（电力系统及其自动化专业论文）电力电缆故障诊断与监测.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h ep o w e rc a b l eh a v i n gm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss m a l l e rv o l u m e ，m u c hm o r e s a f e t y , i ti se x t e n s i v e l yu s e di np o w e rs u p p l ys y s t e m b u to n c ef a u l to c c u r si nt h ep o w e r c a b l e ，i ti sd i f f i c u l tt od e t e r m i n et h ef a u l tl o c a t i o n ，a n dm a yd i s a b l et h ep o w e rs u p p l y s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et om a k eo n - l i n ef a u l td i a g n o s i sa n dm o n i t o r i n go nt h e p o w e rc a b l e o f f - l i n ef a u l tl o c a t i o nf o rp o w e rc a b l ea n do n l i n ef a u l tl o c a t i o nf o r o v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n eh a v eb e e na c c o m p l i s h e di nt h ep a s ts e v e r a ld e c a d e s i nt h i s p a p e r , n o r m a lf a u l tl o c a t i o nm e t h o d sa n dn e wt e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d s y s t e m a t i c a l l y s e v e r a li m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp r o b l e m ss h o u l db et h o u g h to fc a r e f u l l y f i r s t l y , w h e t h e ro rn o tc a ne f f e c t i v et r a v e l i n gw a v ed u et oc a b l ef a u l tb ef o u n dt ol o c a t e t h ef a u l tp o i n ti nc a b l es y s t e mw h o s et r a n s f o r m e rn e u t r a lp o i n tn o n g r o u n d e d ? s e c o n d l y , w h a t st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et r a v e l i n gw a v ed u r i n gi t sp r o p a g a t i o n ? t h i r d l y , w i l lt h e f a u l tp o i n tc h a r a c t e r i s t i ca f f e c tt h et r a v e l i n gw a v e ? f o u r t h l y , h o ww i l lt h et r a v e l i n g w a v ec h a n g ea tt h em e a s u r i n gp o i n t ? a n dt h el a s tb u tn o tt h el e a s t ，b o wt od e t e r m i n e a c c u r a t e l yt h ea r r i v a lt i m eo ft h et r a v e l i n gw a v e ? t h i sp a p e rc r e a t e das a m p l ep o w e rc a b l es y s t e mm o d e lw i t hat r a n s i e n ts i m u l a t i o n t o o lp s c a d e m t d cb a s e do na3 5 k vx l p ep o w e rc a b l e w i t h i nt h i sm o d e l ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ff a u l tc u r r e n ti ss i m u l a t e di