（通信与信息系统专业论文）基于小波变换的电缆故障测距研究.pdf

摘要 摘要 电力电缆在运行中易受到多种因素的影响而发生故障，威胁系统的安全可靠性， 因此迅速、准确地探测出电缆故障及其发生的位置，对提高供电可靠性、减少故障 修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值。目前，线路保护已经进入微机 保护时代，电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主，小波变换作为新型的更 为效的数学分析工具，已经在电力系统电缆故障定位中得到应用。 本文在综述电缆故障成因和电缆故障检测各种方法的基础上，根据低压脉冲反 射法原理，引入小波分析理论，运用小波变换的多分辨率和模极大值特性，采用“软 阈值消噪和改进了的“硬”阈值消噪相结合的办法，实现对脉冲反射信号的滤波处 理和故障定位。仿真证实这种方法能有效促进信噪分离，提高故障定位精度，取得 较好的效果。 在仿真的过程中，运用了m a t l a b 7 0 中的s i m u l i n k 软件创建了电缆故障模型， 并运用m a t l a b 语言强大的编程功能结合g u i ( 图形用户界面) ，建立一个仿真系统， 即d e m o 测试系统。该系统实现了可视化和人机交互，可计算出故障点据测量点的距 离。证明了本文提出算法的有效性。在本文最后，分析了在实际测量过程中影响故 障测量精度的因素，并针对波速的不确定性影响电缆故障测距精度问题，提出并推 导了一种不受波速影响的测距公式，在理论上消除了波速对故障精度的影响。 关键词电缆故障检测；小波分析；小波基函数；低压脉冲反射法；系统建模 a b s t r a c t d u et oi n f l u e n c eo fa l lk i n d so ff a c t o r s ，p o w e rc a b l em a y e a s yg ow r o n gt h r e a t e n i n g t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m s oa c c u r a t ea n df a s tp o w e rc a b l ef a u i t l o c a t i o n c o u l d i n c r e a s ep o w e r - s u p p l yr e l i a b i l i t y , r e d u c et h ec o s to ff a u l tr e s t o r a t i o na n d t h e1 0 s so f p o w e rc u t h i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e sh a v eag r e a tp r o b a b i l i t ya n dv a r i e t vo ff a u i t t n a na n yo t h e rc o m p o n e n ti np o w e rs y s t e m n o w a d a y sm i c r o p r o c e s s o rh a sb e e nw i d e l v u s e dm p r o t e c t i v er e l a y , w h e r et r a d i t i o n a lf o u r i e ra n a l y s i sa n di t si m p r o v e da l g o r i t h m sa r e s t l ut h em a i nt o o l sf o rs i g n a lp r o c e s s i n gi np o w e r s y s t e m ，w a v e l e ta n a l y s i s ，an e wt o o lf o r t l m e 。f r e q u e n c ya n a l y s i s ，h a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di np o w e rs y s t e m t h er e a s o no ft h ec a b l ef a u l ta n dt h em e t h o do ft h ec a b l el o c a t i o na r e d i s c u s s e d a n d t h ep r i n c i p l eo ft h el o wv o l t a g e p u l s em e t h o di sd e e p l yi n v e s t i g a t e d am e t h o do f t r a n s m i s s i o nl i n ef a u l tl o c a t i o ni sd e v i s e d t h ew a v e l e ts o f t t h r e s h o l dm e t h o da n dt h e 1 m p r 0 v e dw a v e l e th a r d - t h r e s h