（电力系统及其自动化专业论文）电力电缆故障定位方法研究及在线检测装置实现.pdf

a bs t r a c t p o w e rc a b l ei sa p p l i e di np o w e rs y s t e me x t e n s i v e i y p r o b a b i l i t yt a k i n g p l a c ei n c a b l ef a u l ti s g r e a t l yi n c r e a s e da l o n gw i t h r u n - t i m e ， a s m a n y f a c t o r s ，s u c ha sp o w e r i n s u l a t i o na g i n ga n dm a c h i n e r yd a m a g e s ot h i st o p i c h a sa ne x i g e n t l yr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，0 n - l i n ef a u l tl o c a t i o n m e t h o da 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 ds 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 a b o u to n 1 i n ef a u l t1 0 c a t i o ni nc a b l ep o w e rs y s t e m ，f i r s t l y ， w h a t st h e c 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 ；s e c o n d l y ，h o w w i l lt h ef a u l ti n f o r m a t i o nc h a n g ea tt h em e a s u r i n gp o i n t ； a n dh o wt 0 d e t e r m i n ea 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 as a m p l ep o w e rc a b l es y s t e mi sc r e a t e d ，w i t hat r a n s i e n ts i m u l a t i o n t o o la t p e m t p ( a l t e r n a t i v et r a n s i e n tp r o g r a m ) b a s e do na3 5k vx l p e c a b l em o d e li nt h ep a p e r u n d e rt h i sm o d e l ， t h ec h a r a c t e r i s t i c0 ff a u l t c u r r e n ti ss i m u l a t e di nd i f f e r e n tf a u l tg r o u n d i n gm o d e s f a u l t p o i n t c h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e dt od e t e r n 匝i n et h e i re f f e c tt ot r a v e l i n gw a v e t h eb r e a kp o i n tc h a r a c t e r i s t i co ff a u l tt r a v e l i n gw a v ei s f o u n db yu s i n g w a v e l e tt r a n s f o r ma n dl o c a lm o d u l em a x i m u mm e t h o d ， a n dj u d g e dt h e q u e s t i o nw h e t h e ro rn o t t h ef a u l ti s h a p p e n e db y t h ec r i t e r i o no ff a u l t t 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 r u e ，t h ef a u l t d i s t a n c ei sw o r k e do u t w i t ht h ei m p r o v e da r i t h m e t i co ff a u l tl o c a t i o n f o ft 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 