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交联聚乙烯电力电缆故障分析与定位技术研究 摘要 交联聚乙烯电力电缆以其优越的电气绝缘性能得到了广泛应用， 因此针对交联聚乙烯绝缘材料的特点，有必要分析其故障现象及成 因。由于电力电缆多数埋于地下使用，一旦发生绝缘故障，很难较快 地寻测出准确的故障位置，那么准确、迅速、经济地查找出故障点位 置就很重要。 本文对交联聚乙烯电力电缆故障现象进行分析并指出了新的故 障成因。通过对目前国内外各种定位方法比较研究，总结得出了它们 的优缺点和适用范围。 基于g p s 全球定位系统和行波定位理论，本文讨论分析了通过 在线采集电力电缆两端行波f p 。, m 信息的双端量故障定位方法。首先根 据交联聚乙烯绝缘材料的特点选定电缆结构参数，通过分析故障情况 下暂态电磁波在电力电缆中传输的波过程，推导出双端量故障定位方 法的数学模型。然后使用p s c a d e m - f d c 仿真工具搭建了交联聚乙 烯电力电缆空载和末端短路两个试验模型，通过改变电缆结构参数和 线路长度来分析各种情况下的仿真波形特点。在此基础之上，搭建了 双端量故障定位试验系统模型，对金属性故障、低阻故障、高阻故障 进行仿真分析。改变线路参数和故障位置可以得到不同的仿真波形， 对波形进行分析可以计算出故障距离并总结出故障暂态电磁波在电 缆中传输的特点和规律。对在电缆故障中占比例较大的高阻故障，重 点进行比较分析。 故障定位软件采用v b 程序语言为开发工具，采样数据库文件采 用t x t 文件格式。用户可以通过简明的软件界面，调用数据文件， 在计算机上实现故障距离自动计算。 本文得出的结论如下： ( 1 ) 验证了故障暂态电磁波在电缆中的传输速度只与绝缘材料 有关，与导体半径无关； ( 2 ) 故障暂态行波在电缆中衰减变形成指数规律，波形的衰减 程度与线路长度成正比关系，与导体直径成反比关系； ( 3 ) 与传统离线定位技术相比，双端量故障定位技术适用于各 种故障类型，能够实现快速定位，定位误差小，消除了测量盲区； ( 4 ) 开发的故障定位软件能够对采样数据库文件进行自动处理 并给出正确的计算结果。与运用波形分析的方法人工计算得出的结果 进行相互比较，能够使故障定位更准确。 关键字：交联聚乙烯电力电缆故障定位技术g p sv b f a u l - tl o c a t i o nt e c h n o l o g ys t u d y f o rx l p ep o w e rc a b l e a b s t r a c t x l p ep o w e rc a b l ei sw i d e s p r e a da v a i l a b i l i t yb e c a u s eo fi t ss u p e r i o r i t yi n s u l a t i o n e 印a c i t y , w i t ht h ef o c u so nt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ex l p ei n s u l a t i o n , i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yo nt h ef a u l tp h e n o m e n o na n do r i g i n p o w e rc a b l e sa l ea l w a y su s e du n d e r t h e g r o u n d ，s oi ti sd i f f i c u l t t of i n dt h ef a u l tl o c a t i o nq u i c k l ya f t e ri n s u l a t i o nm a l f u n c t i o n , a n ds oi ti s v e r yi m p o r t a n tt o f i n dt h ef a u l tl o c a t i o na c c u r a t e l y , q u i c k l ya n d e c o n o m i c a l l y s e v e r a ln e wc a u s e so ff a i l u r e sa r ea d d e di nt h ex l p ep o w e rc a b l ef a u l t p h e n o m e n o na n a l y s i s c o m p a l e dw i t ht h ef a u l tl o c a t i o nm e t h o d sh o m ea n da b r o a d ， t h i sp a p e rg e n e r a l i z e dm e r i t s ，d e f e c t sa n da p p l i c a b i l i t yo f t h e m b a s e do nt h eg l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) a n dt r a v e l i n g w a v ef a u l tl o c a t i o n t h e o r y , t h em e t h o do fg a t h e r i n gt r a v e l i n g - w a v es u r g er e c o