（电气工程专业论文）电力电缆故障探测技术的应用研究(1).pdf

摘要 电力电缆故障探测技术的应用研究 摘要 随着国家城市电网改造工作的迅速展开，电力电缆得到越来越广泛的应用。 但是由于制造缺陷、机械损伤、安装质量、绝缘老化等原因，电缆故障时有发 生，给人们生活和生产带来重大损失。如何迅速、准确地确定故障点，恢复供 电，减少停电损失，就摆在广大工程技术人员面前。所以有必要对电力电缆故 障探测方法进行深入的研究，到目前为止，电力电缆故障测距仍然缺少有效的 方法。本文通过研究国内外输电线路故障测距方法，总结得出了各种电力电缆 故障诊断存在的优缺点，指出了每种测量方法的适用范围和应用局限性。 本文是对电力电缆故障诊断技术的应用性研究，是在传统的传输线模型不 变的基础上，采用有限元剖分的方法，把传输线剖分成相等的单元，考虑了有 限长度电缆每小单元线路之间互感的作用，推导出新的波动方程。而后采用数 值分析的方法对传输线时域响应进行了分析。 在仿真算例部分，本文运用v c + + 7 o 仿真软件进行了电缆低阻故障、高阻故 障、开路故障的仿真。通过改变仿真中的参数( 电缆长度、剖分段数、脉冲宽 度、计算步长、故障点位置) ，来比较得到的仿真波形，计算故障点的距离， 并从仿真图形中总结出波形的规律。从收集的大量工程实际故障波形中进行细 致分析，不断调整模型的参数，寻找仿真波形和实际波形的异同点，并得出相 应的结论，得到更符合实际的仿真方程，指导现场故障测距工作。 关键字：电力电缆故障故障测距传输线脉冲电流法波形 a b s t ra c t t h e a p p l i c a t i o ns t u d y o nt e c h n o l o g yo fp o w e r c a b l e sf a u l tl o c a t i o n a b s t r a c t w i t ht h er e c o n s t r u c t i o no fp o w e rg r i d ，p o w e rc a b l ei sa p p l i e de x t e n s i v e l y t h e f a u l t ，h o w e v e r , o c c u rr e g u l a r l yb e c a u s eo fm a n u f a c t u r e rd e f e c t ，m e c h a n i c a ld a m a g e ， i n s t a l l a t i o nq u a l i t y , i n s u l a t i o na g i n ga n ds oo n i tl e a d san u m b e ro fl o s s e s h o wt o s e tf a u l tl o c a t i o nr a p i d l ya n da c c u r a t e l yt or e d u c eo u t a g el o s s e si sn e e dt os t u d y 自u r t h e r s of a rt h e r ei s n te f f e c t i v em e t h o do ff a u l tl o c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h r o u g h i n v e s t i g a t i n gm a n yk i n d so fm e t h o d so fp o w e rc a b l el o c a t i o n ，t h ea d v 孤t a g e s ， w e a k n e s s a n ds c o p e s o f a p p l i c a t i o n o f e a c h w a y a r e i n t r o d u c e d f i r s t l y t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fd i a 朗o s t i ct e c h n i q u e so f p o w e rc a b l ef a u l t o nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nl i n em o d e ，f m i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o di s u s e dt om a k el i n ee q u a lu n i t s t h e na f t e rc o n s i d e r i n gm u t u a l i n d u c t a n c eb e t w e e n u n i t so ff m i t ec a b l e ，n e ww a v ee q u a t i o ni so b t a i n e d f i n a l l yt i m ed o m a i nr e s p o n s ei s s t u d i e db yn u m e r i c a la