（高电压与绝缘技术专业论文）电力电缆故障诊断技术的研究.pdf

摘要 电力电缆故障诊断技术的研究 摘要 随着电力电缆应用成本的下降和城市电网改造工作的开展，电 力电缆获得了越来越广泛的应用。但是，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理论性研究，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。 该方法考虑了非均匀传输线的非均匀性，从电磁波的暂态过 程分析故障波形的特点，使问题的分析更接近于实际。 在仿真算例部分，本文运用v c + + 7 0 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。其中重点对在电缆故障中占大比例的高阻故障，进 行了细致的比较。并且结合工程实际中的故障波形进行比较，可 以从电磁波动的角度更好的理解故障波形的特点，方便现场的处 理。 关键字：电缆故障传输线波动方程计算步长脉冲宽度 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fp o w e rc a b l e s f a u l tl o c a t i o n a b s t r a c t w i t ha p p l i c a t i o nc o s t sd e c r e a s i n go f p o w e r c a b l ea n d r e b u i l d i n go fp o w e r n e t w o r k , p o w e rc a b l ei sb e i n gw i d e l yu s e d b u lu n t i ln o w , t h e r eh a v en o te f f i c i e n t m e t h o d so n p o w e r c a b l ef a u l tl o c a t i o n t h r o u g hr e s e a r c ho n p r i n c i p l ea n da p p r o a c h ， t h i sp a p e rs u m m a r i z et h em e r i ta n dd e f e c to fa l ik i n d so fm e t h o d si np o w e rc a b l e f a u l tl o c a t i o n t h e n p o i i l to u t t h el o c a l i z a t i o na n d a p p l i c a b i l i t yo f c a c h m e t h o d s t h i sp a p e ri sat h e o r yr e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fp o w e rc a b l e sf a u l t l o c a t i o n i ti sb a s e do ne o n v e n f i o n a lw a n s m i s s i o nl i n em o d e l w ea d o p tf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h i n ko v e rt h em u t u a li n d u c t a n c eo fe a c hs e c tc i r c u i t r yi n f i n i t y c a b l e s t h e ne d u c et h en e ww a v e e q u a t i o n a n d t h e n a d o p t t h em e a s l n co f n u m e r i c a l v a l u e a n a l y s e ， t h i sm e t h o dc o n s i d e rt h eh e t e r o g e n e o u sc h a r a c t e ro ft r a n s m i s s i o nl i n e ，w e a n a l y s et h ec h a r a c t e ro f f a u l tl o c a t i o nw a v e ，i ti sb a s e do i lt h et r a n s i e n tp r o c e s so f e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，s o w er l l a k et h er e s u l tb ed o s e dt ot h ep r a c t i c e m o r e o v e r , t h em e t h o d sa b o v eh a v eb e e ns i m u l a t e du s i n gv c + + 7 0 a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l ti sl o wr e s i s t a n c ef a u l t y 曲r e s i s t a n c e f a u l t 、i o p e n c i r c u i tf a u l t a c c o r d i n g t o c h a n g e t h ep a r a m e t e ro ft h ep o w e rc a b l e s ( p o w e rc a b l e s l e n g t h ， a c c o u n t s t e p ，i m p u l s ew i d t h , f a u l tl o c a t i o n ) e s p e c i a l l y w et a l ka b o u tt h e h i g h r e s i s t a n c ef a u l t a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o ng r a p ha n dp r o j e c tp r a c t i c e ，t h i sp a p e r s u m u p a l lk i n d so f r u l e s k e y w o r d s ：c a b l ef 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 ；w a v ee q u a t i o n ；a c c o u n ts t e p ； i m p u l s e w i d t h 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 己获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文：( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 盟塑煎 至! ! 