o l dm e t h o da r ep r e s e n t e db a s e do nt h ed i f f e r e n tp r o p a g a t i o n p r o p e r t yo fr e a ls i g n a l sa n dw h i t en o i s e s e p a r a t i o no ft h es i g n a lf r o mt h en o i s e e f f e c ti sb e t t e ri ns i m u l a t i o np r o c e s s u n d e rt h ew a v e l e tt r a n s f o r m i tc a na c c e l e r a t et h e a n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ff a u l tl o c a t i o n t h e n lt n ep r o c e s s m go f s i m u l a t i o n ，t h ec a b l ef a u l ti sm o d e l e db yu s i n gs i m u l i n k s o t 觚a r e a n dad e m ot e s t i n gs y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，u s i n gt h eg u ip r o g r a m m i n gi nt h e 舰蚴7 v 0t h ev i s u a l i z a t i o na n dt h ei n t e r f a c ea r er e a l i z e d a tt h ee n d o ft h i sp a p e r , t h e t a c t o r so fi n f l u e n c i n ga c c u r a c ya r ea n a l y z e di n t h er e a l i t y a i m i n ga tt h ep r o b l e m0 f u n c e r t a i n t yo fw a v es p e e dw h i c hi n f l u e n c et h ea c c u r a c yo fl o c a t i o n ，t h ef a u l td i s t a n c e e x p r e s s i o n st h a ta v o i dt h ew a v es p e e di n f l u e n c ei nt h et h e o r x ra r ew o r k e do u t k e yw o r d sc a b l ef a u l t ；w a v e l e ta n a l y s i s ； r e f l e c t i o n ；s y s t e mm o d e l i n g h w a v e l e tb a s i sf u n c t i o n ；l o wv o l t a g ep u l s e 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 指导教师签名：习彦绎 勋。a 7 年6 月万臼 河北科技大学学位论文版权使用授权书 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 人授权河北科技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。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 弋抹保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 指导教师签名：习青铎 z 。d 1 1 年( 月莎日 、战。 b 碍 才叁佃 一 钐 签 一 懿 0 佑 年 论 沙 墓； 矽 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的研究目的和意义 电力工业是国民经济的支柱产业，同时又是其它产业能够稳定发展的保证。因 此，保证电力系统运行的安全性、可靠性是国民经济能否稳定快速发展的关键。输 电线路担负着传送电能的重要任务，是电力系统的经济命脉，其故障直接威胁到电 力系统的安全运行。近年来，我国互联电网规模持续快速的增长，出于经济上的考 虑，电力系统运行方式日趋复杂，越来越多的新设备应用到电力系统，控制方式越 来越复杂，越来越接近其运行极限，引起电缆故障的因素也越来越多，国内外都发 生过由于输电线路故障而诱发的电力系统瓦解事故，1 9 9 6 年美国大停电事故就是典 型的例子。所以，及时清除输电线路故障并排除各种隐患是非常重要的i lj 。 电力系统输电线路上经常发生各种故障。在故障点，有些故障现象比较明显容 易辨认，有些故障现象则不太明显，如在中性点不接地系统发生单相接地故障时， 由于接地电流小，所以在故障点造成的损害小，当保护切除这一故障后，故障点有 时很难查找，但这一故障点由于绝缘已经发生变化，相对整条线路而言比较薄弱， 所以很可能是下一次故障的发生地，因此，仍然需要尽快找到其位置。