s a n ds t u d y i n g ，d e s i g n h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fao n 1 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 t l o c a t i o n t h eh a r d w a r eo ft 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 l p r o c e s s i n g ) 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 td e s i g n ，p o w e r s u p p l ym o d u l ed e s i g n ，t h em e m o r ym o d u l ec i r c u i t sd e s i g n e d ，a n dt h el o g i c a l c o n t r o lm o d u l ec i r c u i t sd e s i g n e d t h es o f t0 ft h es y s t e mm a i n l yi n c l u d i n g t h ef l o wc h a r to fd s ps y s t e m 、 w a v e l e ta 1 9 0 r i t h ma n dw ir e l e s s d a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e m c a b l ee n d sa r eg e n e r a l l yn o ti nt h es u b s t a t i o n ，t h em o n i t o r e dd a t ai s d i f f i c u l tt op r o m p t l yt r a n s m i t t e dt ot h es u b s t a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h eg p r s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa d o p tf o rr e a l t i m ed a t at r a n s m i s s i o n ， w i t h l nt h en o n s u b s t a t i o nc a b l ef a u l td e t e c t i o na n d t i m e l y d a t aa n d i n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e dt ot h es u b s t a t i o nc o n t r o lc e n t e r g p r st e c h n o l o g y h a st h ea d v a n t a g e so fd on o tn e e dn e t w o r k ，b i l l i n ga c c o r d i n gt ot h ef l o w ， t e r m i n a lc a nb ea r t i c u l a t e di nal o n g “n ea n d1 0 w c o s tc o m m u n i c a t i o n s 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 st 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 r e m e n t k e yw o r d s ：p o w e rc a b l e ；t r a v e i i n gw a v e ；a t p e m t p ；w a v e l e ta n a l y s i s ； d s p t e c h n o l o g y ； g p r st e c h n o i o g y m 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 劫乳 日期： 1 年f 只 学位论文版权使用授权书 以口 口 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 储虢易勉魄吁广月咖 导师签名：毛袭名匕日期：哆年厂月多日 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电力电缆在电力系统中的应用越来越广，保障电缆线路的安全运行 是对电力系统运行的基本要求。