n a l y s i sw a y i nt h ee x a m p l e s ，l o w - r e s i s t a n c e ，h i g h - r e s i s t a n c ea n do p e n - c i r c u i tf a u l to fc a b l e a r es i m u l a t e db yu s i n gv c + + 7 0s o f t w a r e t h ep a r a m e t e r si n c l u d i n gc a b l el e n g t h ， n u m b e ro fu n i t ed i v i d e d , i m p u l s ew i d t h , a c c o u n ts t e pa n df a u l tl o c a t i o na r ec h a n g e d t og e td i f f e r e n tw a v e s c o m p a r et h e s es i m u l a t i o nw a v e sa n dc a l c u l a t et h ed i s t a n c eo f f a u l tp o i n t t h er u l e so fw a v es h a p ea r eg e n e r a l i z e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f s i m u l a t i o ng r a p ha n dp r a c t i c a lw a v ei nm a s sp r o j e c t s ，t h es i m u l a t i o ne q u a t i o n o b t a i n e di su pt op r a c t i c e t h ec o n c l u s i o n sa r es u m m e dt og u i d et h ew o r k so ff i e l d f a u l tl o c a t i o n k e y w o r d s ：p o w e rc a b l ef a u l t ；f a u l tl o c a t i o n ；t r a n s m i s s i o nl i n e ；i m p u l s ec u r r e n t m e t h o d ；w a v e l i 广西大学工程硕士学位论文 明。 符号说明 以下为本文使用到的主要符号。通常，其在文中出现处也给出了相应的说 墨 毽 电缆断路故障电阻 电缆短路故障电阻 蜀，r ，马，墨 电桥法测量电阻 工 ， 厶 d 矿 g 0 g 厶 乙 u + i + u 一f i ，j ，k e t ，h t 电缆全长 电缆故障点到测量端的距离 电缆故障点到末端的距离 二线传输线的轴线间的距离 电力电缆波的传播的速度 单位长度的电阻 单位长度的漏电导 单位长度的对地电容 单位长度的电感 传输线的波阻抗 正向电压波与电流波 反向电压波与电流波 z ，y ，z 方向上的单位向量 与x 方向垂直的电场强度和磁场强度 向量 1 广西大学工程硕士学位论文 e ，日电场强度和磁场强度向量 s 波印亭向量 v ：旦“旦，+ 旦t ： 2 a - v ， 微分算子矿 舐却。玉出 。 占传纠任意点“，y ) 的磁感应强度 t 传输线的内外自感 皖 电流密度 “i ， 传输线第i 段的电压和电流 穿过两线之间轴向单位长度中的外 磁通链 胁磁导率常数 y电磁导率常数 占电介质常数 成 电压反射系数 以电流反射系数 广西大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 随着社会经济的发展和现代化建设步伐的加快，工农业生产及人民 生活的用电量日益增加，对电力的需求量越来越大，要求电网的安全运 行也越来越高。而作为连接各种电气设备、传输和分配电能的电力电缆， 已逐渐取代了架空线的位置。 同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆故障越来越频繁。 根据柳州供电局2 0 0 2 2 0 0 3 年的运行经验表明，随着城农网改造进入一 定的阶段，电缆运行了一定的年限，故障率有逐年升高的趋势。2 0 0 2 年 电缆故障跳闸率为2 9 0 次百公里年，2 0 0 3 年电缆故障跳闸率为3 2 1 次百公里年。电缆发生故障时，由于埋在地下，查找比架空线困难，若 故障测距不准，电缆路径不清楚，耽误了大量时间，造成无法估量的损 失。2 0 0 5 年某供电局供军区的电缆出现故障，造成连续两次停电，造成 了一定的政治影响。试想在中国一东盟博览会期间，如果出现电缆故障， 会造成多大的经济损失和国际影响? 所以有必要对电力电缆故障探测方法进行深入的研穿。从二战前提 出的，发展到今天已经出现了诸如：电桥法，驻波法等经典理论方法， 以及基于行波理论产生的：五十年代的低压脉冲法，七十年代的脉冲电 压法，八十年代的脉冲电流法等的现代行波法。