故障测距又 称为故障定位，对于输电线路来说，是指在线路发生故障以后，根据不同的故障特 征，迅速准确地测定出故障点的位置。在故障测距出现以前，往往通过人工巡线去 查找故障点的位置。如果输电线路穿越的地形复杂，气候恶劣，或是线路的短路损 伤情况不明显，都会给工人的巡线查找工作带来极大的困难【2 1 。而且，随着国民经济 的快速发展和电缆成本的降低，越来越多的高低压输电线路逐步实现电缆化，电缆 的应用变得日益广泛。由于电缆多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难， 往往需要花费很长的时间，不仅浪费了大量的人力、物力，而且将会造成难以估量 的经济损失以及影响人们的日常生活。而故障测距则为输电线路故障点的查找提供 了重要依据，准确的故障测距不仅大大减轻了人工巡线的艰辛工作，减少了排除故 障的时间，而且还能查出人们难以发现的故障，排除绝缘隐患，避免同类事故的再 度发生【3 1 。这对于及时修复线路、恢复可靠供电，保证电力系统的电力系统的安全稳 定和经济运行都有着十分重要的作用。 如何快速、精确地实现线路故障点的确定是故障测距的基本任务，是电力系统 领域的一个重要研究课题。长期以来，由于故障测距精度偏低，不仅影响了故障线 路供电恢复时间，也给线路运行维护人员查线带来了沉重负担。因此，充分利用科 学技术的新发展，研究探讨输电线路的故障测距算法，提高线路测距精度，有利于 提高电力生产部门的社会经济效益，具有重要的现实意义。 1 河北科技大学硕士学位论文 1 2 国内外测距方法的研究和发展 由于电缆对系统安全经济运行的影响非常重大，从电缆开始应用，无论在国内 还是在国外人们就已投入了大量的工作来研究电缆故障定位方法，随着电缆应用领 域的扩展，电缆故障的性质的变化，电缆故障定位方法也不断地发展，可以说这是 - - 1 7 经典而又全新的技术。多年来一直是国内外有关工程技术人员的研究热点。几 十年来，国内外有关专家从理论和实践中提出了很多行之有效的测量方法和解决途 经。下面从电缆故障定位技术及电缆故障检测装置两方面来看国内外研究现状。 从定位技术看：可以把电缆故障定位方法的发展分为三个阶段：1 ) 直接测试阶 段，在六十年代及以前，工程技术人员普遍采用电桥法直接测量故障点到测试点的 距离。2 ) 模拟存储技术测试阶段，在七十年代，高压模拟存储示波器技术的成熟带 动了电缆故障定位技术的发展，行波理论运用在测试中，高阻故障的测试更加快速， 使得电缆故障检测手段大大地向前迈进了一步。3 ) 数字技术测试阶段，八十年代后 期，在b i o m a t i o n 发明的数字化瞬态波形测量仪的基础上，电缆故障定位方法产生了 质的飞跃，对模拟信号进行模数转换得到相应的数据，波形数据经过数字化滤波处 理，对电缆中传播的电压电流行波可以进行详细分析，这样对电缆故障的性质有较 全面的了解，而且电缆故障点的定位测量可以达到相当高的精度，这也是目前电缆 故障检测领域内主流产品采用的主要方法。 近年来，还有许多新颖的测距方法被提出，如优化方法、卡尔曼滤波技术、模 式识别技术、概率和统计决策、模糊理论和光纤测距等方法，目前多处于研究阶段。 现代信号处理技术在电缆故障检测中的应用为进一步提高故障测距精度和自动 检测提供了理论基础。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，以及高速加技术和d s p 技术的发展和广泛应用，小波分析的 优势己经展现出来。一方面是小波理论的完善和发展，快速算法研究的深入，以及 满足各种不同要求的小波基的构造；另一方面是小波理论朝着实用化的方向发展， 可以预见，随着小波理论研究的不断深入，小波变换的应用会越来越多【4 1 。 电缆的故障是很复杂的，目前还没有一种万能的仪器可以检测所有的故障。为 确定不同类型的故障，设计有多种形式的装置。按其主要功能可分为以下几类：1 ) 简单便携式检测设备。这类设备结构简单、功能单一，是较早期的产品。国外的t s l 0 便携式电缆故障遥测仪就属于这类产品，它采用脉冲反射法，由电池驱动，正常使 用3 个月，最大工作距离为3 k m ，精度为1 6 ， 我国科汇公司生产的t - c o l 也属 于这类产品。2 ) 有一定附加功能的检测设备。这类产品可以对检测资料进行简单的 处理，并有一定的附加功能。英国百考泰思特( c c o t e s t ) 公司的通信故障遥测 仪器属于这类设备，它的检测范围为2 0 k i n ，精度为1 ，检测的结果也可直接打印， 也可输入p c 机存储、分析，是目前较先进的仪器。国内的同类产品有武汉的桑迪电 2 第1 章绪论 子仪器公司w y 系列的w y 5 1 3 1 3 电缆故障路径探测仪，它利用脉冲反射法的基本原 理，可自动定位故障点，并有发讯功能。它的检测距离为3 k m ，分辨率为1 。此外 国内淄博通信电器有限公司的t c 9 8 通信电缆障碍测试仪、t c 0 2 市话电缆线路障碍 测试仪；成都华泰仪器有限公司的d l c 、d x c 和g t a 2 等测试仪都属于此类检测 设备。3 ) 功能强劲的检测系统。这一类设备大多由前台检测、数据传输、后台控制 处理等部分构成。