随着社会的高速发展，土地资源日趋紧 张，电力线路逐渐由以往占地多的明线方式改为地埋方式。特别是最近 几年，随着我国城乡及国防现代化建设的发展和科技的不断进步，使电 力电缆的应用更加广泛，其数量成倍增长。电缆线路的安全运行与人们 的生产、生活息息相关，电缆线路的故障隐患严重地威胁着人民生命财 产的安全，电缆故障对社会造成的影响也越来越大。突发的断电事故不 仅会给人们的正常生产和生活造成严重混乱，也会给电力公司造成巨大 的损失。人们己经不能接受因电缆线路故障造成工矿生产事故，或银行 系统、铁路运输系统、机场调度系统和生活供电的中断。另一方面，电 缆线路的故障检测比架空输电线路故障检测任务要艰巨很多，因为电缆 线路不像架空线路那样具有直接可观测性。如果电缆故障点的检测结果 与实际故障相差较大，那么也就失去了意义。所以，电缆故障检测要求 精确度更高的方法。 分析与归纳电力电缆的故障原因和特点，大致如下。 1 、机械损伤。机械损伤类故障比较常见，所占故障率接近百分之六 十。一般造成机械损伤的原因有直接受外力损伤、施工损伤、自然损伤 等几种。 2 、绝缘受潮。绝缘受潮是电缆故障的又一主要因素。一般造成绝缘 受潮的原因是电缆中间接头或终端头密封工艺不良或密封失效以及电缆 护套被异物刺穿或腐蚀穿孔等。 3 、绝缘老化。电缆绝缘长期在电作用下工作，要受到伴随电作用而 来的化学、热和机械作用，从而使介质发生物理化学变化，使介质的绝 缘下降。 4 、过电压。过电压主要指大气过电压和内过电压。3 倍的大气过电 压或操作过电压对于绝缘良好的电缆不会有太大的影响，但实际上，电 缆线路在遭受雷击时被击穿的情况并不罕见。 5 、过热。引起电缆过热的原因主要是电缆长期过负荷工作、火灾或 邻近电缆故障的烧伤、靠近其他热源，长期接受热辐射等。另外，安装 于电缆密集地区、电缆沟等通风不良处的电缆、穿于干燥管中的电缆及 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。 6 、产品质量缺陷。电缆本体及电缆附件( 如传统三头) 的质量缺陷 直接影响电缆线路的安全运行。 7 、设计不良。属于设计不良的主要弊病有：防水不严密、选用材料 不妥当、工艺程序不合理、机械强度不充足等。 目前使用的电力电缆故障点测距装置，都是在故障电力电缆停电后， 解开电力电缆，通过相关的设备离线测量故障距离，即离线测距。这样 的故障测距方法存在很多缺点，例如测距时间过长等；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，高电压对测试设备、电缆和 工作人员都会造成安全隐患。因此迫切需要电力电缆在线故障定位方法 来弥补离线测距的缺陷和不足。若能实现电力电缆的在线故障点定位， 将具有重大的意义： 1 、当电力电缆发生故障时，如果能迅速找到故障点，那么就可以减 少停电时间，提高经济效率。由于利用的是电力电缆故障瞬间产生的暂 态信号实现故障测距，一旦发生故障就能算出故障距离，组织相关人员 迅速赶到故障现场，并通过相关故障定点设备找到实际的故障点，根据 故障情况采取相应的处理并迅速恢复供电。 2 、利用运行中故障缺陷能通过暂态信号反映出来的特点，可迅速找 到离线故障测距装置难以找到的瞬时性故障发生处，大大提高故障测距 装置的适用范围。 3 、提高运行中的电力电缆整体质量水平，及时淘汰绝缘受损严重的 电力电缆，避免重要用户的停电。由于测出运行中的电力电缆的绝缘局 部放电，监测绝缘受损情况，一旦发现绝缘局部放电严重，而且局部放 电位置较多，就需要考虑更换这条电缆，以免该电力电缆真的发生事故， 造成重要用户的停电。 4 、可减少停电测试时间，大大提高供电可靠系数。实现电力电缆在 线状态监测后，可以使目前现场普遍采用的停电测试方法的使用次数大 大减少，当在线监测发现有必要停电检修时才停电检修。这样，该线路 持续供电时间增大，供电可靠系数大大提高。 5 、逐渐同国际惯例接轨，取代定期停电测试，进一步提高供电可靠 系数。这样的好处是：避免了定期停电测试由于加入交、直流高压给电 力电缆绝缘造成的不必要的伤害，使该电力电缆使用寿命更长，提高供 电可靠系数。 2 6 、传统的电力电缆离线故障测距装置需附加高压脉冲发生器，出于 各种因素考虑，如人身安全，绝缘性能等，所加电压只有3 0 4 0 k v ，达不 到测量1 1 0 k v 以上电压等级电力电缆故障点击穿的要求，无法实现1 1 0 k v 以上电压等级电力电缆故障测距。在线故障测距装置的引入，完全利 用电力电缆故障瞬间产生的信息，能够克服这方面的缺点。 1 2 本课题研究方法及实验手段 要实现在线故障测距，就必须充分利用电力电缆故障瞬间所表现出 来的各种特性。这涉及到一系列故障特性研究，包括故障点特性研究： 故障信息从故障点到测量端的传播特性研究；故障信息在测量处的变化 特性研究；从干扰背景中检出故障信息的研究；充分利用各种故障信息 实现准确故障测距的研究。 只有充分研究清楚各种情况下测量端捕捉到的各个地方反射过来的 行波，才能提取有用的暂态信号实现电力电缆单端在线故障测距。