理论是方法的依据，尤 其是现代行波理论所采用的均匀传输线中的导行电磁波，完全应用了麦 克斯韦的电磁理论，分析电磁波在传输线上的波动过程，以此来定位故 障点的位置。这些理论都是建立在对长距离传输线路模型的简化基础上， 即经过特殊处理，简化为现在应用普遍的均匀传输线路的电报方程【1 1 。 但应用实际中非均匀传输线的非均匀性我们是要必须考虑的，即没有对 传输线进行特殊处理，并且也不需要对耦合的电报方程进行解耦处理。 应用数值分析方法得到更加精确的传输线路波动方程，对于线路故障的 探测也将更准确，其意义和价值都是难以想象的。 广西大学工程硕士学位论文 1 2 电力电缆故障的原因【2 】 电缆故障的原因大致可归纳为以下几类： ( 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有以下几种原因： 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( 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；因土地沉降引起过大拉力，拉断中间接头或导体。 ( 2 ) 绝缘受潮 绝缘受潮后引起故障。造成电缆受潮的主要原因有： 1 ) 因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；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。电缆内部气隙产生电游离造成局部过热， 使绝缘碳化。电缆过负荷是电缆过热很重要的因素。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加速损坏。 ( 4 ) 过电压 过电压主要指大气过电压和内部过电压，许多户外终端接头的故障 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 4 堕查堂三墨堡主兰垡丝苎 下发生故障，使电缆绝缘击穿，形成故障，击穿点一般是存在缺陷。 ( 5 ) 设计和制作工艺不良 中间接头和终端头的防水、电场分布设计不周密，材料选用不当， 工艺不良、不按规程要求制作会造成电缆头故障。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 护层的腐蚀 由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆铅包外皮受腐蚀出现 麻点、开裂或穿孔，造成故障。 ( 8 ) 电缆的绝缘物流失 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。 1 3 电力电缆故障的分类 电力电缆故障从形式上可分为单相接地、两相接地、断线并接地 等多种组合形式。图1 1 给出了几种常见的故障形式。 广西大学工程硕士学位论文 a 一相对地 b 两相对地 c 一相断线并接地 图1 1 几种常见电缆故障形式 f i g1 1g e n e r a lp o w e rc a b l ef a u l t s 电缆故障点可用图1 2 所示电路来等效。毋代表绝缘电阻，g 是击 穿电压为的击穿间隙，c ，代表局部分布电容，上述三个数值随不同 的故障情况变化很大，并且互相之间并没有必然的联系。 图1 2电缆故障等效电路 f i g1 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fp o w e rc a b l ef a u l t 间隙击穿电压的大小取决于放电通道的距离，电阻r ，的大小取 决于电缆介质的碳化程度，而电容c ，的大小取决于故障点受潮的程度， 数值很小，一般可以忽略。 根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻 广西大学工程硕士学位论文 与闪络性故障，如表卜1 所示。 表1 1 电缆故障性质的分类 t a b l e1 1c l a s s i f i c a t i o n so fp o w e rc a b l ef a u l tf e a t u r e 故障性质r f间隙的击穿情况 开路在直流或高压脉冲作用下击穿 低阻小于1 0 z o鼢不是太低时，可用高压脉冲击穿 高阻大于1 0 z o高压脉冲击穿 闪络直流或高压脉冲击穿 说明：表中z o 为电缆的波阻抗值，电力电缆波阻抗一般在1 0 - 4 0 f l 之间。 以上分类的目的也是为了选择测试方法的方便，根据目前流行的 故障测距技术，开路与低阻故障可用低压脉冲反射法，高阻故障要用 冲击闪络法，而闪络性故障可用直流闪络法测试。现场人员有把 r j 1 0 0 k f l 的故障称为低阻故障的习惯，主要是因为传统的电桥法可以 测量这类故障。 据统计，高阻及闪络性故障约占整个电缆故障总数的9 0 3 1 。现场 上是通过试验方法区分高阻与闪络性故障的。 1 3 1 开路故障【4 】 若电缆相间或相对地绝缘电阻达到所要求的规范值，但工作电压不 能传输到终端；或虽终端有电压，但负载能力较差。如图1 2 中，当胄产 o o ，即为断线故障，这是开路故障的特例。 1 3 2 低阻故障【4 】 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。