nd i f f e r e n tg r o u n d i n gm o d e s ，a n ds ot o a n s w e rt h eq u e s t i o nw h e t h e ro rn o te f f e c t i v et r a v e l i n gw a v ec a l lb ef o u n di nc a b l e s y s t e mw h o s et r a n s f o r m e rn e u t r a lp o i n tn o n g r o u n d e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ff a u l tp o i n t i ss i m u l a t e dt od e t e r m i n ei t se f f e c tt ot r a v e l i n gw a v e b e s i d e s ，as p e c t r a la n a l y s i si s m a d et ot h ef a u l tc u r r e n tt r a v e l i n gw a v e u s i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n dl o c a lm o d u l e m a x i m u mm e t h o dt of i n db r e a kp o i n ti sa d o p t e d ，a n dj u d g e dt h eq u e s t i o nw h e t h e ro rn o t t h ef a u l ti sh a p p e n e d b yt h ec r i t e r i o no ff a u l tt r a v e l i n gw a v es i n g u l a r i t y i ft h a t st u r e t h ef a u l td i s t a n c ei sw o r k e do u tw i t ht h et r a v e l i n gw a v ea r i t h m e t i co ff a u l tl o c a t i o n a sa c a s e ，o n - l i n ef a u l tl o c a t i o ni sm a d et oas a m p l ep o w e rc a b l eu s i n gw a v e l e t s ，a n dt h u st o v a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fo n - l i n ef a u l tl o c a t i o n f o rt h eu s a b i l i t yo ff u r t h e rt e s t i n gt h et h e s i sa n ds t u d y i n g , d e s i g nh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fao n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e rc a b l ef a u l tl o c a t i o n t h eh a r d w a r eo f t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d i n gd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n 曲m i n i m a ls y s t e md e s i g n ， a dc o n v e r s i o nc i r c u i t d e s i g n ，p o w e rs u p p l y m o d u l e d e s i g n ，t h em e m o r y m o d u l e c i r c u i t i sd e s i g n e d ，a n dt h el o g i c a lc o n t r o lm o d u l ec i r c u i t i sd e s i g n e d ，a n dd a t a v i i 北京交通火学硕十论文 t r a n s m i s s i o nb a s e do ng p r sn e t w o r k d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m ss o f tm a i n l yi n c l u d i n g a n a l g o r i t h mt op i c k u pt h ea r r i v a lt i m eo ft h et r a v e l i n gw a v eb a s e do nb dw a v e l e t w e m a k es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n