这就 需要在研究现有行波测距方法优缺点的基础上，结合先进的数字处理技 术，利用小波变换技术取长补短实现故障的在线测距。运行中的电力电 缆缺陷处和故障点产生的暂态信号有其特殊性，必须在研究清楚暂态信 号各种特性的基础上，引入小波变换技术提取能够反映电力电缆运行特 征和电缆故障产生的行波特征，实现电力电缆在线故障测距。 由于分析处理的是变电站现场暂态信号，而变电站的电磁环境非常恶 劣，信号处理结果易受干扰信号的影响，需要采取相关的措施，找到消 除干扰的方法。这样才能为将来实现单端在线故障测距和状态监测的装 置化打下良好的基础。 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 课题仅对应用较多的3 5 k v 交联聚乙烯电力电缆( x l p e ) 进行研究。研究中 引用的大部分参数由现场运行的电力电缆结构和材料特性来定，个别参 数( 如大地电阻率等) 采取理论上适应大范围变化的参数与现场实际参数 相结合引入的研究方法，便于理论研究结果能适应普遍的实际情况。a t p 建模是仿真的关键，研究行波的传播系数时必须利用a t p 中现有的频率 相关电力电缆模型，引入必要的参数，形成数据文件，绘出传播特性波 形，必要时将数据导入m a t l a b 进行波形绘图处理以及小波分析处理。 3 1 3 本文主要工作 本文对电力电缆故障暂态信号和电力电缆在线故障测距技术进行研 究，并构造了一个电力电缆故障检测系统，期望为将来开发基于小波变 换技术的电力电缆在线故障测距装置打下基础。主要完成的工作为： 1 、对国内外电缆故障检测方法进行分析研究； 2 、以3 5 k v 交联聚乙烯绝缘电力电缆为原型，用a t p e m t p 建立了 基于小波的电缆故障检测模型； 3 、利用该模型对不同中性点接地方式、初始相角、故障距离等几种 情况的行波进行仿真，分析了多种因素对行波的影响； 4 、利用小波模极大值理论对电缆故障行波的奇异点进行检测，得到 初始行波和反射行波的准确到达时间； 5 、构建了基于g p r s 的无线通信电力电缆故障检测系统。 4 第二章国内外研究现状及进展 2 1 电力电缆的故障类型 电力电缆故障的分类方法比较多，按照故障性质可以分为开路故障、 低阻故障、高阻故障等。 1 、开路故障； 电缆相间或相对地绝缘电阻在要求的规范值范围内，但工作电压不 能传输到终端；或者虽然终端有电压，但是负载能力很差。开路故障的 典型例子就是断线故障。 2 、低阻故障； 电缆相间或相对地绝缘受损，其绝缘电阻小到能用低压脉冲法测量 的一类故障。故障电阻一般小于b e r g e r o n ( z o 为电缆的特性阻抗，一般不 超过4 0 q ) 。常见的低阻故障有单相接地、二相短路或接地等。 3 、高阻故障： 与低阻故障相对而言，电缆相间或者相对地绝缘受损，但是绝缘电 阻较大，不能用低压脉冲法测量的一类故障。故障电阻一般大于10z o 。 泄露性故障和闪络性故障是高阻故障的两种极端形式。 电力电缆故障的探测一般要经过故障性质诊断、故障测距、精测定 点三个步骤。 1 、确定故障性质：通过测量电缆的导电性能和绝缘性能来了解故障 电缆的有关情况，初步确定故障的性质，从而选择适当的测试方法对电 缆故障进行具体的诊断。 2 、粗测距离：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。这 是电缆故障测试过程中最重要的一步。 3 、精测定点：在粗测距离的基础上，精确地确定故障点所在实际位 置，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。 一般来说，电缆故障探测都要经过以上三个步骤，其中难点在故障 粗测，攻克了测距，才能迅速地地查找到故障点。本课题主要探讨的是 故障测距即故障粗测方法。 5 2 2 电力电缆离线测距的现状 电力电缆的故障测距方法很多，总的来看，可以分为阻抗法和行波 法两大类。目前实际应用的大多是离线测距。 2 2 1 阻抗法 阻抗法通过测量和计算故障点到测量端的阻抗，然后根据线路参数， 列写求解故障点方程，求得故障距离。该方法多以线路的集中参数建立 模型，原理简单，易于实现，多年来是人们关注的热点。在实际的阻抗 法电缆故障测距中，一般都是应用电桥法来实现的。 阻抗法中最常用的就是经典电桥法，。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。电桥法原理图如下。 c ( a ) 测试线路( b ) 等效线路 图2 1 电桥法原理 电桥法的优点是比较简单，精度较高，但是它的适用范围小，一般 的高阻和闪络性故障，由于故障电阻很大，电桥电流很小，测距效果很 不理想。电桥法必须已知电缆线路的具体参数，否则会造成测距误差很 大，当一条电缆线路内由导体材料或截面不同的电缆组成时，还必须进 行换算。另外，电桥法不能测量三相短路故障。