具有状态资料的采集、传输、处理的功能。意大利的尼考特拉 ( n l c o t i 乙) 电缆监控系统属于这类设备，它是近几年才引进我国的电信市话维护 的高技术设备，主要用于充气电缆的检测。系统有检测控制中心、数据采集器单元 d s a 8 0 0 、传感器系统、全自动电子干燥系统、电子流量配气单元五部分组成。它通 过数据传输、定时检测、自动检测、实时操作等基本操作，可完成电缆气压值的测 定、估测电缆漏气点等检测功能，并警告维护人员，而且在建立的系统数据库中可 存有线路的技术资料和维修档案，极大地方便了维护人员和工程技术人员对线路的 维护和改造。这套系统改变了传统的充气维护模式，有效地提高了线路设备的维护 质量和管理水平。 ：可见随着技术不断提高，测距的精度和实用性也在不断的提高【5 1 。但行波测距法 还是存在无方向性、出口短路有死区、硬件造价高等问题。由于故障的复杂性，现 行设备不能针对所有的类型的故障，而且存在测量精度和造价的矛盾。 1 3小波分析用于电缆故障定位的可行性 小波分析是2 0 世纪数学研究成果中的代表之一l 酬。它最早是由法国地球物理学 家m o r l e t 于8 0 年代初分析地球物理信号时，作为一种数学工具提出来的。8 0 年代 后逐步形成并日臻完善。 小波分析作为时频分析方法比傅立叶分析有着许多本质性的进步和优点。它提 供了一种自适应的时频域同时局部化的分析方法，无论分析低频或高频局部信号， 它都能自动调节时频窗，以适应实际分析的需要。由于能够聚焦到信号时域和频域 的任意细节，小波分析被誉为数学显微镜；小波分析对信号的奇异点十分敏感；小 波分析的快速算法为分析和解决实际问题带来了极大的方便【7 j 。小波分析的这些优点 使得现代信号处理方法得到了很大的发展。近年来，小波分析方法被广泛的应用于 众多学科和各个领域：信号处理、图像处理、模式识别、语音识别、地震勘探、c t 成 像、计算机视觉、航空航天技术、故障监控、通信与电子系统等。由于小波分法方 法带来的高新技术成果迅速增加，其研究正向纵深发展。 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， 可以对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，在输电线路上已经成功应用，但行波传播过 3 河北科技大学硕士学位论文 程较为复杂，如何提高电缆故障定位的精度，需要我们进一步深入研究。 1 4 本课题研究的主要内容及基本要求 针对不同的故障类型，故障测距的要求也不尽相同。如果要满足现场应用的要 求，对算法有以下几点要求： ( 1 ) 可靠性要求在故障发生后能可靠的进行测距，对于本课题针对解决的 故障类型，不会因为测距方法的自身缺陷出现测距结果发散的情况。 ( 2 ) 准确性 由于本课题属于离线系统，对于时间无严格要求，所以更注重 的是测距的精度，没有足够的准确性就意味着测距的失败。衡量准确性的标准是测 距误差，可以用绝对误差或相对误差来表示。绝对误差以长度表示，就是测距结果 与实际故障距离的差值；相对误差以百分比表示，即误差距离占被测线路全长的百 分数。理想情况，我们希望故障测距的误差越小越好，而实际上由于经济和技术上 的各种因素的限制和影响，通常规定误差不大于一定的指标即可。 ( 3 ) 实用性要求故障算法在各种情况下均能获得较高的精度。在实际应用 中，尽量减少人的工作量，方便易用。 ( 4 ) 经济性易于实现，且转化成装置时对元件、材料等要求适当，成本低。 生产的测距装置有较高性价比，运行维护费用低，能够推广使用。 1 5章节安排 本文以实现电缆故障测距为目的，以小波分析为理论基础，对电缆故障测距方 法、电缆故障系统建模等方面进行了深入的研究。论文共分为5 章，章节安排如下： 第1 章绪论，在查阅大量参考文献的基础上，概述了目前国内外电缆故障测距 的研究现状，明确了论文要解决的问题和达到的目的。 第2 章电力电缆故障分析，论述电缆故障的原因、电缆故障分类、电缆故障的 诊断方法，并重点介绍了本文要用到的低压脉冲反射法。 第3 章小波分析理论，系统阐述了小波分析的理论基础。重点对小波变换下的 多尺度分析、m a l l a t 算法以及小波变换模极大值检测奇异点等内容进行了研究。 第4 章小波分析用于信号的消噪处理，在小波分析的基础上，介绍了“软 阈 值消噪算法和“硬”阈值消噪算法，并改进了消噪算法，讨论了小波基函数的选取。 第5 章仿真建模及误差分析，利用m a t l a b 软件，对故障电缆仿真建模，并 编写仿真系统，最后进行误差分析，并提出不受波速影响的电缆故障定位方法。 最后总结本论文的研究成果和进行后期工作的展望。 4 第2 章电力电缆故障分析 第2 章电力电缆故障分析 2 1电力电缆故障发生的原因及其特征 电力电缆的生产、敷设、三头工艺、附件材料、运行条件等与电缆的运行情况 密切相关。上述任何环节的疏漏都将埋下电缆故障的隐患【8 】o 分析与归纳电缆故障的 原因和特点大致如下。 2 1 1 机械损伤 机械损伤类故障比较常见，所占的故障率最大( 约为5 7 ) ，其故障形式比较容 易识别，大多造成停电事故。一般造成机械损伤的原因有以下几种： 1 ) 直接受外力损坏。如进行城市建设，交通运输，地下管线工程施工、打桩、 起重、运转等误伤电缆。 2 ) 施工损伤。