do n l i n ed e b u gi nl a b o r a t o r yf o rt h i ss y s t e m ，i tp r o v e s t h a tt h es y s t e ms a t i s f i e st h en e e do fe n g i n e e r i n gm e a s u | e m e n t k e y w o r d s ：p o w e rc a b l e ，t r a v e l i n gw a v e ，w a v e l e ta n a l y s i s ，d s pt e c h n o l o g y ，g p r s t e c h n o l o g y c l a s sn 0 ： v u l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：以额多乱 签字日期：游f 2 月善日 导师签名：庋i j 日月秃 1 0 0 ， 签字r 期：年f 硐2 同 独创性声明 独创- 陛声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：佟艳定签字日期：w 咿年，月 f r 致谢 本论文的工作是在导师刘明光教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、系 统方案的设计、实验现象的分析及论文的审阅等方面都凝聚着导师的心血，导师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年 来刘明光老师对我的关心和指导。 首先感谢中国电力科学研究院的鹿洪刚和郭宁明对我课题的的热心指导。在 实验室工作及撰写论文期间，杨罡、袁志鹏、王祥磊、郝卫华、李娜、徐志强等 同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外在读研期间得到了家人的充分理解和支持，使我能够在学校专心完成我 的学业，在此表示深情谢意。 i 绪论 1 。l 研究背景 1 绪论 在城市配电网中，架空线路占用过多地上空间，同时受恶劣天气影响而发生 故障的机率比较高，而电力电缆线路在这方面有较大的优势。与架空线路相比较， 电力电缆线路具有如下优点： 1 、不易受自然气象条件( 如雷电、风雨、盐雾、污秽等) 和周围环境的影响， 供电可靠性高。 2 、线间绝缘距离小，占地少，无干扰电波。 3 、地下敷设时，不占地面、空间，同一地下电缆通道，可以容纳多回线路； 既安全可靠，又不易暴露目标”1 。 随着城市的发展扩大，城市电网需要改造，电力电缆获得了越来越广泛的应 用。但是，电缆绝缘结构相对复杂，容易受损，为了保证电缆线路安全运行需要 对电缆进行故障监测。通过对全国1 2 6 家电力电缆运行维护单位9 10 0 0 k m 电压= 1 0 k 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 2 2 0 k 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 m a ) 逐年下降到2 0 0 1 年度的5 2 次 ( 1 0 0 k n l a 1 ，相比经济发达国家仍高出约1 0 倍。2 0 世纪7 0 - - 8 0 年代投入运行的 x l p e 绝缘电力电缆产品，约有3 70 0 0k 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 和资金的限制，使部分城市过去用的老电缆还在超期运行，造成电缆线路运行故 障次数明显增加。 1 2 电力电缆故障原因及类型 随着电缆数量的增多及运行时间的延长，由于电缆绝缘老化特性等因素，故 障发生概率大大增加。电缆故障点的查找与测量是通讯和电力供应畅通的有力保 障，但是因为电缆线路的隐蔽性、个别运行单位的运行资料不完善以及测试设备 的局限性，使电缆故障的查找非常困难。尤其是在狂风、暴雨等恶劣天气中，给 故障的查找、维修带来了很大不便。 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。电缆发生故障的原因是多方面的，常见的几种主要原因归纳如下”。 北京交通人学硕十论文 1 、机械损伤。很多故障是由于电缆安装敷设时不小心造成的机械损伤或安装 后靠近电缆路径作业造成的机械损伤而直接引起的。有时如果损伤轻微，在几个 月甚至几年后损伤部位才发展到铠装、铅( 铝) 护套穿孔，潮气侵入而导致损伤部位 彻底崩溃形成故障。造成电缆机械损伤主要有以下几种原因i 2 、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、腐蚀绝缘：绝缘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。造成电缆过热的因素有多方面，既有内因，又有 外因。内因主要是电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热，从丽使绝缘炭化；外因 是电缆过负荷产生过热。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 过热而使绝缘加速损坏。