由于存在以上缺点， 目 前电桥法已逐渐被其它测距方法所取代。 经典的阻抗法以线路的集中参数进行计算，当故障电阻比较大时， 就无能为力了。为解决这个问题，提出一种计算高阻故障的方法1 ，它以 分布参数线路理论为基础，推导出故障测距方程，原理简述如下：对带 有高阻故障的电缆施加正弦高压信号，使高阻故障点闪络，此时故障点 6 的高阻故障就变为电弧电阻。因电弧呈现电阻性，流过故障点的电流和 故障点两端的电压同相位，采集到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，从而定位故障点。 2 2 2 行波法 行波测距法，就是确定行波传播速度后，通过测量行波的传播时间 来确定故障位置。总的来说，行波离线测距法有四类。 1 、低压脉冲反射法： 用于电缆的低阻、短路及断路故障。测试时，向故障电缆注入一个 低压脉冲使其在电缆中传播，脉冲遇到阻抗不匹配点( 短路、断路和中间 接头等) 时发生反射，记录反射脉冲与发射脉冲的时间差缸。己知脉冲在 电缆中的波速度v ，则阻抗不匹配点到测量点的距离就是： 工；坐 ( 2 1 ) 2 、 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， 如电缆导体截面、长度、电阻率等，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及泄露性和闪络性故障。 2 、脉冲电压法： 又称闪测法，利用直流高压或脉冲高压信号击穿电缆故障点，即发 生闪络放电，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 测距，适用于高阻和闪络故障。 该方法的优点是不必把高阻或闪络性故障永久性烧穿，利用故障击 穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快、误差小、操作简单等。 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。 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，分压器耦合的电压波形变化不尖锐，不易分辨。 3 、脉冲电流法： 脉冲电流法采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号，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一次所需 时间来计算故障距离。 7 与脉冲电压法比较，脉冲电流法使用线性电流耦合器，与高压回路 无直接电气连接，这样对试验仪器和试验人员比较安全。线性电流耦合 器产生的电流脉冲信号也比较容易分辨。所以相比脉冲电压法而言，该 方法得到了更为广泛的应用。 脉冲电流法有直流高压闪络法和冲击高压闪络法两种测试方法。 直流高压闪络法( 直闪法) 适用于测量闪络击穿性故障，该类故障的故 障电阻很高，用高压设备把电压升高到一定数值时就会产生闪络击穿。 通过调压器和一个高压试验变压器对储能电容器充电，电容器串联一个 电阻与电缆连接形成回路，线性电流耦合器与该回路耦合，检测信号。 当电容器电压增加到一定数值时，电缆故障点被高压击穿，形成短路电 弧，故障点电压迅速接近于零，产生一个突跳电压和突跳电流，从故障 点向两端传播。在电缆的一端检测电流脉冲在测量端和故障点之间往返 一次的时间就能获得故障距离。直闪法波形简单、容易理解，准确度较 高。但是由于电容器本身以及电缆存在杂散电感，使得本来应该是负脉 冲的波形上出现一个小的正脉冲，影响测距精度。而且，故障经过几次 直闪法后，故障电阻下降，不能再用该方法，所以前几次的试验非常重 要。 冲击高压闪络法( 冲闪法) 适用于测试大部分闪络故障。冲闪法试验电 路与直闪法基本相同，只是在充电电容器与电缆之间增加一个球型放电 间隙。对充电电容充电，电压到达一定数值后，球型放电问隙就会击穿 放电，电缆线路得到一个瞬时高压，当该高电压大于故障点临界击穿电 压时，就使故障点击穿放电，产生电流电压信号向两端传播。捕捉到该 信号就可以实现故障测距。与直闪法相比，冲闪法波形比较复杂，辨别 难度较大，准确度较低，但是适用范围更广一些。 4 、二次脉冲法： 二次脉冲法( s l m ) 是2 0 世纪9 0 年代发展的电缆故障预定位方法。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，此波形图叫“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) ，这 个加在高压信号上的脉冲将从故障点反射。这样，带自动数据处理的回 波仪存储故障点反射波形，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 8 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。 