r dd a t af r o mb o t ht e r m i n a l s o f t h ep o w e rc a b l ei sa n a l y z e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e x l p ei n s u l a t i o nm a t e r i a l at w o t e r m i n a lf a u l tl o c a f i o nm a t h e m a t i cm o d e l i sd e d u c e d a f t e ra n a l y s i st h ew a v ep r o c e s so f e l e c t r o m a g n e t i cw a v et r a v e l i n gi nt h ep o w e rc a b l e a f t e rt h a t t h ee l e c t r o m a g n e t i c - t r a n s i e n ts i m u l a t i s o f t w a r ep s c a d e m t d ci s u s e dt oc r e a t et w oe m u l a t o rm o d e l sa b o u tn o 一1 0 a da n dt e r m i n a ls h o r tc i r c u i to f x l p e c a b l e c h a n g et h ep a r a m e t e r sa n dl e n g t ho ft h ec a b l et os c et h ea l t e r a t i o no ft h e e m u l a t o rw a v e b a s e do ni t ，c r e a t et w o - t e r m i n a lf a u l tl o c a t i o nt e s tm o d e l su n d e r t h ec i r c u m s t a n c e so fs h o r tc i r c u i t ，l o wr e s i s t a n c e , a n dh i g hr e s i s t a n c e d i f f e r e n t p a r a m e t e r sa n df a u l tp o i n t sc o r r e s p o n d i n gw i t hd i f f e r e n ts i m u l a t i o nw a v e s ，t h ef a u l t l o c a t i o nc a nb es o l v e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h e m ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n d 哪l a r i t y o ft h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et r a v e l i n gi nt h ep o w e rc a b l ei sg e n e r a l i z e d t h ep a p e r e m p h a t i c a l l ya n a l y z e st h eh i g hr e s i s t a n c ef a u l t 1 1 1 f a u l tl o c a t i o ns o t t w a r ed e v e l o p m e n ti sb a s e do nv i s u a lb a s i ca n dt h es a m p l i n g d a t a b a s ef i l e sa 舱s t o r e db yt x tf i l el a y o u t t h eu s e r sc a ne a s i l yr e a l i z ef a u l tl o c a t i o n a u t o - c a l c u l a t i o nt h r o u g hc o n c i s es o t t w a r ei n t e r f a c e b ym e a n so f s t u d y i n gc o n c l u s i o n sc a nb e e nd r a w n a sf o l l o w s ： 1 ) t h et r a n s f e rr a t eo ff a u l te l e c t r o m a g n e t i cw f l v et r a v e l i n gi nt h ep o w e rc a b l ei s r e l a t e dw i t hi n s u l a t i o nm a t e r i a ln o tc o n d u c t a n c er a d i u s ； f a u l tt r a r s i e n tt r a v e l i n gw a v ew i l lr e d u c ee x p o n e n t i a l l y , t h ea t t e n u a t i o no f w a v ei sd i r e c tr a t i ot ot