长期过负荷运行，会使电缆的温度随之下降，薄弱处和 对接头处首先被击穿。在夏季，电缆故障率高原因j 下在于此。油浸纸电缆、电缆 敷设时地沟凹凸不平，或处在电杆上的户外头，由于电缆的起伏，高低落差悬殊， 高处的电缆绝缘油流向低处而使高处的电缆绝缘性能下降，导致故障发生。 3 、化学腐蚀 电缆路径在有酸碱作业的地区通过，或煤气站的苯蒸汽往往造成电缆铠装和 铅( 铝) 护套大面积长距离被腐蚀，出现麻点、开裂或穿孔，造成故障。 4 、设计和制作工艺不良 拙劣的技工、拙劣的接头，电场分布设计不周密，材料选用不当，不按技术 要求敷设电缆往往都是形成电缆故障的重要原因。 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： 在包缠绝缘过程中，纸绝缘上出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷；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，造成电缆绝缘受潮、 脏污和老化。 5 ，过电压 过电压主要是指大气过电压( 雷击) 和电缆内部过电压。对实际故障进行的分析 表明，许多户外终端头的故障是由大气过电压引起的。电缆本身的缺陷也会导致 在大气过电压的情况下发生故障。 电缆故障从形式上可分为串联和并联故障。串联故障指电缆一个或多个导体 ( 包括铅、铝外皮) 断开，通常在电缆至少一个导体断路之前，串联故障是不容易发 现的，并联故障是导体对外皮或导体之间的绝缘下降，不能承受正常运行电压。 2 绪论 根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为低阻、高阻、开路与闪络性 故障，见表1 - 1 。 1 、低电阻接地或短路故障：电缆线路一相导体对地或数相导体对地或数相导 体之间的绝缘电阻低于正常阻值较多，电阻值低于1 0 z c ( 2 c 为电缆线路波阻抗1 ， 而导体连续性良好。常见类型有单相接地、两相短路、两相短路接地、三相短路 接地等。 2 、高电阻接地或短路故障：与低电阻接地或短路故障相似，但区别在于接地 或短路的电阻大于1 0 2 c 而芯线连接良好。常见类型有单相接地、两相短路、二相 短路接地、三相短路接地等。 3 、开路故障：电缆各相导体的绝缘电阻符合规定，但导体的连续性试验证明 有一相或数相导体不连续，或虽未断开但工作电压不能传输到终端，或虽然终端 有电压但负载能力较差。常见类型有单相断线、两相断线、三相断线。 4 、闪络故障：低电压时电缆绝缘良好，当电压升高到一定值或在某一较高电 压持续一定时间后，绝缘发生瞬时击穿现象。常见类型有单相剐络、两相闪络、 三相闪络。 表1 - 1 电力电缆故障性质分类 t a b l e1 - 1p o w e rc a b l ef a u l tc a t e g o r y 单相接地故障出现的几率最高，约占整个故障总数的8 0 左右；其次是两相 短路故障，约占到1 2 以上；接下来就是两相接地短路故障，它的几率相对小一 些，约占2 3 ；三相接地短路故障几率则更小，约占1 3 ，绝大多数都 是由单相或两相故障发展而来。单相接地故障引起电源三相不对称，有关设备工 作失常，容易造成设备的薄弱绝缘发生击穿，扩大事故范围，影响供电的可靠性。 因此，必须尽快确定故障位置，并采取相应的措施加以解决，这就是小电流接地 电网的故障定位问题。中性点不接地系统的单相接地的准确诊断与处理问题，至 今都是一个难题。因此，对出现几率极高的单相接地故障展丌研究十分必要h 。 1 3 电力电缆故障检测 对于离线电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤。故障诊断 3 北京交通大学硕十论文 主要是确定故障的类型与严重程度，以便于测试人员对症下药，选择适当的电缆 故障测距与定点方法。故障测距也叫粗测，在故障电缆芯线上施加测试信号或者 在线测量、分析故障信息，初步确定故障的距离，为精确定点提供足够精确的信 息。粗测方法一般可归纳为两大类，即经典法，如电桥法等；现代法，如低压脉 冲法、高压闪络法等。故障定点是在粗测距离的基础上，精确地确定故障点所在 实际位黄，以便于立即进行检修。精测定点方法主要有声测定点法、感应定点法、 时差定点法以及同步定点法等。本课题主要探讨故障测距即故障粗测方法。 电力电缆的故障测距方法很多，目前离线测距主要有以下几类。 1 、经典电桥法“：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。用低压电桥测电缆低阻击穿，用电容电桥 测电缆开路断线。电桥法测量结果精确，但需要完好芯线做回路，电源电压不能 加得太高。 2 、驻波法：根据微法传输原理，利用传输线路的驻波谐振现象，对故障电缆 进行测距，本法适用于测低阻及丌路故障。 3 、高压脉冲法：利用传输线的特性阻抗发生变化时的回波现象，在电缆芯线 中加上一定电压，使其不烧穿而产生放电。放电脉冲在电缆中传播及反射，用数 字示波1 1 1 ( 或手提笔记本电脑虚拟示波器) 测出反射脉冲的位置比例，算出故障点的 位置。本法适用于高阻击穿。本法适用于各种故障，但操作人员的安全受威胁， 波形较难辨别。 