2 3 电力电缆在线测距的进展 目前国外一些公司在不断研究新的测试方法同时引入了计算机技 术，拟将电缆的运行管理、故障测试与g i s ( 地理信息系统) 结合起来。在 g i s 中输入各电缆的资料信息，在故障测试时，将测试结果与g i s 数据 库相连，仪器所测的故障点位置自动在g i s 系统中显示出来，g i s 将故 障点相对位置与实际位置对应起来，以便于检修，但这必须有非常完善 的基础资料以及软硬件支持。在线监测及全自动测试是未来电缆故障测 试的发展趋势。然而至今为止，电力电缆故障在线检测与测距没有架空 线路那么成熟，国内外科技人员正在努力完善这方面的研究。 2 3 1 应用高速光电传感技术的电缆故障测距 文献【5 】介绍了一种电缆故障测距系统，并研究开发了实现设备，基 本原理如下： 。 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f 1 和f ：，则传播时间差就为出= k 一如i ， 故障点到测试端的距离l ，可以表达为： 工，坐( 2 2 ) l ，- 一 iz - 二， 7 2 、 其中l 为电缆总长，y 为浪涌电流在电缆中的传播速度。 由上面公式可见，如何准确地确定时间差& ，是解决问题的关键。 由于浪涌电流是一个很快的过程，该系统采用了光磁传感器，另外，该 系统采用高速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，这就比传统的比较仪和计数器要好得 多。a d 转换器采样率为16 m h z 。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。 该系统中，光磁传感器产生光信号，要经过一个高速光电( 0 e ) 转换 9 器，把光信号变成电信号。该电信号经过高速a d 转换器，变成离散数 字信号，交给c p u 进行处理。根据上面公式计算出故障距离后，结果显 示在液晶显示屏上。 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 差不远，能够迅速发现故障，减少停电损失。但是缺点仍然存在： 1 、浪涌波形上升点的确定。该系统采用了计算离散点数目的方法， 对于16 m h z 的采样频率，两个点之间的距离对应于6 2 5 n s 的时间，两个 波形都采用相同的点，理论上应该没有太大的误差。但是由于浪涌波形 在传播过程中的色散现象以及外界的电磁干扰，此方法仍然会有出错的 可能。 2 、浪涌速度取经验值，对测距精度也有影响。而且，应用这种方法， 故障点在电缆中点附近时，测距精度较高，而在靠近电缆线路两端时， 误差很大。这种误差根源于故障波形的延迟上升。 3 、光磁传感器和光电转换器之间用光缆通讯，对于长线路，光缆的 投资太大。 文献【6 】【12 1 同样利用光纤来进行电缆故障测距，但采用的是光纤 温度分布传感器，将光纤复合到电缆中，做成光纤复合电缆。光纤温度 分布传感器完全不受电磁感应的影响，激光束注入光纤后，用分光仪将 拉曼( r a x n a n ) 后向散射光线分离出来，该光线的强度随温度变化。通过测 量光强，经过公式转换后可以读出温度值，通过监测温度间接监测电缆 线路运行情况是否正常。而故障距离可以通过激光脉冲的注入时间与反 射光线的到达时间差来计算，激光在此类光纤中的传播速度为0 2 m n s 。 该方法对故障的定位准确，定位时间少，而且对电缆的损伤小于其它行 波法；但是制造复合光纤电缆造价高，保护光纤不受损伤比电缆本身更 有难度。 2 3 2 应用小波分析电缆故障测距 八十年代发展起来的小波变换，具有表征信号突变特征的能力以及 对非平稳信号的良好的处理效果，可以从不同尺度下信号小波变换的结 果进行干扰分析和抑制、提取信号故障特征参数，实现故障的精确测距。 因此，用小波变换检测电缆故障将具有更大的优越性。用小波变换来检 测行波准确到达时间，在输电线路上己经成功应用1 ，相同的原理也可 以用于电缆的故障检测，只是因为电缆的距离比较短又埋于地下，行波 传播过程更为复杂，要达到几米的精确测距，需要克服更多的困难。 文献【14 】基于同步采样技术和行波传播理论，应用g p s 来提高数据 1 0 采样的同步精度；以小波分析来实现故障行波到达时间的精确检测。并 对一个4 0 0 k v 地下电缆系统采用a t p 进行仿真和评估。 系统分成同步采样、小波分析、故障行波到达时间检测和故障距离 计算四个部分。由于以下两个原因，采用电流信号来检测故障而不是电 压信号； 1 、根据行波理论，当母线上的连接线路增加时，母线上检测到的电 压暂态值将下降，而电流暂态值却上升； 2 、在普通线路保护用电流互感器的二次线圈中能产生频率较高的电 流暂态信号。 出于准确性的考虑，采用2 0 4 8 m h z 的采样频率。实际中，可以从 电缆制造商或者通过试验来确定不同频率范围故障行波的传播速度。