至：6 ：! ! 导师签名垒竺! 熏 日期：兰堡! 暨! 旦! 1 9 符号说明 符号说明 以f 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明。 咒 电缆断路故障电阻 咫 电缆短路故障电阻 b ，r ：，玛，r 。 电桥法测量电阻 电缆全长 t 电缆故障点到测量端的距离 厶 电缆故障点到末端的距离 d二线传输线的轴线间的距离 y电力电缆波的传播的速度 r 单位长度的电阻 皖 单位长度的漏电导 c o 单位长度的对她电容 厶 单位长度的电感 乙 传输线的波阻抗 u + i +正向电压波与电流波 u 一i 一反向电压波与电流波 f ，kx ，z 方向上的单位向量 e r 。h 1 e h s 与j 方向垂直的电场强度和磁场强度向量 电场强度和磁场强度向量 波印亭向掇 v r 符号说明 v ：吴f + 吴，+ 昙| | ：吴“v r 微分算子矿 玉却。如 。 曰舭)任意点& ，j ，) 的磁感应强度 l il c 葭 “i ，j f 心 y 成 7 。 传输线的内外自感 电流密度 传输线第i 段的电压和电流 穿过两线之问轴向单位长度中的外磁通链 磁导率常数 电磁导率常数 电介质常数 电压反射系数 电流反射系数 第l 章结论 1 1 引言 第1 章绪论 随着电缆应用成本的下降和城市电网改造【1 1 2 1 2 作的开展，电力 电缆获得了越来越广泛的应用，在一些城市的市区已逐步取代架空 线路。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。地下电缆一旦发生故障，寻找起来十分困难，不仅需浪费大 量的人力物力，而且还将带来难以估量的停电损失。到现在为止， 如何准确、迅速、经济地查找出故障点仍是一个难度非常大的课题， 日益受到国内各供电企业和学者的关注。 近二十年来，国内外学者在输电线路故障测距特别是架空输电 线路故障测距作了大量的研究工作，提出了许多实用的方法。比较 架空线路和电缆线路，在故障测距方面，虽然两者之间有相通之处， 但也存在明显的不同之处1 2j 。比如，架空线路较长，其故障可以观 察，测距结果相对而言也可以较为粗略，其结果甚至可以与实际故 障距离误差数百米甚至上千米，但对于长度相对较短的电缆线路来 说，因为电缆线路故障是不可观测的，如果结果相差数百米，那么 就已失去了测距的价值。因此，电缆线路要求有更为精确的测距方 法。 本文的任务就是在现有的电力电缆故障测距方法的基础上，通 过在原理和方法上进行深入研究，提出在原理上更精确、工程上更 实用的故障测距方法。 1 1 1 电力电缆的发展意义1 3 】 现代电网正逐步向超高压，远距离，大容量发展。城市电网商 电压、大截面、超大长度电力电缆的普遍使用，极大地带动了电力 电缆的发展。电力电缆的发展经历了由p d f 电缆一纸绝缘电缆 一x l p e - - g i s 的发展过程。特别是x l p e ( 交联聚乙烯电缆) 第1 章绪论 已经成为中高压输电系统的主要产品。近几年随者电力网络的洲际 化、国际化、海底电缆的应用更加频繁。进入二十一世纪，随着人 们日益对自己的居住和生活环境的关心，电力传输的环境问题已经 成为关注的一个焦点，环保的重要性也日益显著。这将对电力传输 及其相关产品的可持续发展及企业生存带来深远的影响。 1 1 2 电力电缆的性能优越性1 5 】 目前我国电力系统中主要采用两种传输线路即：架空明线和电 力电缆。架空明线是裸导线或绝缘导线架空敷设，靠绝缘子实现电 气绝缘和机械固定。电缆的结构比架空线复杂，它除了有电缆心( 导 体外) ，还具有承受电网电压的绝缘层，以及包覆在绝缘层上，使 其长期保持绝缘性能的保护层。电压等级稍高的电缆，其导体外和 绝缘层外，还用半导体或金属材料制成的屏蔽层。电力电缆经常采 用作发电厂、变屯所以及工矿企业的动力引入( 或引出) 线，当线 路在过江、过近海、过铁路处，也常采用电力电缆。电力电缆与架 空线比，具有如下优点： ( 1 ) 电缆敷设在地下。不占地面空间，同一地下电缆通道， 可以容纳多回线路； ( 2 ) 在城市道路和大型工厂，用电力电缆供电，有利于市容、 厂容整齐美观； ( 3 ) 自然气象条件( 如风雨、雷电、盐雾) 和周围环境对电 缆影响小； ( 4 ) 电缆隐蔽在地下，对人体比较安全，供电可靠性高： ( 5 ) 电缆线路的运行维护费用比较小。 1 1 3 电力电缆故障的安全意义1 6 1 安全是最大的效益，电网的安全运行更是关系到国计民生。美 1 9 6 5 一1 9 7 5 年统计的3 2 8 5 次电气火灾事故中，电线电缆火灾事故 就占3 0 5 ，直接损失约4 0 0 0 万美元。日本曾对电力、钢铁、石 油化学、造纸等工厂企业调查，有7 8 的单位发生过电缆着火，其 中危害程度较大的事故占4 0 。国内，据有关资料统计，近2 0 年 2 第1 章绪论 来，我国火电厂发生电缆火灾1 4 0 次，其中1 9 8 6 一1 9 9 2 年7 年间竞 达7 5 次。有2 4 个电厂发生过二次及以上电缆火灾事故。7 0 以上 的电缆火灾所造成的损失非常严重，其中2 5 的火灾事故造成特大 损。1 9 7 5 一1 9 8 5 年问，因电缆着火燃烧造成的重大事故发生6 0 起， 造成直接和间接损失达5 0 多亿元。 1 1 4 电力电缆故障探测理论的意义 电力电缆故障探测方法最早是在二战前提出的，发展到今天已 经出现了诸如：电桥法l ”、驻波法i s l 等经典理论方法，以及五十年 代的低压脉冲法【9 1 、七十年代的脉冲电压法【1 0 】、八十年代的脉冲 电流法【1 1 1 等现代行波法。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 2 1 。但实际应用中非均匀传输线的非均匀性我们是要必须考虑的， 为此我们应用电磁场理论( 考虑互感作用) 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。 