4 、低压脉冲法：对低阻击穿、短路、开路故障，可在电缆芯线上施加脉冲讯 号。讯号在电缆传播及反射，用数字示波器或手提笔记本电脑虚拟示波器等测出 脉冲波形而算出故障点的位置。低压脉冲反射法的优点是简单、直观，不需要详 细的电缆原始资料，还可以根据反射脉冲的极性分辨故障类型。缺点是不能用于 测量高阻与闪络故障。 5 、故障点烧穿法：故障点烧穿法应用于高阻故障，设备通过输入直流负高压， 对高阻故障点进行处理，使故障点产生电弧放电并碳化绝缘介质，碳化连接点是 低电阻的，使高阻故障变成低阻故障。再应用低压脉冲法就可以测出。故障点烧 穿法主要用于油纸绝缘电缆。 6 、闪络法：利用故障点瞬间放电产生多次反射波。故障点的放电是在高电压 作用下进行的。其中包括直流高压闪络测量法( 直闪法) ，主要用于测量电缆的闪络 性高阻故障；还包括冲击高压闪络测量法( 冲闪法) ，主要用于测量电缆的泄漏性故 障。相比之下，直闪法的波形简单、容易理解，准确度高；冲闪法的波形比较复 杂，辨别难度较大，准确度较低，但是适用范围要更广一些。 4 绪论 7 、二次脉冲法：是一种较新的测距方法，其原理：对故障电缆释放个低压 脉冲f 不大于2 0 1 6 0 ，只要故障点的接地电阻大于电缆波阻抗5 倍，可以认为此 时故障电缆相对于低压脉冲是开路，那么在脉冲释放端接收到的反射波形相当于 一个芯线绝缘良好电缆的波形；对故障电缆释放一个足以使芯线绝缘故障点发生 闪络的高压脉冲，同时触发释放第二个低压脉冲在故障点的电弧未熄灭时，故 障点相对于低压脉冲是完全短路，那么在脉冲释放端接收的低压脉冲反射波形相 当于一个线芯对地完全短路的波形；将前后两次接收到的低压脉冲反射波形进行 叠加，两个波形将会有一个明显的发散点，这个发散点就是故障点的反射波形点。 其特点是易操作、多功能，回波图形解释简易。缺点是不能用于测量高阻与闪络 故障。 1 4 电力电缆故障在线监测 就目i j f 发展的在线监测分析，主要包含小波变换分析、神经网络和专家系统 等，采用现代传感器，计算机技术进行故障在线监测，一直是实际工程追求的热 门课题。现将这三种方法简单介绍如下。 1 4 1 小波变换在电力电缆故障测距中的应用 小波变换在时域、频域同时具有良好的局部化特性，对信号的奇异点非常敏 感，适用于时变的非平稳信号的检测与分析1 6 l 。电力电缆故障测距关键是暂态 故障特征的提取。 文献f 9 】提出了小波变换在电力系统故障暂态分析以故障定位方面的应用，体 现在其提出了两种在当日口对端线路的通讯流程基础上解决故障测距的方法：双端 同步检测和单端检测。文中提出的方法不受故障阻抗限制，且适用于象串联补偿 电路一样的双端耦合塔式结构。该方法的测距误差和记录故障暂态的采样时间有 关。 文献1 1 0 1 提出了一种改进的电缆故障测距方法，该方法主要是基于同步采样技 术、小波变换分析和行波理论，并对一个4 0 0k v 的地下电缆系统进行仿真和评估。 定位系统分成同步采样、小波分析、故障行波到达时| 日j 检测和故障距离计算四部 分。同步采样得来的数据经过两个小波分析过程，从而更容易识别故障行波的到 达时问。仿真研究表明，除了在故障离电缆两端非常接近的情况外，故障误差沿 电缆呈对称分布，而且与故障类型无关。故障点离电缆两端越远，测距结果越准 确。缺点是，在距离电缆两端很近的单相接地故障中，测距误差较大。 5 北京交通大学硕十论文 文献 1 1 1 提出行波到达时间由行波中被分析频带信号强度最大的位置所确定， 而行波传播速度由被分析频带的中心频率及线路结构参数所决定。由行波到达线 路两端的时问差即可确定出故障位置。 文献 1 2 1 提出了将小波分析用于电缆故障测距的算法，此法是在脉冲电流测距 法的基础上，引入小波分析，把录波数掘进行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，利用小波变换的边缘信号检测分析，小波变换的模极 大值与信号的突变点是一一对应的。一般来讲，函数在某一点的l i p s c h i t z 指数a 表 征了该点的奇异性大小。口越大，该点的光滑度越高；n 越小，该点的奇异性越 大。如果口是j 下的，当尺度增加时，小波变换模极大值也相应增加；当口为负时， 小波变换模极大值随尺度的增加应当减小：当口为0 时，小波变换模极大值不随 尺度变化。利用小波变换模极大值在小波分解各尺度之间的传播特性，可以精确 定位信号波形的奇异点或突变点。这样在各分解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，然后利用下式( 1 1 ) 来确定故障距离，式中k 和e 离散采样点，只指采样频率， v 是脉冲传播速度。 z ，v ( k z - k 1 )( 1 - 1 ) 2 f , 1 4 2 人工神经网络在故障测距中的应用 人工神经网络( a n n ) 是以计算机网络系统模拟生物神经网络的智能计算系统。 网络上的每个结点相当于一个神经元，经可以记忆( 存储) 、处理定的信息，并与 其它结点并行工作。求解一个问题是向人工神网络的某些结点输入信息，各结点 处理后向其它结点输出，其它结点接受并处理后再输出，直到整个神经网工作完 毕，输出最后结果。文献 1 3 1 提出一种新的基于人工神经网络的地下电缆线路的故 障定位技术。在系统故障期间，输电线路各种不同地点的一系列的测量电压电流 作为样本用到专门训练的神经网络( n n ) 中。