如图1 2 中，当r ，= 0 时，为短路故障，这是低阻故障的特 例。 1 3 3 高阻故障 4 】 电缆相间或相对地绝缘损坏，其绝缘电阻较大，不能用低压脉冲法 测量的一类故障，它是相对于低阻故障而言的。包括泄漏性高阻故障和 广西大学工程硕士学位论文 闪络性高阻故障【5 1 二种类型。 1 4 电力电缆故障的探测的步骤 电力电缆故障的探测一般要经过故障性质诊断、故障测距、故障 定点三个步骤。 ( 1 ) 电缆故障性质诊断 电缆故障性质的诊断，即确定故障的类型，故障电阻是高阻还是 低阻；是闪络还是封闭性故障；是接地、短路、断线，还是它们的混 合；是单相、两相，还是三相故障。以便于测试人员，选择适当的电 缆故障测距与定点方法。 ( 2 ) 电缆故障测距 电缆故障测距，又叫粗测，在电缆的一端使用仪器确定故障距离。 ( 3 ) 电缆故障定点 电缆故障定点，又叫精测，即按照故障测距结果，根据电缆的路 径走向，找出故障点的大体方位来，在一个很小的范围内，利用放电 声测法或其它方法确定故障点的准确位置。 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 障测距方面，攻克了测距，才能迅速地地查找到故障点。 1 5 电力电缆故障测距方法 电缆线路的故障测距方式有离线理论和在线理论两大类。其中离线 理论按原理来分类主要有五大类：电桥法、驻波法、低压脉冲反射法( 又 称雷达法) 、脉冲电压法( 又称闪络法) 、脉冲电流法、二次脉冲法、现 代行波改进法。 其中电桥法，驻波法为经典理论；低压脉冲法，脉冲电压流法是基 于理想模型的现代行波理论；这两种方法对低阻故障很准确，但对高阻 故障不适用。其后出现了直流闪测法和冲击闪测法，分别测试间歇故障 塑查堂三墨堕主堂竺堡奎 及高阻故障，两者都均可分为电流和电压闪测法。电压法可测率高，波 形清晰易判，盲区比电流法少一倍，但接线复杂，分压过大时对人及仪 器有危险：电流法则相反。目前这两种方法是国产高阻故障测试仪的主 要方法，基本上解决了电缆高阻故障测试问题。但仪器有盲区，且波形 有时不够明显，靠人为判断，仪器误差相对较大。 九十年代国外发明了二次脉冲法【5 1 ，即结合高压发生器冲击闪络技 术，在故障点起弧的瞬间通过内部装置触发发射一低压脉冲，此脉冲在 故障点闪络处( 电弧的电阻值很低) 发生短路反射，并记忆在仪器中， 电弧熄灭后，复发一测量脉冲通过故障处直达电缆末端并发生开路反射， 比较两次低压脉冲波形可非常容易地判断故障点( 击穿点) 位置，是目 前较先进的基础测试方法。基于二次脉冲法设备有奥地利b a u r 公司和德 国s e b a 公司的产品。现代行波改进法是在原来理论的基础上，针对有限 长度电缆，考虑到每段线路之间互感的作用，得出波动方程。而后采用 数值分析的方法离散波动方程。该方法不仅具有分析均匀传输线的一切 优点，考虑了非均匀传输线的非均匀性，使问题的分析更接近于实际。 1 5 1 电桥法【6 1 电桥法是一种经典测试方法。 a b 图1 3 电桥测距原理 f i g1 3r u l eo fb r i d g el o c a t i o n 电桥法测试线路的连接如图1 3 a 所示，将被测电缆终端故障相与 非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相，图1 3 b 给出了等 效电路图。 q 广西大学工程硕士学位论文 仔细调节r 2 数值，总可以使电桥平衡，即c d 间的电位差为0 ，无 电流流过检流计，此时根据电桥平衡原理可得： r 3 r 4 = r 1 r 2 ( 1 1 ) r 1 、r 2 为已知电阻，设：r 1 r 2 = 置，则 r 3 r 4 = k 由于电缆直流电阻与长度成正比，设电缆导体电阻率为r o ，三代表 电缆全长，三x 、三。分别为电缆故障点到测量端及末端的距离，则r 2 可 用( l + l o ) r o 代替，根据式( 1 1 ) 可推出： l + l o = k l x 而三o = 三一。，所以 l ，= 2 l ( k + 1 ) ( 1 2 ) 电缆断路故障可用电容电桥测量，原理与上述电阻电桥类似。 电桥法优点是简单、方便、精确度高，但它的重要缺点是不适用于 高阻与闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥里电流很小，一 般灵敏度的仪表，很难探测，实际上电缆故障大部分属于高阻与闪络性 故障。 在用电桥法测量故障距离之前，需用高压设备将故障点烧穿，使其 故障电阻值降到可以用电桥法进行测量的范围，而故障点烧穿是件十分 困难的工作，往往要花费数小时，甚至几天的时间，十分不方便，有时 会出现故障点烧断，故障电阻反而升高的现象，或是故障电阻烧得太低， 呈永久短路，以至不能用放电声测法进行最后定点。电桥法的另一缺点 是需要知道电缆的准确长度等原始技术资料，当一条电缆线路内是由导 体材料或截面不同的电缆组成时，还要进行换算，电桥法还不能测量三 相短路或断路故障。 1 5 2 低压脉冲反射法【6 】 低压脉冲反射法，又叫雷达法，是受二次世界大战雷达的启发而发明 的，利用传输线的电波反射现象，通过计量发射脉冲与故障点反射脉冲 1 0 广西大学工程硕士学位论文 之间的时差来进行测距。