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 到达时间。第一个过程分三步对原始信号进行降噪； 把带有时间标签的原始信号分解为三个尺度，产生粗信号( 低频、 高幅值分量) 和细信号( 高频、低幅值) 。 设置三个阈值纯、码毛) ，裁剪信号，去除干扰信号。 把降噪后的三个尺度的信号进行重构。 第二个过程就是把降噪后的重构信号进行三尺度分解。同样设置三 个阈值亿、和气) 来确定尺度2 或尺度3 细分量( d 2 和d 3 ) 的第一个尖峰 信号。如果d 2 的最大绝对值小于l ，采用尺度3 ，否则采用尺度2 。选 择幅值大于，( 采用d 2 ) 或者( 采用d 3 ) 的第一个尖峰信号，其时间标签 作为到达时间。然后根据前述公式来计算故障距离。 仿真研究表明，除了在故障起始角很小或者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。 文献【15 】提出将小波用于电缆故障测距的算法，但是此法用于离线测 距，是在脉冲电流测试法的基础上，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k 2 ，然后 用下面公式来确定故障距离： l ，。删( 2 3 _ )l ，_ “ iz - j ， 。 2 只 、。 其中，k 。和k 2 指离散采样点，e 指采样频率，是脉冲传播速度。 另外，单端测距也在研究中，输电线路的单端测距研，究已经有了 一定进展。文献【17 1 提出一种基于阻抗法的单端在线测距方法。考虑到电 缆发生故障时，故障点的电弧呈现纯电阻性，故障点的电流和故障点两 端的电压同相位，然后根据电缆首端的电压和电流测量值，在线路的分 布参数理论基础上求出沿电缆各点的电压、电流值以及它们的相位差。 建立故障测距方程后就可以进行在线故障测距了。试验仿真显示，能达 到2 4 的平均准确度。但是最大误差值却高达4 ，这还是试验中的理想 情况下。结合实际情况，分布参数模型的建立是个难点，测距精度离实 际要求还有较大差距。但是作为一种新型的在线测距方法，可以作为其 它方法的补充，进一步进行研究。 综合以上在线测距方法可见，无论是用单端阻抗法测距还是用双端 行波法测距，都存在故障点离电缆两端很近时测距误差较大的缺点，应 该结合其它方法来修正这些方法的测量盲区。 将小波分析方法应用于电力电缆单端测距，是一个很有前景的方法。 单端测距比双端测距更利于在线检测，更经济有效，实时性更好，但是 困难更大。当利用故障行波实现单端故障测距时，必须利用故障时产生 的暂态行波在故障点和测量端的来回传播时间差实现故障测距。电力电 缆故障点产生的行波以及电缆两端产生的反射行波不是电缆中的唯一行 波，除此之外，从其它线路经过多次折射和反射过来的干扰行波，都对 故障测距产生影响。如何排除干扰行波，是单端测距行波法遇到的一个 难点。要实现单端在线故障测距，就必须充分利用电力电缆故障瞬间所 表现出来的各种特性。包括故障点特性研究、故障信息从故障点到测量 端的传播特性研究、故障信息在测量处的变化特性研究、充分利用各种 故障信息实现准确故障测距的研究等。 2 3 3 实时专家系统 所谓专家系统，即用计算机来模拟专家思维，解决某一领域内的重 大问题。文献【18 】【19 】指出，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。它根据故障定位的三个主要内 容把任务分成三个阶段：故障诊断、故障预定位( 故障粗测) 、故障精确定 点。故障预定位阶段可以应用各种测试方法，精确定点阶段采用现在常 用的定点方法即可( 音频感应法、声磁同步法等) 。 由此可见，故障诊断阶段需要电缆的状态信息，结合电缆状态监测 以及局部放电检测等手段会取得更好的效果。而预定位阶段也可以考虑 1 2 采用现在的先进技术，特别是更适合在线定位的方法，小波分析应用在 该阶段有较好的效果。因此，将实时专家系统和小波分析技术应用于电 缆故障诊断中有着巨大的潜能和光明的前景。 2 4 本章小结 电力电缆的离线故障测距发展已经较成熟，电桥法和低压脉冲反射 法可以很好地解决低阻和断路故障问题，同时达到很高的测距精度；而 直闪法、冲闪法以及二次脉冲法用于解决高阻和闪络故障，效果较为理 想。但是离线测距意味着断电和故障修复时间较长，所以，在线故障测 距是发展的必然趋势。为了保证电力系统能安全、经济运行，除了要求 迅速测定故障距离外，还要求能够对故障进行预测，以便降低故障发生 的几率，减少经济损失，这就要求将电力电缆的在线状态检测和在线故 障诊断、故障测距结合起来，组成实时的专家系统，使得这些故障检测 技术能最大限度地发挥作用。 1 3 第三章电缆线路中的波过程与仿真模型 3 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似”，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 朋口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 布参数线路模型来表示【2 i 】，如图3 1 所示。 