如机械牵引力过大而拉损电缆；电缆弯曲过度而损伤绝缘层或 屏蔽层；在允许施工温度以下的野蛮施工致伎绝缘层和保护层损伤；电缆剥切尺寸 见过大、刀痕过深等损伤。 3 )自然损伤。如中间头或终端头的绝缘胶膨胀而胀裂外壳或附件电缆护套； 因自由行程而使电缆管、支架处的电缆外皮擦破；因土地沉降、滑坡等引起的过大 拉力而拉断中间接头或电缆本体；因温度太低而冻裂电缆或附件；大型设备或车辆 的频繁振动而损毁电缆等。 2 1 2 绝缘受潮 绝缘受潮是电缆故障的又一主要因素，所占的故障率约为1 3 ，绝缘受潮一般 可在绝缘电阻和直流耐压试验中发现，表现为绝缘电阻降低，泄漏电流增大。一般 造成绝缘受潮的原因有以下几种： 1 )电缆中间头或终端头密封工艺不良或密封失效。 2 )电缆制造不良，电缆外护层有孔或裂纹。 3 )电缆护套被异物刺穿或被腐蚀穿孔。 2 1 3 绝缘老化 电缆绝缘在长期电和热的作用下运行，其物理性能会发生变化，从而导致其绝 缘强度降低或介质损耗增大而最终引起绝缘崩溃者为绝缘老化，绝缘老化故障率为 1 9 。运行时间特别久( 3 0 4 0 年以上) 的则成为正常老化。如属于运行不当而在较 短年份内发生类似情况者，则认为是绝缘过早老化。可引起绝缘过早老化的主要原 因有： s 河北科技大学硕士学位论文 1 )电缆选型不当，致使电缆长期在过电压下工作。 2 ) 电缆线路周围靠近热源，使电缆局部或整个电缆线路长期受热而过早老化。 3 )电缆工作在具有可与电缆绝缘起不良化学反应的环境中过早老化。 2 1 4 过电压 电缆因雷击或其他冲击过电压而损坏的情况在电缆线路上并不多见。因为电缆 绝缘，在正常运行电压下所承受的电应力，约为新电缆所能承受的击穿实验时承受 电应力的十分之一。因此一般情况下，3 4 倍的大气过电压操作或过电压对于绝缘良 好的电缆不会有太大的影响。但实际上，电缆线路在遭受累积是被击穿的情况并不 罕见。累积仅是较早的激发了该缺陷。容易被过电压激发而导致电缆绝缘击穿的缺 陷主要有： 1 ) 绝缘层内含有气泡、杂质或绝缘油干枯。 2 ) 电缆内屏蔽层上有节疤或遗漏。 3 ) 电缆绝缘已严重老化。 2 1 5过热 电缆过热有多方面原因，从近几年各地运行情况的统计分析上来看，主要有以 下原因： 1 ) 电缆长期超负荷工作。 2 ) 火灾或邻近电缆故障的烧伤。 3 ) 靠近其它热源，长期接受热辐射。 超负荷是电缆过热的重要原因。电缆超负荷( 在电缆载流量超过允许值或异常 运行方式下) 运行，未按规定的电缆温升和整个线路的情况来考虑时，会使电缆发 生过热。例如在电缆比较密集的区域，电缆沟及隧道通风不良处，电缆穿在干燥的 管中部分等，都会因电缆本身过热而加速绝缘损坏。橡塑绝缘电缆长期过热后，绝 缘材料发生变硬、变色、失去弹性、出现裂纹等物理变化；油纸电缆长期过热后， 绝缘干枯，绝缘焦化，甚至一碰就碎。另外，超负荷也会加速电缆铅包晶粒再结晶 而造成铅包疲劳损伤；在大截面较长电缆线路中，如若装有灌注式电缆头，因灌注 材料与电缆本体材料的热膨胀系数相差较大，容易造成胀裂壳体的严重后果。 对于因火灾或邻近电缆故障的影响等外来的过热损伤，多半可以从电缆外护层 的灼伤情况加以确认，比较容易识别。由于我们比较重视电缆线路与热力管线接近 的情况，并采取一点的措施，因此引起的过热损坏情况极为罕见。 2 1 6 产品质量缺陷 电缆及电缆附件是电缆线路中不可缺少的两种重要材料。他们的质量优劣，直 6 第2 章电力电缆故障分析 接影响电缆线路的安全运行。由于一些施工单位缺乏必要的专业技术培训，使电缆 三头的制作质量存在较大的质量问题。这些产品质量缺陷可归纳为以下几个方面： 1 )电缆本身质量缺陷。油纸电缆铅护套存在杂质沙粒、机械损伤及压铅有接 缝等；橡塑绝缘电缆住绝缘层偏芯、内含气泡、杂质，内半导电层出现节疤、遗漏， 电缆贮运中不封端而导致线芯大量进水等；上述缺陷一般不宜被发现，往往是在检 修或实验中发现其绝缘电阻低、泄露电流大，甚至耐压击穿。 2 ) 电缆附件质量缺陷。传统三头质量缺陷有：铸铁件有砂眼，瓷件强度不够， 组装部分加工粗糙，防水胶圈规格不符或老化等。热缩和冷缩电缆三头质量缺陷有： 绝缘管内有气泡、杂质或厚度不均，密封涂胶处有遗漏等。 3 ) 三头制作质量缺陷。传统式三头制作质量缺陷主要有：半导电层处理不净， 应力管安装位置不当，热缩管收缩不均匀，地线安装不老等。预制电缆三头安装质 量缺陷主要有剥切尺寸不精确，绝缘件套装时剩余应力太大等。 另外，电缆线路中也有一些是拆用旧电缆及附件的情况，这种以旧充新或以旧 补旧的做法虽然在利用材料，节省资金方面有好处，但对设备完好率却影响很大， 建议各施工与运行单位慎重对待。 一 2 1 7 设计不良 电缆发展到今天，其结构与型式己基本稳定，但电缆中间头和终端头的各种电 缆附件却一直在不断地改进。这些新型电缆附件往往在新设备、新材料、新工艺上 没有取得足够的运行经验，因此在选用时应慎之又慎，最好根据其运行经验的成熟 与否逐步推广使用，以免造成大面积质量事故。属于设计不良的主要弊病有： 1 ) 防水不严密。 2 ) 选用材料不妥当。 3 ) 工艺程序不合理。 4 ) 机械强度不充足。 2 2 电力电缆故障的分类 上一节介绍了电缆故障的原因。实际上，电缆的故障有些是某一种原因造成的， 而大多数则是由几种原因共同作用的结果。因此，电缆的故障原因是极其复杂的。 