主要测定电缆中的低阻、开路故障，及电缆全 长的标准测量，测量准确率较高，应用较广。但不能测高阻或闪络故障。 据统计，用低压脉冲法测定的电缆低阻或开路故障，约占电缆故障总数 的10 。 工作原理：测试时向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗 不匹配点，如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，回送到测 量点被仪器记录下来( 图卜4 ) 。波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差 t ，对应脉冲在测量点与阻抗不匹配点往返一次的时间，已知脉冲在电缆 中的波速度v ，则阻抗不匹配点距离，可由下式计算： l = v t 2 ( 1 3 ) 图卜4 低压脉冲反射原理图 f i g1 4p r i n c i p l em a po fl o w - v o l t a g ei m p u l s er e f l e c t i o n 通过识别反射脉冲的极性，可以判定故障的性质。断路故障反射脉 冲与发射脉冲极性相同，而短路故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反。 由( 卜3 ) 式知道，脉冲在电缆中的波速度对于准确地计算出故障距离很 关键。在不清楚电缆的波速度值的情况下，可用如下方法测量。如已知 被测电缆的长度，根据发送脉冲与电缆终端反射脉冲之间的时间t ，可 推算出电缆中的波速度： v = 2 上t 。 低压脉冲反射法的优点是简单、直观、不需要知道电缆的准确长度 等原始技术资料。根据脉冲反射波形还可以容易地识别电缆接头与分支 点的位置。低压脉冲反射法的缺点是仍不能适用于测量高阻与闪络性故 障。 广西大学工程硕士学位论文 1 5 3 脉冲电压法l o j 脉冲电压法是用于测量高阻与闪络故障的方法。国内有数家企业生 产、销售该原理的电缆故障闪测仪。该方法首先将电缆故障在直流或脉 冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次 所需的时间来测距。包括直流高压闪络测量法( 直闪法) 和冲击高压闪 络测量法( 冲闪法) 。脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性 故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快，测量 过程也得到简化，是电缆故障测试技术的重大进步。据统计，用直闪法 测定的电缆故障数，约占故障总数的2 0 ，而用冲闪法测定的电缆故障数， 占故障总数的7 0 。 d j s l 故障、捌峨，i j 一 斟o ，i i 1 图1 5 冲击高压闪络测试法线路原理图 f i g1 - 5p r i n c i p l em a po fh i g h 。v o l t a g ef l a s h o v e rt e s t i n g 就大部分故障本质来说，基本都属于绝缘体的损坏。高阻故障是由 于绝缘介质的抗电强度下降所致。因为故障点的阻值高，测量电流小， 所以即使用足够灵敏的仪表也难以测量。对于脉冲法，由于故障点等效 阻抗几乎等于电缆特性阻抗，所以反射系数几乎等于零，因得不到反射 脉冲而无法测量。但从介质的电击穿现象出发，只要对电缆加足够高的 电压( 当然低于最高试验电压) 故障点就会发生击穿现象。在击穿的瞬 间，故障点被放电电弧短路，所以在故障点放电前后，就产生电压的跃 变。由于介质击穿，其电离过程需要一定的时间，而弧光放电一般要持 续数百微秒到几个毫秒，因此跃变电压在放电期间就以波的形式在故障 点和电缆端头之间来回反射。如果在电缆的端头( 始端或终端) ，把瞬间 跃变电压及来回反射的波形记录下来，便可测量出电波来回反射的时间。 堕奎堂三墨堡主堂垡丝奎 再根据电波在电缆中的传播速度，就可以算出故障点到端头的距离。基 于这个物理机理产生了闪络测试法。 按图卜5 电源接上后，实验变压器p t 对电容器c 充电。当电压高到 一定数值时，球间隙j 被击穿，电容器c 上的电压通过球间隙的短路电 弧和一小电感三直接加到电缆的测量端。这个冲击电波沿电缆向故障点 传播。只要电压的峰值足够大，故障点就会因电离而放电( 注：因为欲 使故障点闪络放电，不但需要足够高的电压，还需要一定的电压持续时 间) 。故障点放电所产生的短路电弧使沿电缆送去的电压波反射回去。因 此，电压波就在电缆端头和故障点之间来回反射。为了使反射波不至于 被测试端并联的大电容c 短路，在电缆和球间隙之间串接一电感线圈工 ( 几微享到几十微享) 组成电感微分电路。因为电感对突跳电压有较大 的阻抗，有了它，就可以借助于录波器观察到来回反射的电压波形。 脉冲电压法的缺点如下： a 安全性差，仪器通过一电容电阻分压器分压测量电压脉冲信号， 仪器与高压回路有电耦合，很容易发生高压信号串入，造成仪器损坏。 b 在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串 一电阻或电感以产生电压信号，增加了接线的复杂性，且降低了电容放 电时加在故障电缆上的电压，使故障点不容易击穿。 