综上所述，通过从电力电缆的发展、优越性、故障危害、理论 方法的创新等方面，我们可以得出：对电力电缆的故障探测的研究 有着重要的理论意义和应用价值，对于电力系统也是一个非常迫切 需要解决的问题。 1 2 电力电缆故障产生的原因 1 3 l 电力电缆的故障原因可大致归纳如下： ( 1 ) 绝缘老化变质。电缆绝缘长期在电磁作用下工作，要受 到伴随电磁作用而来的化学、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。 ( 2 ) 过热。电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热，使绝缘炭 第1 章绪论 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 ) 机械损伤。如挖掘等外力造成的损伤。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 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。 ( 8 ) 设计和制作的工艺问题。 1 3 电力电缆故障的分类 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 或导体之问的绝缘下降，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。 文献 1 4 定义电缆故障为：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 ) 。而文献 1 5 等将电缆 故障分为：开路故障、低阻故障和高阻故障三种类型。下面对这一 分类法作一简单介绍。 1 3 1 开路故障5 j 若电缆相i 训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。如图卜l 4 第1 章绪论 在a 相a 点存在有电阻矗k ，当凤= 一，即为断线故障，这是开路 故障的特例。 图1 1电缆故障示意图 f i g u r e 1 1s k e t c hm a po ff a u l tl o c a t i o nf o rc a b l e s 1 3 2 低阻故障【1 5 】 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l l ，当b 相b 点对地电阻r 。= o 时，为短 路故障，这是低阻故障的特例。 1 3 3 高阻故障i i 5 】 电缆相问或相对地绝缘损坏，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 1 6 1 二种类型。 1 4 国内外电缆测距的理论方法 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、 _ 次脉冲法、现代行波改进法。 1 9 7 0 年以前，通常使用电桥法及低压脉冲反射法测试电力电 缆敞障，两者对低阻故障很准确，但对高阻故障不适用。其后出现 r 直流闪测法和冲击闪测法，分别测试间歇故障及高阻故障两者 都均可分为电流和电，e 闪测法。电压法可测率高，波形清晰易判， 百区比电流法少一倍，但接线复杂，分压过大时对人及仪器有危险； 第1 章绪论 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【1 6 】，即结合高压发生器冲击 闪络技术，在故障点起弧的瞬问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，是目前最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_ 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 4 1 电桥法i j 这是一种经典测试方法。 a 图1 2电桥电路接图 f i g u r ei 一2 h o o k u po fb r i d g e b 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 - 2 b 给出了等效电路图。仔细调节月2 数值，总 町以使电桥平衡，即c d f j 的电压差为零，无电流流过检流计，此 时根据电桥平衡原理可得： 第1 章绪论 匙，且= 墨足 r i 、r 2 为已知电阻，设：r t l r , ? = k ，则r j i r ，= 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，、 上。分别为电缆故障点到测量端及末端的距离，则r 3 可用( l + 工o ) 尺。代替，胄4 可以用厶r o 代替。根据式( 卜1 ) 可推出： 而l o = l l x ，所以： 三+ 厶= 磊文 l x = 2 l l ( k + 1 1 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 电缆断路故障也可用电容电桥测量，原理与上述电阻电桥类似。 1 4 2 驻波法 s l 此方法是将电力电缆作为高频传输线，利用传输线上的驻波谐 振现象对电缆的开路故障和相间或相对地电阻值较低的一类故障 进行测量。此方法目前已很少使用。 1 4 3 低压脉冲反射法【1 7 】 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1 0 。 1 。 糟一一 碍睁矮a 簪韵 i 鹊 j u i l 蓉头反射r 窟射鼻抻l y ，f 略垃_ 豆射 垒长i l f l翳垃反甜 射 第1 章绪论 图1 3 低压脉冲原理图 f i g u r e1 3p r i n c i p l em a p o fl o w v o l t a g ei m p u l s e 低压脉冲法用于测量电缆的低阻、开路或短路故障，将脉冲信 号自测试端送入被测试电缆，该脉冲将沿电缆传播当遇到阻抗不匹 配点( 故障点或中间接头) 时，由于阻抗失配形成反射，脉冲返回 到测量端并被记录下来。根据脉冲入射到返回所经过的时间4 r 和 电波在电缆中的传播速度v ，可以计算出传播路径的长度，进而得 到测试点到故障点的距离l ，具体计算公式为： 1 厶= 丁v ( 卜4 ) z 通过反射脉冲的极性可以判断故障的性质。对于开路故障发射 脉冲与反射脉冲同极性；而对于短路或低阻故障发射脉冲与反射脉 冲反极性。 