 3 电缆中出现低阻故障 电缆中问出现低电阻故障时，设故障电阻两边的电缆分别用大小等于波阻抗 值z o 的电阻来代替。故障点的电压反射系数为： 以砷= 一雨1 石e 伽 其中k = r ，z o ，r ，为故障点等效阻抗。 其中了为故障点与线路始端的距离，由上式可见0 l 以曲5 1 ，反射系数不为 零，说明在该点将会发生波的反射现象。 综上所述，故障点存在会使该点的波阻抗发生变化，行波在该点会发生反射 现象，行波在传输线中的传播速度是定的，通过测量入射波和反射波之间的时 间差，就可以得到故障点的距离。由于电缆本身存在着损耗，行波在电缆中传输 会发生畸形现象，实际波形与理想波形相比会有很大的差距。 2 5 本章小结 本章分析了电力电缆的长线模型与等效电路，得出了电力电缆主要传输参数 的计算公式，根据分布参数电路中行波波动方程与正弦稳态解，推导出了行波在 电缆故障点的电压反射系数。为行波法电缆故障测距技术的分析和仿真研究打下 了理论基础。 电力电缆故障低压脉冲自动测距方法研究 3 1 引言 电缆故障测距的实用方法 由于电力电缆多埋于地下，发生故障情况及埋设环境比较复杂，对电缆故障 点的准确定位需要按照一定的程序，选择合适的方案和仪器进行。虽然研究性的 成果很多，但是大多处于理论研究阶段，或者因为技术和成本的限制，一些采用 先进技术的测距方案在相当长的时间内不能真正大面积推广。本章将介绍目前现 场广泛使用的电缆故障探测的实用性方法。 3 2 电缆故障的原因 由于电力电缆的本体是由纯净的材料在净化环境罩连续制造而成的，其绝缘 结构和尺寸的制造误差很小，通常可以简化为理想同轴电容器结构。在交变电场 下，内部电场分布比较均匀，介质中任意一点的电位均满足泊松方程f 2 9 】。理论上 认为，电力电缆受外界环境因素和人为因素影响较小，安全运行的可靠性很高。 但是，由于电缆的中间接头和终端通常是在电缆施工敷设现场人工制作安装，容 易遗留电缆运行故障隐患。长期积累的电力电缆运行经验和试验研究结果证实： 电力电缆附件是电缆线路中绝缘结构相对薄弱、容易发生运行故障的部分。其次， 电力电缆在制造、敷设施工、运行维护过程中，不可避免地会出现产品质量、过 负荷运行以及外力破坏等问题，也是导致电缆线路中电缆本体发生运行故障的直 接原因。一般将电缆发生故障的原因分为以下几类【2 】： 1 机械损伤 机械损伤引起的电缆故障占电缆事故的很大比例。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。造成机械损 伤的原因可分为： 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 ) 直接受外力损伤：在安装后电缆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包裂损。 15 4 ) 因为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涨裂外壳 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；因土地下沉 引起过大拉力，拉断中间接头或导体。 2 绝缘受潮 绝缘受潮后会引起故障，造成电缆受潮的主要原因有： 1 ) 接头盒或终端盒结构不密封或安装不良而导致进水。 2 ) 电缆制造不良，金属护套有小孔或裂缝。 3 ) 金属护套因被外物刺伤或腐蚀穿孔。 3 绝缘老化变质 电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离使绝缘下降。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。 过热会引起绝缘老化变质。电缆内部气隙产生电游离造成局部过热，