c 在故障放电时，特别是进行冲闪测试时，分压器耦合的电压波形 变化不尖锐，难以分辨。 1 5 4 脉冲电流法【o j 实际上是闪络法的另一种形式。它通过记录测量故障点击穿时产生 的电流行波信号，在故障点与参考点往返一次所需的时间来测距。这种 方法用互感器将脉冲电流耦合出来，波形较简单、较安全，接线简单。 也包括直闪法和冲闪法两种类型。 其中的直闪法工作原理：设时间t = 0 时，电缆故障点在外加电压一e 作用下击穿，形成短路电弧，从而使故障点电压突跳为零。此时，在故 障点处产生一个与一e 相反的正突跳电压e o 以及相应的电流f o = 一e z 。( 规 定电流从测量点流向电缆为正，因突跳电压e 产生的电流是从故障点流 向测量点的，故为负，而为电缆波阻抗) 向电缆两端传送，见图卜6 。 广西大学工程硕士学位论文 c 岳一 图1 - 6 直流闪络电流行波网格图 f i g1 - 6m e s hp a t t e r no fd cf l a s h o v e rc u r r e n tt r a v e l i n g - w a v e 在时间t = t 时，电流波i 。到达测量端，而电容对高频行波信号呈短 路状态，根据行波理论电流在测量端被全部地反射回故障点；而在故 障点由于电弧短路又被完全反射回来；在t = 3 r 的时刻到达测量点，产生 第二次反射；这样来回反射，直到整个瞬态过程结束。测量点的电流是 所有电流波的和，把图卜6 时间轴上的电流波逐点相加，可得到如图1 7 ( a ) 所示的电流。 ( a ) 测量点电流 ( a ) 测量点电流( b ) 线性电流耦合器的输出 图1 - 7 直闪法电流波形 f i g1 7w a v eo fd cf l a s h o v e rc u r r e n t 电流的初始值为2 f o ，即电流入射波f 。到达测量点后，产生了电流加 倍现象，而线性电流耦合器的输出则只反映电流的突变成分，如图卜7 1 4 广西大学工程硕士学位论文 ( b ) 所示。由图1 7 ( b ) 可见，t l = r 与t 2 = 3 7 时分别出现两个负脉冲， 第一个负脉冲是故障点放电脉冲到达测量点引起的，可简单地叫做故障 点放电脉冲；第二个负脉冲是故障点反射脉冲引起的，叫做故障点反射 脉冲。它们之间的距离对应电流脉冲从测量端运动到故障点又返回的时 间差at t 2 t l 2 z ，计算出故障距离为： l x = 矿at 2 脉冲电流法与脉冲电压法的区别在于：前者通过一线性电流耦合器 测量电缆故障击穿时产生的电流脉冲信号，成功地实现了仪器与高压回 路的电耦合，省去了电容与电缆之间的串联电阻与电感，简化了接线， 传感器耦合出的脉冲电流波形亦比较容易分辨。 1 5 5 二次脉冲法 二次脉冲是九十年代后期后期发展起来的一种测距方法。波形简单 容易识别，是目前较先进的测距方法，得到了广泛的应用。二次脉冲 法是在故障点击穿的瞬间，向电缆发射一低压脉冲，由于穿电弧的低阻 特性，在故障点产生明显的反射脉冲，得到一短路反射波形。在电弧熄 灭后，再次发射低压脉冲，得到一高阻反射波形。将两波形同时显示， 在故障点出现明显的差别。通过测量故障点反射脉冲与发射脉冲的时间 差测距。 二次脉冲法主要用来探测高阻和闪络性的故障。克服了脉冲电流法 波形难以识别的情况和近端故障盲区的缺点。基于二次脉冲法设备有奥 地利b a u r 公司和德国s e b a 公司的产品 1 5 6 现代行波改进法 现代行波改进法是在原来传输线模型不变的基础上，考虑了每段线 路之间互感的作用，得出新的波动方程。而后采用数值分析的方法对其 进行求解。该方法不仅具有分析均匀传输线的一切优点，而且考虑了有限 长度非均匀传输线的非均匀性，使问题的分析更接近于实际。此外，还 结合工程实际中实际的脉冲波产原理，结合推导的有限长度电缆波动方 程，得出新的计算模型，进行数值仿真。 广西大学工程硕士学位论文 1 5 7 电力电缆故障测距方法小结 目前，电缆线路故障测距方法，主要为离线进行，但在线故障测距 方法也已出现。例如，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，目前他们只实现了不带分支出线电缆的在线故障测距。下 一步目标是带分支出线系统的在线故障定位【。 美国学者为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。但其出发点是将环形线路开路 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 出其脉冲间隔时间实现测距 8 】。但这种方法在实际电网中存在局限性。 另外，日本学者还提出了利用分布式光纤温度传感器( f o d t ) ，通 过检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障定位的新方法【9 】。英国 学者则提出了利用基于脉冲电流法的实时专家系统来实现电缆的故障定 位【10 1 。 综观现有的行波测距方法，特别是新型测距方法，国内外学者作了 大量的研究，并取得了一定的成果。