电缆的故障形式千差万别，为便于电缆故障的诊断与研究，对电缆故障的分类显得 十分必要。 电缆线路的故障，根据不同部门的需要，可以有不同的分类方式。现分述如下。 2 2 1电缆线路故障按故障部位分类 1 ) 电缆本体故障。 7 河北科技大学硕士学位论文 2 ) 电缆中间头故障。 3 ) 电缆户内头故障。 4 ) 电缆户外头故障。 2 2 2电缆线路故障按故障时间分类 1 ) 运行故障。运行故障是指电缆在运行中因绝缘击穿或导线烧断而引起保护 器动作，突然停止供电的故障。 2 )实验故障。实验故障是指在预防性实验中绝缘击穿或绝缘不良而必须进行 检修后才能恢复供电的故障。 2 2 3 电缆线路故障按故障责任分类 1 ) 人员过失。电缆选型不当，三头结构设计失效，运行不当，维护不良等。 2 ) 设备缺陷。电缆制造缺陷，电缆三头附件材料缺陷，利用设备的遗留缺陷， 安装方式不当或施工工艺不良等原因造成的三头质量缺陷。 3 ) 自然灾害。雷击、水淹、台风袭击、鸟害、虫害、泥石流、地沉、地震、 天体坠落等。 4 ) 正常老化。一般电缆运行三十年以上的绝缘老化，户外运行二十年以上的 浸潮，垂直敷设的油纸电缆在二十年以上的高端干枯等。 5 ) 外力损坏、腐蚀、用户过失及新产品、新技术的试用等。 2 2 4 电缆故障按故障性质分类 ( 1 ) 低阻故障即低电阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或 芯与芯之间的绝缘电阻低于i o z c ( z f 为电缆特性阻抗，一般不超过4 0 q ) 时，而 导体连续性良好者称为低阻故障。一般常见的低阻故障有单向接地、二相短路或接 地故障。 说明：这一低阻故障的定义是针对脉冲反射测试原理而定的，其它的测试方法 中的低阻故障定义与特性阻抗z ，无关。下面介绍高阻故障亦然。 本书定义的低阻和高阻故障的分界值l o z r 不是一个精确的数值，而是一个模糊 的概念。因为电缆的特性阻抗随着不同的电缆结构而变化，而这样定义的根本原因 是为了划分脉冲反射诊断技术中低压脉冲法是否可以测试，也就是说绝缘电阻大约 在i o z ，以下的电缆故障可用低压脉冲法测试，否则低压脉冲法不能测试。 ( 2 ) 高阻故障即高电阻接地故障或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电 阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常值很多，但高于i o z r ，而导体的连续性良好者 称为高阻故障。一般常见的高阻故障有单相接地、二相短路或接地等。 ( 3 )断线故障 电缆各芯绝缘均良好，但有一芯或数芯导体不连续者称为断 8 第2 章电力电缆故障分析 线故障。 ( 4 ) 断线并接地或短路故障 电缆有一芯或数芯导体不连续，经过( 高或低) 电阻接地或短路者称之。 ( 5 ) 泄露性故障泄露性故障是高阻故障的一种极端形式。在进行电缆绝缘 预防性耐压试验时，其泄漏电流随试验电压的升高而增大，直至超过泄露电流的允 许值( 此时试验电压尚未或已经达到额定试验电压) ，这种高阻故障称为泄露性故障。 泄露性故障的绝缘电阻可能很高，甚至达到合格标准。 ( 6 )闪络性故障 闪络性故障是高阻故障的又一种极端形式。在进行电缆绝 缘预防性耐压试验时，泄漏电流小而平稳。但当实验电压升至某一值( 尚未或已经 达到额定试验电压) 时，泄漏电流突然增大并迅速产生闪络击穿，这种高阻故障称 为闪络性故障。闪络性故障的绝缘电阻极高，通常都在合格标准以上。具有闪络性 故障的电缆，短期内，在较低的电压下( 不大于闪络击穿电压) ，去闪络击穿的现象 可能会完全停止并显现较好的电气性能。 线芯 对地 图2 - 1 故障点等效电路 f i g 2 1 e q u i v a l e n tc i r c u i to fc a b l ef a u l t 实际上，高阻故障的特性可由高阻故障等效电路分析清楚。如图2 - 1 所示，泄漏 电阻尺。和放电间隙- 厂。的相对大小变化，决定了高阻故障的特性是属于泄露性、闪络 性或是二者兼而有之。 例如：当r 。很大( 近似无穷大) 时，故障点，。两端的电流电压可以升至额定试 验电压而泄漏电流还远达不到额定允许值。在这种情况下，如果j 。的击穿电压大于 额定试验电压，这个故障点在该实验电压下将不会被发现；如果j 。的击穿电压小于 或等于额定试验电压，则耐压实验时j 。将被击穿，形成闪络性故障。 当尺。较小时，在耐压实验中，由于r 。的存在而产生较大的泄漏电流，同时该泄 漏电流将在高压试验电源的内阻上形成较大的压降，从而使试验电压无法升高。欲 继续升高试验电压，势必造成泄漏电流的剧增，甚至远远大于允许值，这样的耐压 试验一般由人为或实验设备继电器保护动作而终止。在这样的故障点中，由于j 。两 端电压较低而常常不能被击穿，只表现出泄露电流过大。这就是泄露性故障。 9 河北科技大学硕士学位论文 当尺，与j 。适中时，在耐压实验中可能会出现泄漏电流较大，而试验电压又可以 升高( 甚至达到额定试验电压) ，在较高的试验电压下也可能会出现闪络击穿。这就 是我们讲的通常意义的高阻故障。 高阻故障中的等效泄露电阻尺。减小到i o z r 以下时，其故障性质就转变为低阻 故障。 