这个样本被拿来同训练样本( 案例) 库相 比较以识别故障位置。该神经网络的输出是以简单的三维图形显示的，这可以就 故障位置给操作员一个即时的指示，并讨论了两类典型的配电系统的采样结果和 人工神经网络分析的敏感度。 1 4 3 实时专家系统在电力电缆故障测距中的应用 专家系统就是一个具有智能特点的计算机程序【1 4 i ，它的智能化主要表现为能 6 够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。因此，专家系统必须包含 领域专家的大量知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些知识来解 决实际问题。 文献1 1 5 ，1 6 1 均提出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，用一套规则束维护和更新该数据库。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修改。文献1 1 7 提出基于继电保护的专家系统，并且不需要中 断电缆的供电。这套系统带有专门的c 语言集成诊断以确定故障类型，母线上的 双向行波传播有助于通过电流的有效值以进行故障定位。文献都采用的是电流脉 冲法。 1 5 本文研究的主要内容 综上所述，电缆的离线检测和在线监测虽然有了较大的发展，但是仍然存在 以下不足： 1 、电力电缆离线检测时间过长，必然导致供电中断；电力电缆在运行中发生 的故障有相当一部分是瞬时性的故障，利用离线故障测距方法查找故障点前，要 用高压设备将故障点击穿，高压对测试设备、电缆和工作人员造成很大的安全隐 患。 2 、就目前发展的在线监测分析，主要包含小波变换分析、神经网络和专家系 统等，能够满足精度要求，但是在电缆故障测距方面的应用目自口还不成熟，还存 在一些问题，例如结构复杂；浪涌波形在传播过程中的色散现象以及外界干扰； 且非实时动态的! 因此在线监测及全自动测距是电缆故障测距的发展趋势，这包 括对电缆状态及运行时出故障的自动定位测距将电缆的地理信息系统( g i s ) 和全球 定位系统( g p s ) 联合应用，实现实时、动态的监n 钡, t j 距。 为了及时诊断电缆故障，同时使故障诊断设备和信息传输简化，降低工程造 价，本文进行了该课题的研究。 由于实际运行中的电缆型号类别很多，其参数特性也各有差别，本文以常用 的3 5 k v 交联聚乙烯电力电缆( x l p e ) 为对象进行研究。主要内容如下： 1 、对国内外大量文献资料分析总结了电力电缆线路故障的研究背景，研究意 义，故障形成原因，类型以及国内外研究现状和故障诊断的一般方法，明确论文 要解决的问题和研究目的。 2 、根据行波理论和暂态信号的特点，应用仿真软件p s c a d ，搭建了x l p e 电缆线路仿真模型，对电力系统中最常发生的接地故障进行了仿真分析。这涉及 到一系列故障特性研究，包括影响故障行波信号的因素；故障信息从故障点到测 7 北京交通大学硕十论文 量端的传播特性研究；电流行波的频谱分析；充分利用各种故障信息实现准确故 障测距的研究。 3 、根据小波变换数学原理，采用小波变换的模极大值理论及奇异性特点对暂 态信号进行分析，确定了故障行波波头的到达时刻，通过波头极性选择故障测距 公式，计算故障距离。 4 、基于d s p 原理，提出以1 1 的d s pt m s 3 2 0 v c s 4 0 2 芯片为核心的电缆故障 监测和数据处理系统，设计了相应硬件电路和软件程序，并对各个功能单元进行 了详细地分析和说明。 5 、研究g p r s 通信原理，通信数据结构，应用g p r s 模块丌发计算机操作软 件与界面，应用该监测系统将得到的数据及时地传送到变电站调度中心，实现电 力电缆故障监测系统的组网管理和故障检测的智能化、远程化，并在实验室进行 硬件调试和远程通信测试，验证本监测系统的可行性。 8 电缆线路中的波过程与仿真模型 2 电缆线路中的波过程与仿真模型 2 1 电力电缆中的波过程与波动方程 传输线的几何长度比其上所传输的电磁波的波长还长或者可以与之相比拟 的传输线称之为长线。电力电缆是传输线的一种，而且电力电缆的故障暂态信号 含有高频分量【2 1 l ，与线路的长度相比它们的波长非常短( 对于传输中的脉冲电流、 电压行波来说，其脉冲宽度小于1 微秒，而行波的波速度小于2 0 0 m p s ) 所以在 研究电压、电流行波的传输过程中把电力电缆看成长线，所以不能用集中参数电 路模型来分析，只能用分命参数线路模型来表示，如图2 - 1 所示。 丝出 缸 幽2 - 1 分布爹效表不的等值电跆原理图 f i g2 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f p o w e rc a b l eu s i n gd i s t r i b u t e dp a r a m e t r e 其中，、k 、c 0 、g o 分别为长线单位长度的电阻、电感、电容、和漏电 导，即为长线的分布参数，由基尔霍夫定律可得有损耗均匀传输线的基本方程式 为： 罢+ k 票+ 民f ；o ( 2 - 1 ) 磊+ “面+ 民4 u 尝+ c o 詈脚；o ( 2 - 2 ) 将上面式子( 2 1 ) 对时间求偏导数，式子( 2 2 ) 对空间坐标工求偏导数，然后综 合在一起，可得到： 萨o z i = l o c o 等+ ( r o c o + g o l o ) a 芸t 枷。