总而言之，行波方法有很多独特的 优点，今后将在测距和距离保护中得到更为广泛的应用。( 附表1 2 ) 电缆线路的故障测距方式有离线理论和在线理论两大类。其中离线 理论按原理来分类主要有五大类：电桥法、驻波法、低压脉冲反射法( 又 称雷达法) 、脉冲电压法( 又称闪络法) 、脉冲电流法、二次脉冲法、现 代行波改进法。其中电桥法、驻波法为经典理论；低压脉冲法、脉冲电 压流法是基于理想模型的现代行波理论。 现代行波改进法是在原来理论的基础上，考虑到每段线路之间互感 的作用，得出波动方程。而后采用数值分析的方法的出新的传输线波动 方程。该方法不仅具有分析均匀传输线的一切优点，而且没有使用传统 的方法，对传输线进行任何特殊处理，考虑了非均匀传输线的非均匀性， 使问题的分析更接近于实际。对应于工程实际中的故障波形，可以方便 现场的处理。 广西大学工程硕士学位论文 表1 2电力电缆故障及检测方法 t a b l e1 - 2p o w e rc a b l ef a u l ta n dd e t e c t i o nm e t h o d 1 5 8 行波法所面临的问题 因为工程实际中采样的脉冲波并不是标准的波形，所以在现场录的 波形复杂，难以辨认。故行波法当前面临的主要问题是如何能更好的仿 真实际的脉冲波型，从而得到更接近实际的波形，准确的识别反射波。 另外当故障电缆中除故障点之外还存在其他阻抗不匹配点时，行波信号 将会出现反射和透射现象，与架空线路系统构成不同，地下电缆要复杂 得多。因此相应的阻抗不匹配点就多，如电缆的t 型接头等。这些点的 存在将给故障点反射波的识别带来困难。 第二个问题是死区问题，当在测量点附近发生故障时，由于入射波 与反射波之间的重叠，使第一个反射波无从识别。虽然提高采样频率可 以减小死区范围，但是无论采样频率如何提高，都不可能完全消除线路 测量端存在的死区【”】。 第三个问题是反射波到达时间的问题，由于行波是一种全频域信号， 在电缆中传输的过程中将发生衰减，而且不同频率的信号其衰减程度和 速度也不同。频率越高、传播速度越快，其衰减也越严重。结果便是行 波波形在传播过程中产生扭曲、变形。以哪一点作为反射波到达的时刻， 广西大学工程硕士学位论文 这无疑将直接影响测距的精度。 第四个问题是行波波速问题，现有的所有测距方法都假设波速为一 常数，但是，如前所述，不同频率的信号其传播速度是不同的，以一个 速度去近似含有多频率成份的行波信号的速度显然有欠妥当。 第五个问题是现场设备的动态时间延迟问题，比如电流互感器在传 变电流行波信号时将产生时间延迟，这也会给行波测距带来误差。 1 6 论文完成的主要工作 本论文在综述了电缆线路常见故障的基础上，分析了经典的电桥法， 驻波法；基于现代行波理论的低压脉冲法，脉冲电压流法；以及采用数 值分析法而形成的新的传输线路模型。重点是对于考虑每段线路互感作 用所得到的传输线波动方程的解，并找出与电力电缆的故障之间的关系， 做出精确的故障定位。作了如下工作。 ( 1 ) 电缆故障性质的诊断，即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。 ( 2 ) 考虑传输线模型中每小段的互感作用，重新建立传输线波动方 程。 ( 3 ) 引入数值分析的分法，对新的波动方程在空间上离散化，得出 相应的离散方程组，并列出相应的系数矩阵。 ( 4 ) 应用仿真技术，结合电力电缆的故障原理，反复计算高阻、低 阻等仿真算例。并画出故障波形图，得出相应的仿真结论。 ( 5 ) 结合现场实际的故障录波，比较仿真结果的正确性。 广西大学工程硕士学位论文 第2 章行波测距的原理 2 1 传输线理论的有关概念【2 】 目前，现场上主要是通过测量低压注入脉冲或故障点放电脉冲在故 障点与测量端之间的运动时间测量电缆故障距离。本章节主要介绍电压、 电流波在电缆线路里的传播过程中所涉及的概念，以便更好地了解基于 电压、电流波传播原理的电缆故障测距技术。 1 ) 传输线的概念 判断一对连接线是否作为传输线，主要取决于导线的长度与所传输 信号的波长的相对值。如果导线长度比波长小得多，只作为连接线；若 导线长度与信号波长相比不能忽略，就应看作是传输线。通信线路由于 传输的信号频率较高，即波长较短，而通信线路一般都比较长，故都属 于传输线。 2 ) 均匀传输线 沿传输线分布的电阻、电感、电容和电导，在任一点都相等时，称 为均匀传输线。因此，均匀传输线的结构必须一致，导线的线径必须一 致，而且不能接入任何不同质的导线，否则，就称为非均匀传输线。 3 ) 一次参数【2 j 传输线的最基本的形式是一对平行导线，导线本身是有电阻存在的， 这个电阻不是集中在导线的某一点上，而是分布在导线的整个长度上； 同时，当电流通过导线时，在导线周围就会产生电磁场，而磁通就分布 在导线整个长度的周围，所以导线就有电感的效应，而电感也是分布在 导线的整个长度上；两线间的电场使导线间存在着分布电容，也分布在 整个导线长度上；另外两根平行的导线，虽然相互是绝缘的，但任何绝 缘物质的电阻系数都是有限值，这样，只要两根导线间存有电压，就必 然会有漏电流，即表明两导线间存有电导。这些沿线分布的电阻r 。、电 感三o 、电容c 0 、电导g o ，都以单位长度进行计量。