由上式可看出，脉冲在电缆中的传播速度对于准确地计算出故 障距离很关键。在不清楚电缆的传波速度的情况下，如已知被测电 缆的长度，根据发射，脉冲与电缆终端反射脉冲之间的时间，可 推算出电缆中的波速v = 2l ，4r 。 1 4 4 脉冲电压法f 1 7 】 7 0 年代发展起来的用于测量高阻与闪络故障的方法。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问来测距。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 。 第l 章绪论 j高压组件麓l j 图1 4 冲击高压闪络测试法线路原理图 f i g u r el 一4p r i n c i p l em a p o 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 要一定的时问，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。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铡试法。 按图1 - 4 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 上的电压通过球问隙的 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问) 。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 9 第l 章绪论 电缆和球问隙之问串接一电感线圈l ( 几微享到几十微享) 组成电 感微分电路：因为电感对突跳屯压有较大的阻抗，有了它，就可以 借助于录波器观察到来回反射的电压波形。 1 4 5 脉冲电流法f l 7 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。 也包括直闪法和冲闪法两种类型。 1 4 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。应用的实验平台是v c + + 7 0 。 1 5 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 l t 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f 1 引。 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，通过设于丌路点附近的传感 器得到脉冲信号，测出其脉冲间隔时问实现测距【”j 。但这种方法 征实际电网中存在局限性。 o 第1 章绪论 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 2 0 1 。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1 2 “。 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。 ( 附表一) 表1 1电力电缆故障及检测方法 丁a b i e1 1f a u i tl o e a t i o nf o rc a b i e s 1 6 本课题研究的意义 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； 第l 章绪论 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。 1 7 行波法所面临的问题h 训 因为工程实际中采用的脉冲波并不是标准的波形，所以在现场 录的波形复杂，难以变认。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1 2 引。 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1 2 3j 【2 4 l 【2 5 1 。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，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1 章绪论 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 8 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 缆的故障之问的关系，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。 必须指出的是，电缆线路结构多变，系统运行方式多样，故障 类型复杂，每一种故障测距算法都有其自身的优点，也都有其适用 的范围。本文所提出的电缆线路故障测距方法是分别针对现有各种 方法所存在的问题所提出来的。各有侧重，方法的适应条件也有所 不同，可以说这三种方法是互补的。单独运行是不能满足系统运行 的要求的。本文所提出的行波法离线测距，适用于地下电缆输配电 线路除三相短路接地之外的其他各种故障情况。到目前为止国内电 缆故障测距几乎都是离线进行，在线行波测距并未真正实现。 第2 章行波测距的原理 第2 章行波测距的原理 2 1 传输线理论的有关概念2 6 】 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。 2 1 1 传输线的概念1 7 】 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 1 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。 2 i 3 一次参数【2 6 】 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；i 司时，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：两线问的电场使导线间存在 着分布电容，也分布存整个导线长度 二；另外两根平行的导线，虽 然相互是绝缘的，似任何绝缘物质的电阻系数都是有限值，这样， 只要两根导线h j 存有电压，就必然会有漏电流，即表明两导线自j 存 1 4 第2 章行波测距的原理 有电导。这些沿线分布的电阻r o 、电感三。、电容c d 、电导g 。，都以 单位长度进行计量。