2 3 电力电缆故障诊断的一般步骤与方法 前两节，分别介绍了电力电缆故障形成的原因和故障的不同类型。事实上，若 干种电缆故障诱因共同作用的结果，可使电缆产生任何种类的电缆故障。几十年来， 人们在各自的生产实践中探索和总结出许多电缆故障测试的方法。如经典法中的电 阻电桥法、电容电桥法、高压电桥法等。电阻电桥法只能测试单项接地或相间短路 的绝缘电阻较低的电缆故障；高压电桥法主要测试高阻故障( 泄露性故障和闪络性 故障除外) 。可见电缆故障诊断技术中的经典法具有一定的局限性，不能满足各种不 同类型电缆故障测试的要求。 现代的脉冲反射测试技术包括低压脉冲法、直流高压闪络法和冲击高压闪络法， 它们适用于各种不同类型的电缆故障测试。多年的生产实践已经充分证明了，现代 的脉冲反射测试技术的适用性和准确性，并己日趋成熟与完善。电力电缆故障的诊 断，无论选用哪种测试方法，均需按照一定的程序和步骤进行。现归纳如下。 2 3 1 确定故障性质 当着手对某一故障电缆进行故障测试时，首先要进行的工作是：了解故障电缆 的有关情况以确定故障性质。掌握这一故障是接地、短路、断线还是它们的混合： 是单项、两相还是三相故障；是高阻、低阻还是泄露性或闪络性故障。只有确定了 故障性质，才可以选择适当的测试方法对电缆故障进行具体的诊断。 2 3 2 粗测距离 但确定了故障电缆的故障性质以后，就可以根据故障的性质，选择适当的测试 方法测出故障点到测试端或末端的距离，这项工作称为粗测距离。 粗测距离是电缆故障测试过程中最重要的一步，这项工作的优劣决定着电缆故 障测试整个过程的效率和准确性，因此，常常需要具有相当专业基础理论知识和丰 富实践经验的人员来进行操作。人们在长期的生产实践中探讨和总结出多种故障距 离的粗测方法，即经典法( 如电桥法及其变形等) 和现代法( 脉冲反射法) 。 2 3 3探测路径或鉴别电缆 故障电缆经过粗测以后便得出一个故障距离，这个故障距离是由测试端( 即 首端或称始端) 到故障点的距离。从理论上讲，以测试端为圆心，以故障距离l ，为 1 0 第2 章电力电缆故障分析 半径划一个圆，圆周上所有的点都满足故障点到测试端的距离为，的条件，显然故 障点只能是圆周上的某一点，而这一点又必须在电缆上，这是可以借助的另外一个 条件。当把电缆路径用线段画出以后，这条线段必将于尺= l ，的圆相交于一点，这 一点才是欲寻找的故障点。 对于直接埋设在地下的电缆，需要找出电缆线路的实际走向，即为探测路径。 对于在电缆沟、隧道等处的明敷电缆，则需要从许多电缆中挑选出故障电缆，即鉴 别电缆。 探测电缆路径或鉴别电缆，通常向故障电缆( 如有完好线芯，一般加在完好线 芯上) 加一音频电流信号，然后用探测线圈接收此音频信号，从而找出电缆路径或 鉴别电缆。对于干扰较大的复杂环境，鉴别电缆常用钳形电流表来辅助鉴别。从电 缆首端或末端加入一个电流信号，并做规律性通断变化，然后用钳形表卡在电缆上 观察其电流指示值及通断规律，当电流指示值接近于加入端电流值( 由于线路损耗 而有所减小) ，并且通断规律相符时，可以确认该电缆为故障电缆。 2 3 4 精测定点 精测定点是电缆故障测试工作的最后一步，也是至关重要的一步。在粗测出故 障距离并确定了故障电缆路径或鉴别出故障电缆以后，因为粗测出的故障距离有一 定的误差，故障距离的丈量也有误差。因此，在精测定点前只能判断出故障点所处 的大概位置，要想准确的定出故障点所在的具体位置，必须经过精测的定点1 9 】。 表2 - 1电力电缆诊断一般步骤与方法 t a b 2 - 1t h ep r o c e s sa n dm e t h o do fd i a g n o s i n gc a b l ef a u l t 步骤 内容方法备注 1 、测绝缘电阻 确定故障性质 2 、导通试验 1 、经典法： ( 1 ) 电桥法高阻故障需烧穿 ( 2 ) 驻波法等 粗测距离 2 、现代法 ( 1 )低压脉冲法 ( 2 )直流高压闪络法 高阻故障无需烧穿 ( 3 ) 冲击高压闪络法 1 、音频感应法 探测路径 2 、卡流表法只适用于鉴别电缆 1 、声测定点法 2 、感应定点法仅适用金属接地故障 四 精测定点3 、时差定点法 4 、同步定点法 5 、其他特殊方法适用于低压电缆 河北科技大学硕士学位论文 电缆故障的精测定点一半采用声测定点法、感应定点法和其他特殊的方法。9 5 以上的电缆故障可以通过声测法确定故障点的位置，金属性接地故障需要用感应法 或特殊方法定点。 以上是电缆故障诊断的一般步骤。在具体的测试工作中，根据具体情况的不同， 有些步骤是可以省略的。电缆故障诊断设备产品较多，质量不一，现将电缆故障测 试仪的主要品种列于表2 1 。 2 4 脉冲反射法 脉冲反射法又称行波法。它可具体地分为低压脉冲反射法、脉冲反射电压取样 法和脉冲发射电流取样法三大类l l o 】。后两类又可细分为直闪法和闪冲法【1 1 l 。下面就 分别介绍它们的技术特点和应用范围。 2 4 1 低压脉冲反射法 低压脉冲反射法又称雷达法。它是通过观察发射脉冲和故障点反射脉冲之间的 时间差来测取故障距离。低压脉冲反射法的优点是简单，不需要掌握电缆线路的原 始资料，如导体截面、长度、电阻率等，无需高压脉冲产生设备，整个测试过程均 在低压下进行，更为安全、简便。但低压脉冲不能测试高阻及泄露性和闪络性故障。 低压脉冲反射法的适用范围是： 1 ) 低阻短路或接地故障。 