这四个参数都是传输 广西大学工程硕士学位论文 线的最基本的参数( 称为分布参数) ，是表达传输线特征的原始数据， 所以称之为一次参数。 4 ) 一次参数的分布 综上所述，线路的一次参数就是，顺线方向有电阻r o 和电感三。相 串联，横截方向有电容c o 和电导g o 相并联。这些参数分布于整个线路 长度上的每一点。这样，整个线路便可由一次参数来表示( 图2 1 ) 。 图2 1 一次参数的分布 f i g2 - 1d i s t r i b u t i n go fp r i m a r yp a r a m e t e r 沿线的参数相当于一个四端网络的串联臂，它们对信号的传输起着 消耗、阻碍的作用，这种损耗，称为金属损耗；而横截参数相当于四端 网络的并联臂，它们对信号的传输起着分流、短路的作用，由于这一臂 存在g o 分量，同样消耗一部分传输信号的能量，这种损耗称为介质损耗， 增加了线路的传输衰减。 5 ) 波阻抗 电缆中的电压波在向前运动时，对分布电容不断充电产生伴随的向 前运动的电流波，一对电压、电流波之间的关系，用波阻抗( 也称特性 阻抗) z o 来描述。经分析可知，电缆的波阻抗可用三0 、c o 表示。除与电 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 欧左右。对于正向电压波矿与电流波f + 之间，满足关系： u + i + = z o ( 2 1 ) 而对于反向电压波u + 与电流波f 之间，则有 广西大学工程硕士学位论文 u 一i = - z 0 ( 2 2 ) 由式( 2 一1 ) 与( 2 - 2 ) 看出，正向电压、电流波同极性，而反向电 压、电流波反极性。 阑堕一旦隰 ab 图2 2 电流行波的极性 f i g2 - 2p o l a r i t yo fc u r r e n tw a v e 假定电压行波极性为正，线路上电流行波的流动方向是电压行波前 进的方向。规定电流的正方向与距离坐标x 的正方向一致。显然，正向电 流行波流动方向与距离坐标方向一致，为正极性( 图2 2 a ) ；而反向电 流行波流动方向与距离坐标方向相反，为负极性( 图2 2 b ) 。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 间幅值之比，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。 6 ) 反射系数 行波的反射程度可用发生反射的阻抗不匹配点的反射电压( 电流) 与 入射电压( 电流) 之比来表示，比值称为反射系数。设线路波阻抗为z 。， 阻抗不匹配点等效阻抗为z 2 ，见图2 3 ，则电压反射系数为： p 。= u f u = ( z 1 一z 2 ) ( z l + z z ) ( 2 3 ) 广西大学工程硕士学位论文 图2 - 3 行波的反射 f i 9 2 - 3r e f l e c to ft r a v e l i n g w a v e 假定入射波是正向行波，则入射电压与电流波的关系： 2 u z , 而对应的反射波是反向行波，反射电压与电流波的关系： i t 2 u t z 2 由式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 推出，阻抗不匹配点的电流 2 i f 。一u f u i2 一，：l ( 2 4 ) ( 2 5 ) 反射系数： ( 2 6 ) 可见，阻抗不匹配点的电流反射系数与电压反射系数大小相等、符号相 反。 7 ) 透射系数 行波的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，电压行波与电流行波的透射系数相同，故叙述时不再加以区 别。如图2 4 所示，设两段线路的波阻抗分别为z 1 、z 2 时，则透射系数： y 2 长2 籍 ， 可以推出透射系数与反射系数之间的关系为： 1 + p 。= 一y ( 2 8 ) 广西大学工程硕士学位论文 图2 - 4 行波的透射 f i g2 - 4t r a n s m i s s i o no ft r a v e l i n g - w a v e 实际上碰到的很多情况是电缆中间有低电阻故障时透射现象。这时 求出透射系数： y = 去2 = 羔2 x k ， 1 + 足z 1 + 7 2 2 传输线路的波动方程 输电线路属于良导体，损耗不大，另外，导体间距离较小，场强 的切线分量比法线分量小的多，因而即使导线有损耗，仍然可按t e m 波分析，但须把传输线吸收电磁能的效应考虑进去。对于这部分电磁 能的等效电路参数为每单位长度来回导线的电阻r o 和内电感。若将内 电感和外电感合并在一起且以三。表示，同时输电线路的参数还包括单 位长度的对地电容c o 及单位长度的漏电导g o 来表示；则得到有损耗均 匀传输线 1 4 1 ( 注：具体的公式推倒见第四章) 的基本方程式为： 罢一彤i a i ( 2 1 0 ) 罢一g o 炉c 0 詈 ( 2 - 11 ) 缸”a 将上面式子( 2 1 0 ) 对时间求偏导数，式子( 2 1 1 ) 对空间坐标工求 偏导数，然后综合在一起，可得到： 害吐_ 矿a 2 i 郴。c o + g o l o ) - 喜讯g 。f (