g 。f ( 2 3 ) 缸0 9 _ u u ：= l o c o0 甜2 _ _ ：u u + 僻o c o + g o l o ) 詈t + r 。g ( 2 4 ) 从图2 1 可知道，分布参数电路和集中参数电路一样，从一个稳杰的过群转变 9 北京交通人学硕十论文 “ ，t ，- ( r 一詈) + ，z ( r + 詈) 。“+ ( r 一詈) + h 一( t + 詈) c z - s ， 眠护十护( ，甘蚓z o 一蚓z o ， 式中z o 为特性阻抗，圹( 卜詈) 表示以速度v 向( 卅方向传播的入射波： “一( f + 詈) 表示以速度v 向( 吖) 方向传播的反射波。它们的具体形状可根据给定的边 界条件以及初始条件决定。从式子( 2 5 ) 可知，任何时刻在线路上任何点的电压， 由于传输线中的电压、电流常常是时间的工f 弦函数，所以有必要分析均匀传 输线基本方程组的下弦稳态解。当线路模型视为线性时不变系统时，民、l o 、c o 和g 0 都是常数，当在线路一端施加j 下弦激励时，可运用如下的向量代换： 仁，f ) 一q r - 2 us i n ( t o t + , ) 。厶【芝u e 地e 埘卜i q r - 2 i ) e i “】( 2 7 ) l f ) 一玉s i n ( c o t + 够i ) ；l f 、f 云瞻胁e 枷卜l 【盈如】( 2 8 ) 则偏微分方程( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可以变成如下形式的常微分方程： 一d _ u 一。( r + j w l o ) j 。z o i ( 2 - 9 ) a , x 一d l 一：( c o + j w c o ) o ：k d ( 2 - 1 0 ) d ； e 。+ 4 e ”( 2 1 1 ) f = 去濞”+ - z e r x ) ( 2 - 1 2 ) 1 0 电缆线路中的波过程与仿真模利 y - 乒瓦一a + 邝( 2 a 3 ) r 为线路传播常数，a 为衰减常数，声为相位常数。而z 。一荨为线路的特 性阻抗或波阻抗。出( 2 - 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 可见，线路上某点的瞬时电压和电流都可以视 为正向行波4 和反向行波五e ”的叠加。 由式( 2 1 3 ) 可以求得： ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 行波的传播速度是用相位保持不变的点的移动速度来表示的，即相位速度： 灿l i m - - 血- _ 血= 詈( 2 - 1 6 ) 由上面三个公式可以看出，对一般的线路来说，其衰减常数、相位常数和相 位速度都是与信号的角频率相关的。若信号包含不同频率成分，各频率分量的 衰减常数和相位速度都不相同，通过线路传输时就会发生失真，在波动学中称作 色散现象。 2 2 行波的反射与透射 在电缆线路中，当两个波阻抗不同的电缆相连接时，连接点会出现阻抗不匹 配的情况。或者当电缆线路中出现断线或低阻故障时，故障点等效阻抗与电缆的 特性阻抗不相等，也会出现阻抗不匹配。当行波运动到阻抗不匹配点时，会发生 全部或部分反射，出现行波回送现象。在低阻故障( 故障点电阻不为零时) 还会有行 波透射现象，即有部分行波透过故障点继续往前运动。行波的反射和透射现象 如图2 - 2 和图2 3 所示1 3 1 。 行波的反射系数就是长线上某点的反射波的电压( 或电流) 与入射波电压( 或电 流) 之比，而透射系数可用透射电压( 电流) 波与入射电压( 电流) 波的比值表示。设两 段线路的波阻抗分别为z ，、z 。时，以电压行波为例，则反射系数为： 成t 竺一争粤 ( 2 1 7 ) 北京交通大学硕十论文 f i g u r e2 - 2r e f l e c to f t h et r a v e l l i n gw a v ef i g u r e2 - 3t r a n s m i s s i o no ft h et r a v e l l i n gw a v e 透射系数为： ；毒- 轰( 2 - 1 8 ) h “。 z 1 + z 2 由电流行波与电压行波的关系不难求得电流行波的反射系数： 辟= 等糍 p 透射系数为： 驴詈- l 一是( 2 - 2 0 ) 2 i 。菘i 以上公式中，u t 、“，、u l 与、i ，、分别是透射侧、反射侧、入射侧电压和 电流：z l 和z ：分别为行波的入射侧和透射侧阻抗。 2 3 建立电力电缆仿真模型 2 3 1 仿真建模工具和数值分析工具的选择 用于电力系统暂态分析的仿真工具主要有a t p ( e m t p 的改进版) 、 p s c a d e m t d c 、m a = 兀a b 等等。 a t p ( a l t e m a t i v et r a n s i e n tp r o g r a m ) 是普遍应用的电力系统电磁暂态和机电暂 态仿真程序，复杂的网络和任意结构的控制系统都可以用它来仿真。