跖+ 丝出 跖+ 一以x 缸 图3 1 分布参数表示的等值电路原理图 其中，尺d 、厶、c o 、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 尝删= o ( 3 1 ) 兰+ c o 罢+ g o f ：o ( 3 - 2 ) 缸”m ” 将上面式子( 3 1 ) 对时间求偏导数，式子( 3 2 ) 对空间坐标求偏导 数，然后综合在一起，可得到： 辜tk c 0 箬啦c o + g 0 k ) 詈+ 瓣 窘叱c 0 睾啦c 0 + 锅) 詈+ r 钳 1 4 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 从图3 1 可知道，分布参数电路和集中参数电路一样，从一个稳态的 过程转变到另一个稳态不能瞬间完成而有一个过渡过程。根据其方程式， 我们写出其通解形式为： “0 ，f ) ； o 一兰) + ，2 ( f + 兰) ：“+ o 一兰) + 比一o + 兰) v，vv 怖h 兰) + f 与。塑一盟 yl ， z oz o ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中z 0 为特性阻抗，“+ ( f 一兰) 表示以速度v 向( + x ) 方向传播的入射 v 波，“一o + 三) 表示以速度v 向方向( 一x ) 传播的反射波。它们的具体形状 l ， 可根据给定的边界条件以及初始条件决定。从式子( 3 5 ) 可知，任何时 刻在线路上任何点的电压，都可能由一个前行波电压和反行波电压叠加 而成。由于传输线中的电压、电流常常是时间的正弦函数，所以有必要 分析均匀传输线基本方程组的正弦稳态解。当线路模型视为线性时不变 系统时，r d 、k 、c 0 和g 0 都是常数，当在线路一端施加正弦激励时，可 运用如下的向量代换【z z j ： “ ，f ) z j 豇s i n ( 耐+ 吼) ，l 【血厩e 皿】= l 【压u e “】 ( 3 7 ) f ，f ) = 西s i n ( 耐+ 锻) 一l 【血砌e 埘】；l 【压，e 似】 ( 3 8 ) 则偏微分方程( 3 - 7 ) 和( 3 - 8 ) 司以变成如f 形式的常微分方程： 一掣；( r + ，喝) j 。z 。j ( 3 9 ) 一望兰；( g 0 + ，c 0 ) 6 ：k6 ( 3 1 0 ) 其解为： 式中： ua 彳l e 一7 。+ 彳2 e 7 。 j _ 。去( 二e 一，。- 二：p r 。) y = 瓜= 伐+ b 1 5 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 棚路传播口为衰减减卢为相位撬配= 序为线 路的特性阻抗或波阻抗。由( 3 1 1 ) 和( 3 12 ) 可见，线路上某点的瞬时 电压和电流都可以视为正向行波和反向行波的叠加。 由式( 3 1 3 ) 可以求得： 口；乒磊面而磊赢 户，乒i i 丽焉赢 ( 3 14 ) ( 3 15 ) 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： ，。l i m 竺：竺( 3 16 ) ，l i m 一= 一 lj lo ， 址叶0 缸 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。 3 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 阻故障点电阻不为零时还会有行波透射现象，即有一部分行波透过故障 点继续往前运动。行波的反射和透射现象如图3 2 和图3 3 所示。 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 1 ，互时，以电压行波为例，则反 射系数为： 见= 葺t 缓 川 透射系数为： 生，旦 ( 3 18 ) ，_ o _ j oixj h 吩z i + z 2 l1 ) 三 u i + 川 u t - + | f | | j u f 图3 2 行波的反射示意图 图3 3 行波的透射示意图 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： n ；生；兰 ( 3 19 ) 。 z 1 + z 2 透射系数为： y ；王二l( 3 2 0 ) z 1 + z 2 以上公式中，h ，、“r 、峨与f r 、f ，、f f 分别是透射侧、反射侧、入射 侧电压和电流；z ，和z ，分别为行波的入射侧和透射侧阻抗。 3 3 建立电力电缆仿真模型 3 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