2 ) 断线性故障。 3 ) 测量电缆全长。 4 ) 测量电波在电缆中的传播速度。 2 4 2 脉冲反射电压取样法 脉冲反射电压取样法又称闪测法，是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种高阻和泄 露性、闪络性故障的测试方法。他首先使电缆故障点在直流高压( 直闪法) 或冲击 高压( 冲闪法) 信号的作用下击穿，即发生闪络放电，该闪络则在电缆中产生一个 电压跃变( 即脉冲) ，于是这个越变得电压脉冲就以电波的形式在测试端与故障点之 间来回反射，然后在电缆终端记录该电信号的波形，从波形上可以确定脉冲电压在 测试端与故障点之间往返一次所需的时间，再根据电波在电缆中的传播速度，就可 以算出故障点的距离。 脉冲反射电压取样法的重要优点是不必将高阻故障和泄露性、闪络性故障“烧 穿”降阻而直接测试，并且测试速度快、误差小、操作简单等。但是，脉冲反射电压 取样法需要通过电容、电阻分压器测量电压脉冲信号，仪器与高压回路有电耦合， 致使测试仪的安全程度不够理想。另外，在冲闪法时，由于高压电容器对脉冲信号 1 2 第2 章电力电缆故障分析 呈短路状态，所以需要一个隔离电感或电阻，从而降低了电容放电时加到故障电缆 上的电压，使故障点不易击穿。 脉冲反射电压取样法对各种电缆故障均适用。其中直闪法对闪络性高阻故障最 有效，冲闪法最合适测试泄露性高阻故障，并对其他各种性质的电缆故障均适用。 2 4 3 脉冲反射电流取样法 脉冲反射电流取样法与脉冲反射电压取样法大致相同。它们的区别只在于，脉 冲反射电流取样法是通过记录故障点击穿时产生的电流行波信号在测试端与故障点 之间往返一次所需的时间来计算故障点距离。也就是说，电流取样法测取的是电流 行波信号，电压取样法测取的是电压行波信号。除此之外，它们的测试方法，距离 计算公式及其各自的适用范围都完全相同。 实际上，脉冲反射电流取样法和电压取样法，在具体的测试工作中，由于提取 的试样不同而使接线方式迥异，尽管它们在同样的测试方法下，所测得的波形也完 全不同，从而波形的分析也相差很大。脉冲反射电流取样法与电压取样法相比具有 以下的优点： 1 ) 仪器与高压回路没有电的联系，是磁耦合，提高了仪器的安全程度。 2 ) 脉冲电流耦合波形比较简单，易于理解与掌握。 无需在电缆端头与放电间隙之间串联电感或电阻以产生电压信号，从而减小了 测试电路的能量损耗和复杂性。 2 5 低压脉冲反射法 本文以低压脉冲反射法为基础进行电缆故障测距，在这里对低压脉冲反射法进 行详细介绍。 低压脉冲反射法，又称雷达法。它是根据传输线理论，在被测电缆上送上一脉 冲电压，当发射脉冲在电缆线路上遇到故障点、电缆终端或中间接头时，由于该处 阻抗的改变，而产生向测试端运动的反射脉冲，利用仪器记录下发射脉冲与反射脉 冲的时间差疋即发射脉冲在测试端与故障点之间往返一次所需的时间。则故障距离 。可由下式求得 l s = 1 2 卑 ( 2 - 1 ) 式中：y 是行波在电缆中的传播速度，z 是行波在故障点与测试点之间往返一 次所需的时间，。是故障距离。 纵观现有的行波故障定位法，尚有几个问题有待解决： ( 1 ) 线路两端非线性原件的动态延时电流互感器是提取电流行波的耦合元 件，其二次测量的时间常数按试验数据估计一般约l o o u s ，但要受铁芯饱和及剩磁的 影响，这将使电流互感器的动态时延具有较大的分散性；行波起动元件也有分散时 】3 河北科技大学硕士学位论文 延，在故障定位算法中，l u s 的时间误差所对应的最大定位误差约3 0 0 m ，而这种由 耦合和启动等非线性元件引起的分散性动态时延对行波法定位精度的影响，在现有 的文献中还几乎没有定量考虑。 ( 2 )波速的影响 在行波故障定位方法中波速是主要的影响因素，而其计算 取决于大地电阻率和架空线的配置。高压线路线的地质条件相当复杂，不同的地质 段的土壤电阻率有不同的取值，且与气候密切相关。且在电力电缆中，故障行波在 线路上以不同模式传播，每种模式中各频率分量的传播速度和衰减也不同。高频分 量传播速度快，衰减大；低频分量传播速度慢，衰减小，造成故障行波传播过程中 出现色散。由行波色散理论可知，信号中包含不同的频率成分，不同频率对应的传 播速度各不相同。在实际中，为了计算方便，波速一般取1 5 0 1 2 0 m u s ，显然波速的 不确定性将会影响到电缆的测距精度。而现在的行波故障定位法是建立在假定行波 在输电线路上有固定的传播波速。 ( 3 ) 适用范围低压脉冲反射法只适用于低阻短路或接地及断线性故障的测 试。对于高阻故障，由于故障点的等效阻抗几乎等于电缆的特性阻抗，造成故障点 阻抗突变不明显，反射系数近似为零，产生的反射脉冲相当微弱【1 7 】。因此，低压脉 冲反射法不能有效的测试高阻故障。 2 6 本章小结 本章介绍了电缆故障发生的原因，机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化、过电压、 过热、产品质量缺陷和设计不良等原因。并按不同类型对电缆故障进行分类以及电 缆故障诊断的一般步骤。最后重点阐述了本文所用到的低压脉冲反射法，论述了其 原理、适用范围以及影响因素。 1 4 第3 章小波分析理论 第3 章小波分析理论 3 1 小波分析概述 小波分析属于时频分析的一种。传统的信号分析是建立在傅立叶