h ec a b l el e n g t ha n di n v e r s er a t i ot ot h ec o n d u c t a n c er a d i u s ； 3 1c o m p a r e d 丽mt h ec o n v e n t i o n a lo f f - l i n ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y , t w o - t e r m i n a l f a u l tl o c a t i o nt e c h n o l o g yc a l la c c u r a t e l yl o c a t et h ep o s i t i o nf o rv a r i o u sf a u l tt y p e s ，t h e p o s i t i o ne r r o ri sl i t t l e ，a n db l i n da r e ai se l i m i n a t e d ； 4 1t h i sf a u l tl o c a t i o ns o f t w a r ec a na u t oc a l c u l a t et h e s es a m p l i n gd a t aa n dg i v e t h er i g h tr e s u l t s c o m p a r e dw i t ht h em a n u a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，f a u l tl o c a t i o nc a n b e c o m em o r ea c c u r a t e k e yw o r d s ：x l p e ；p o w e rc a b l e ；f a u l tl o c a t i o nt e c h n o l o g y ；g p s ；v i s u a lb a s i c i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论一虢曼物 尸毋名玛脚 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在小以赢利为日的的前提f ，学校町以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时问： d 即时发布口解密后发铂 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此舰定) ：盼 驯，虢渤、啦 导师签名：聋纠、w 艮 刁年舢脚 ，西大等呵士掣啦论文交联泉乙烯电力电缆故l 分析与定位型u 懈究 第一章绪论 1 1 引言 1 8 9 7 年，从上海第一条电缆敷设入地，我国开始使用电缆迄今已经有一百 多年【2 l 。随着我国国民经济的高速发展和城市电网改造的完成，现在，国内对电 缆的研究、制造和应用，有了迅速的发展。各种类型的电力电缆以其独具的特 点，在全国各工矿企业、事业单位得到了广泛的应用。而随着城市用电剧增， 又希望减少线路走廊用地，不少国家还将电力电缆用于城市的输配电线路i l 】。 目前电力电缆已应用于交流5 0 0 k v 及以下的电压等级，按照绝缘材料性质 可把电力电缆分成三类f l 】【2 】：油纸绝缘型、塑料绝缘型、橡胶绝缘型。 交联聚乙烯绝缘电力电缆属于塑料绝缘型。交联聚乙烯( x l p e ) 属于固体绝 缘，它是由聚乙烯( p e ) 加入交联剂挤出成形后，经过化学或者物理方法交联而成。 它的电气性能好，击穿电场强度高，介质损耗角正切值留万小，绝缘电阻高。有 较高的耐热性和抗老化性能，允许工作温度高，载流量大，适宜于高落差与垂 直敷设，是一种很有发展前途的高压电缆。 7 0 年代以来，交联聚乙烯电力电缆在我国得到迅速发展，它已逐步取代常 规低中压油纸绝缘电缆，并且这种趋势继续向1 1 0 k v 及以上高压电缆发展。其 主要原因是：与油纸绝缘电缆相比，交联聚乙烯电力电缆重量轻，制造工艺较简 单，安装敷设容易，且不受落差限制，可降低安装费用；有良好的电气性能和 耐热性能，传输容量大；运行维护方便等。我国自1 9 7 0 年至今已先后研制成功 6 、1 0 、3 5 、6 3 、1 1 0 k v 交联聚乙烯电力电缆，并能批量生产。 与架空线相比，电力电缆有如下突出优点：由于其敷设于地下，不占用地 面空间，有利于环境的美观；自然气候对其影响小，供电可靠性高：电缆隐蔽 在地下，对人身以及地面设施比较安全；电缆线路的运行维护费用比较小。 与架空线相比，电缆有如下缺点：电缆线路建设投资费用较高，是架空线 的几倍；电缆故障隐蔽，测试较难；电缆损坏后，修复时日j 较长；电缆不容易 厂。西大掌司陆掌位论文曩港粟乙爝电力r 电筑故障分斩与定位技术研究 分支。 现代电网正逐步向超高压，远距离，大容量发展。城市电网高电压、大截 面、超大长度电力电缆的普遍使用，使电力电缆得到了更大的发展，特别是交 联聚乙烯( x l p e ) 电力电缆更是占据着主要的地位【i l 。但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。地下电缆一旦发生绝缘故障，很难较快 地寻测出准确的位置，如果不能及时排除故障恢复供电，往往造成停电停产的 重大经济损失。