经过2 0 多年 来的不断发展，a t p 具有模型的可扩展性和兼容千牛除暂态计算外还有一些重要 的附加功能。主要的组件有：耦合和非耦合线性集中参数元件；频率相关的分布 参数输电线路和电缆模型；变压器、避雷器等非线性元件；常规开关、时间相关 开关及电压相关开关等；二极管和晶闸管等阀体；三相同步电机和通用电机等。 电缆线路中的波过程与仿真模删 p s c a d ( p o w e rs y s t e mc o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 功能强大、应用灵活，是业界有 名的仿真工具e m t d c 的用户界面。它使用户能够在一个集成的图形界面下实现 电路图连接、仿真运行、结果分析及数据管理等功能，还包含了在线打印图形功 能和控制、测量模块。p s c a d 有一个事先编好的并经过测试的模型库，从简单的 无源元件和控制模块到电机模型、f a c t s 设备、输电线路和电缆等复杂的模块都 包含在主模型库中，可以很方便地直接调用。当现有的模型不能满足需要时，还 可以自定义特殊模块。e m t d c ( e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n t si n c l u d i n gd c ) 是进行电力 系统电磁暂念仿真的强大工具，是p s c a d 的仿真引擎。e m t d c 的仿真结果以时 间瞬时值的形式给出，这点与常规的相量仿真引擎不同，后者以相量的幅值和相 角方式给出结果。但可以用p s c a d 的内置工具将瞬时值结果转换为相量值的形 式。 m a t l a b 是强大的科学计算工具，它的语言简洁易用，内置了几十个工具箱， 为不同领域的科学研究和科学计算提供了有力工具。它的电力系统模块库( p o w e r s y s t e mb l o c k s e 0 可以进行复杂电力系统的建模和稳态、暂念计算，同时它的小波 分析工具箱( w a v e l e tt o o l b o x ) 可以很方便地进行数掘分析处理。但m a t l a b 中没有 合适的电力电缆模型，不能用m a t l a b 来仿真，因此本文只用作数据处理。 由于条件限制，只能选择p s c a d e m t d c 和m a t i a b ，同时又由于 m a t l a b 6 5 中没有合适的电缆模型，最终选择了p s c a d 作为仿真建模工具， m a t l a b 6 5 作为数据分析和波形处理工具。 2 3 2 相模变换 一器川，器 亿：， 一器书，裂 一 其中，陋，。 乏兰笔】，t c ，2 墨量誊】，为三相电压；吲为三相 电流； t 、k 为各相单位长度的自电感和相问电感；e 、c ：为各相单位长度的 北京交通大学硕十论文 由于上式的陋】、【c 】中有非对角元素，故不易解出电压、电流。为了便于分 析，可以利用矩阵变换的方法，将系数矩阵交换为对角矩阵，把具有耦合关系的 相量空问变换成各自独立的，无耦合的模量空间。即把一组联立的方程组变为三 个独立的方程，分别求解后再进行反变换，即可得到上述方程的解，这种变换称 为相模变换。常用的交换有凯伦贝尔交换、克拉克变换等。变换后的各模值与各 相值之间有如下关系： 旨二戮1 【f 】= 【q 】阮】 、 其中陋】、【q 】分别为电压和电流的变换矩阵。于是三相线路中的行波可用三 个独立的模分量表示，如下的三个独立的c t 、p 、0 电压、电流模量形式： 争；厶c 0 争缸”8 争。厶c l 争a 1 m 告一编粤o t 缸。 f 2 2 3 ) 如铲括，z 。一摇 ) 轳p 赢舶2 鬲1 ( 2 - 2 5 ) p ，2 i 三】加r = ；f 1 三】 g z 回 由输入电流行波采样值l o ) ，厶( n ) ，( n ) 得到线模l n ) ，( 一) 和零模，0 ( 托) 3 1 a ( 玎) 一l ( n ) 一厶( 犯) 引j ( n ) 一l a ( n ) 一f 。( 厅) ( 2 2 7 ) 3 1 0 ( n ) ；l a ( n ) + l ( 玎) + ( 肛) 经过变换后，口、b 、c 三个相分量变换为0 、a 、声三个模分量，口、声分 量为线模分量，0 分量为零模( 地模) 分量。0 、a 、，电压模量和电流模量的波动 1 4 仡一扩吮一舻啊一护 矗 矗 精 乩 “ 乱 哦一舻吃一舻略一舻 电缆线路中的波过稃与仿真模型 方程相互独立。对每一个电压或电流模量来说，其波动方程与单相线路的波动方 程完全相同，因此可以按单相线路的波动方程来求解各个模电压和模电流的值， 最后通过相模反变换来求得各相的相电压和相电流。 2 3 3p s c a d 中频率相关模型的选择 p s c a d 中有三类基本的输电线路和电缆模型：p l 型等值、b e r g e r o n 模型和频 率相关线路模型。 p i 型等值线路模型只用到基波阻抗，即使使用多个p i 型等值模型，也不能准 确描述除基波频率外的其它频率特性，也不能描述线路的频率相关特性如集肤效 应等。 b e r g e r o n 模型用分布参数方式来代替p i 型等值线路中的l c 元件，但电阻仍 然是集中参数的。它同样适用于只关心基波频率的情况。 频率相关线路模