例如，2 0 0 6 年7 月1 7 日，美国纽约市部分地区突然发生停电事 故，由于一直没找到故障原因，当地电力公司到2 2 日仍没有解决断电问题，致 使该市十万居民在一年中最热的天气下“煎熬”了6 天时间。“康爱迪生”电力公 司2 2 个向皇后区输送电力的主要供电电缆中有1 0 个同时出现故障，并带来一 系列附带后果。受断电影响，当地数千商家一直处于停业状态，且停电还导致 许多地铁线路延误、航班被取消。正是鉴于此，如何准确、迅速、经济地查找 出故障点是国内外学者和供电企业及其他应用单位共同关注和需要解决的问 题。 1 2 交联聚乙烯电力电缆故障分析 1 2 1 交联聚乙烯电力电缆绝缘老化机理 交联聚乙烯电力电缆由于敷设环境的影响，在绝缘层中会产生水树，使其 绝缘性能下降。绝缘老化的原因主要有两方面： 一、电气方面 l 、游离放电老化 这是在绝缘层与屏蔽层的空隙产生游离放电，而使绝缘受到侵蚀所造成的 绝缘老化现象。不过在正常相电压下，游离放电一般不会发生，而仅在电缆内 部有缺陷时才会成为问题。 2 、树老化 所谓树，主要有电树、水树两种。电树是在局部高电场( 绝缘与内半导体 层的界面等) 作用下，某些缺陷在绝缘层中呈现树枝状伸展，最终导致绝缘击 穿。水树的形成与敷设环境有关，在有水分和电场共存的状态下，可分为从导 体的内半导体层上产生的内半导体水树、从绝缘的外半导电层产生的外半导体 水树、从绝缘层中空隙等产生的蝴蝶结形水树3 类。特别是从内半导电层上产 2 广西大掣塌町士掌位论。文互港聚乙烯电力电缆故障分析与定位技水研究 生的内半导体水树，将使电缆的绝缘强度大幅度降低。 二、化学方面 化学老化是由于敷设环境所引起的，如把电缆敷设在含有石油化学物质的 地下而造成聚氯乙烯护套产生膨胀。有一种称为硫化的老化现象，对电缆绝缘 影响最大。由于硫化物( 硫化氢等) 透过护套及绝缘层与电缆的铜导体产生化 学反应，生成硫化铜和氧化铜等物质，这些物质在绝缘层中从内导一侧向护套 一侧呈树枝状伸展，如同水树一样，这种老化现象统称为化学树。 化学老化的程度，也因油、药品的种类不同而异，但它们对电缆的影响， 都是使组成电缆的材料膨胀、物理特性降低和电性能降低。 此外，还有物理老化、机械老化以及由于生物的侵蚀所引起的老化等。 1 2 2 交联聚乙烯电力电缆故障原因 随着电缆绝缘老化的不断发展到一定程度，在适当的外部环境和自身条件 的影响下就会导致绝缘损坏甚至击穿，从而发生电缆故障，电缆故障的因素大 致分为以下几类： ( 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。如安 装时不小心碰伤电缆，机械牵引力过大而拉伤电缆，城建施工使电缆受到直接 的外力损伤等等。 ( 2 ) 过热。电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热，使绝缘炭化。另外， 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、穿于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。 ( 3 ) 护层的腐蚀。因受土壤内酸，碱和杂散电流的影响，。埋地电缆的铅 或铝包将遭到腐蚀而损坏。 ( 4 ) 绝缘受潮。中间接头或终端头在结构上不密封或安装质量不好而造 成绝缘受潮。 ( 5 ) 过电压。过电压主要指大气过电压和内过电压，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 下发生故障。 ( 6 ) 材料缺陷。电缆制造的问题，电缆附件制造上的缺陷和对绝缘材料 的维护管理不善等都可能使电缆发生故障。 3 - - 西大掌硕士学位论文交联聚乙烯电力电缆故两吩析与定位捌口懈究 ( 7 ) 设计和制作的工艺不良。 不周密，材料选用不当，工艺不良、 中间接头和终端头的放水、电场分布设计 不按规程要求制作等，都会造成电缆头在 运行中发生故障。 ( 8 ) 直流耐压试验。目前电缆主绝缘耐压试验一般采用直流电压试验， 交联聚乙烯电力电缆由于在直流电场下空间电荷的作用，使电场分布畸变，往 往会在不太高的直流电压下损伤绝缘，从而有可能在不利运行条件( 如过电压) 下发展成电缆故障。 1 2 3 交联聚乙烯电力电缆故障分类 电缆故障从形式上可分为串联与并联故障。串联故障是指电缆一个或多个 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。并联故障是指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。实际的故障组合形式是很多的，几种可能性较大的故障形式是 一相对地、两相对地和一相断线并接地。实际发生的故障绝大部分是单相对地 绝缘电阻下降故障。对于电缆故障的分类，国外有的文献【2 0 】定义为：无损坏故 障( i n t a c tf a u l t ) 、开路故障( f a u l to p e n ) 、短路故障( f a u l ts h o r t ) 。国 内文献对电力电缆故障的分类主要是：开路断线故障，低阻和金属性相间或接 地故障，高阻相间或接地故障三种类型，其中高阻故障包括高阻泄漏和闪络性 故障两种类型。下面主要针对国内这种分类方法进行分析： 图卜1 电缆故障示意图 f i g u r el - 1 s l t c hm 印o f f a u l tl o c a t i o nf o rc a b l e ( 1 ) 开路故障：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 1 在a 相a 点存在有电阻风，当月k - 一，即为断线故障，这是开路故障的特例。 ( 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。如图卜1 ，当b 相b 点对地电阻如= 0 时，为金属性接地 4 广西大学硕士掌位论文变联聚乙瑚电力电缆故障分析与定位技术研究 故障，这是低阻故障的特例。 ( 3 ) 7 高阻故障：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 和闪络性高阻故障二种类型。等效电路图如下： 图1 - 2 高阻故障等效电路图 f i g 1 - 2e q u i v a l e n ts c h e m eo f h i 【g hr e s i s t a n c ef a u l tf o rc a b l e 如图1 2 所示，“高阻泄漏电阻”的阻值直接决定了高阻故障的特性。它们 可以是“高阻泄漏故障”，或者是“高阻闪络性故障”，或者是二者兼而有之的 故障。 例如：当月近似无穷大时，故障点j 两端的直流电压可以增至相当高而泄 漏电流还不至于超过额定值，完全可能在电压升至额定值前故障间隙，被击穿， 从而形成闪络性故障。当胄小于一定值，做耐压试验时，由于r 的存在而产生 较大的泄漏电流。这样大的泄漏电流将在高压电源的内阻上产生较大的压降， 从而使故障间隙，两端的电压无法升高，可能就不会被击穿。欲升高电压，泄 漏电流势必增加。因此完全可能因泄漏电流大大超过允许值而使继电器保护动 作，也就不会出现闪络现象。 以上对高低阻故障的区分是按照文献【7 】的标准，其实对于电力电缆故障是 属于低阻还是高阻故障的区分没有统一的标准，选择不同的测试仪器和方法则 有不同的标准。有的文献认为：一般故障点的接地电阻值rf 、 图5 - 2 1 电流行波网格图 f i g 5 2 1l a t t i c ed i a g r a mo f c u r r e n tt r a v e l i n gw a v e s t l 时刻故障波第一次到达，产生正的阶跃，t 2 时刻从故障点透射到首端a 的电流行波可以忽略不计，t 3 时刻透射过来的到达首端a 的电流行波引起负的 阶跃，直到t 4 时刻正的反射波的到来再一次发生正的阶跃，就形成了如上所述 的振荡发展的电流行波波形。 5 l 广西大学硕士掌位论文交联聚乙烯电力电缆故障分析与定位技术研究 图5 - 2 25 m s 故障时间内行波波形图 f i g 5 2 2t r a v e l i n gw a v et h r o u g h d u r a t i o no f f a u i t ( 5 m s ) 图5 - 2 3l m s 故障时间内行波波形图 f i g 5 - 2 3t r a v e l i n gw a v et h r o u g hd u r a t i o no f f a u i t ( 1 m s ) 由图5 2 2 可以看出末端行波波形特点与首端类似，只是值为负值，这是由 于波的传播方向相反造成的。同样可以使用彼得逊法则和电流行波网格图进行 分析，不再赘述。 分析电缆两端测得的故障电流行波波形，可以得到故障行波第一次到达首、 末端时刻分别为0 0 8 0 0 4 6 9 3 s ，0 0 8 0 0 1 9 7 8 s ，代入双端量测距公式( 3 - 5 ) 、( 3 - 6 ) ， 可以得到故障点至首、末端故障距离分别为：7 0 3 6 k i n 、2 9 6 4 k m ，误差分别为 广西大学硬士掌位论文交联聚乙烯电力电或故障分析与定位技术研究 0 5 l 、1 2 。 图5 - 2 4i m s 故障时问内行渡波形图 f i g 5 - 2 4t r a v e l i n gw a v et h r o u g hd u r a t i o no f f a u h ( i m s ) t s t e g r a o h l a b q 咖 n 0 一 n 0 1 0 、，r 一一 n 0 0 0 - n d l 0 uu 也伍抑 也0 3 0 0 0 8 0 00 0 8 0 20 0 8 0 40 0 8 0 6 0 0 8n 0 8 1 0 + 图5 - 2 5l m s 故障时间内行波波形图 f i g 5 - 2 5t r a v e l i n gw a v et h r o u g hd u r a t i o no f f a u l t ( 1 m s ) 波形类似于接地电阻1 0 0 0 欧时的情况，分析电缆两端测得的故障电流行波 波形，可以得到故障行波第一次到达首、末端时刻分别为0 0 8 0 0 4 6 9 3 s ， 0 0 8 0 0 1 9 7 8 s ，代入双端量测距公式( 3 5 ) 、( 3 6 ) ，可以得到故障点至首、末端 故障距离分别为：7 0 3 6 k i n 、2 9 6 4 k m ，误差分别为o 5 1 、1 2 。 变联聚乙搠巴力电缆故障分析与定位技术研究 5 3 1 4 小结 由以上短路、低阻、高阻故障类型下对双端量电缆故障定位技术的仿真分 析可以看出，虽然随着接地电阻的增加，故障行波幅值减小，波形突变也变得 不明显，但是故障行波第一次到达电缆两端时刻容易确定，通过测距公式计算 得出的故障距离误差很小，在3 5 m 左右。 5 3 2 电缆长度1 0 k m ，故障点在中间( 5 k m ) ，高阻故障( 1 0 0 0 f 2 ) 仿真分析 由于电力电缆发生故障绝大部分是高阻故障，有必要对高阻故障做进一步 的分析研究。 图5 2