这四个参数都是传输线的最基本的参数( 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。 2 1 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 。和电感 上。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 g u r e2 - 1d i s t r i b u t i n go fs i m p l ep 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 口分量，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。 2 1 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、电流波之问的关系，用波阳抗( 也 称特性阻抗) z o 来描述。经分析可知，电缆的波阻抗可用o 、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io - 4 0 欧左右。对于正向电压波 旷与电流波f + 之间，满足关系： 第2 章行波测距的原理 u + + = z 0( 2 - 1 ) 而对于反向电压波矿与电流波f 之间，则有： l ，。= g o( 2 2 ) 由式( 2 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。 i 习堕兰一 u i ：，。 一o h = 。_ 一_ 二二f o ab 图2 2 电流行波的极性 f i g u r e2 - 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。 2 1 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 l 。阻抗不匹配点等效阻抗为z 2 ，见图2 3 ，则电压反射系 第2 章行渡测距的原理 数为： p 。= 坼u , = ( z i z 2 ) “z l + 五) ( 2 - 3 ) 图2 3 行波的反射 f i g u r e2 - 3 r e f l e a c to fw r 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 q z ,( 2 - 4 ) 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 l ( 2 5 ) 由式( 2 - 3 ) 、 ( 2 - 4 ) 、 ( 2 - 5 ) 推出，阻抗不匹配点的电流反射 系数： 2 露，t 2 一u f u s 2 ( 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。 2 1 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 i 、z 2 时， 则透射系数： 第2 章行波测距的原理 ，= 鲁= 焘( 2 - 7 ) 可以推出透射系数与反射系数之间的关系为： 1 + 成= - y 图2 4 行波的透射 f i g u r e 2 4 t r a n s m i s s i o no fw a v e ( 2 8 ) 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： ，：揣：害昌 (29)212kl + 足z n + 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l o 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 。 来表示；则得到有损耗均匀传输线 2 7 1 ( 注：具体的公式推倒见第 四章) 的基本方程式为： 塞= 一彤一乞象 第2 章行波测距的原理 象= 屯u 一象 将上面式子( 2 1 0 ) 对时间求偏导数，式子( 2 11 ) 对空间坐 标x 求偏导数，然后综合在一起，可得到： 堕o x z = l o g o 。0 。2 i 一+ ( 心+ g o l o ) 瓦m + r o c o i ( 2 - 1 2 ) 雾= l o c 0 5 伊7 “+ ( n o c o 坞g 临o u + r o g o u ( 2 这就是有损耗均匀传输线中的电压、电流满足衰减的波动方程 ( 也称为电报方程) ，同时可以将输电线路的传输线表示为以分布 参数表示的等值电路1 4 7 】。 图2 5 分布参数表示的等值电路 f i g u r e2 - 5d i s t r i b u t i n gp a r a m e t e r 从图2 5 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： u c 墨，2 正( 一詈】+ 正( + 号) 。2 一。4 ， = u + 【t 一詈】十“一【z 十詈) i c 毛t ，= i + 【t 一詈) + i 【t 十詈】 第2 章行波测距的原理 u + f f 一兰) u - f + 三l = 业一业 ( 2 - 1 5 ) o o 式中z o 为特性阻抗，t t + “一三1 表示以速度v 向( + z ) 方向传播的 入射波：“一i + i 表示以速度v 向( x ) 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 1 4 ) 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、电流常常是时问的正弦函数，所以有必 要分析均匀传输线基本方程组的正弦稳态解。根据电磁场理论，可 知在这种情况下，有损耗均匀传输线的波动方程的通解为： u ( z ) = u 。e - “+ ue “ ， ) = i 。e - 7 z + ie t z ( 2 16 ) ( 2 一l7 ) 其中t = 扳百干面i 而i 砀= n + 妒，式中矿和d 一为积分常数， 要根据边界条件确定。n 描述波幅衰减的快慢，故称为衰减常数； 卢描述相位的改变率，故称为相位常数，由它们组成的r 称为传播 常数，式中相速”= u 卢。这样有损耗均匀传输线的速度： 砉= 孚= 淞一别+ ；捂翻( 2 - 1 8 ) 从上看出，其速度小于无损耗均匀传输线的传播速度 一糯。式子( 2 - 、( 2 - 1 5 ) 表示，电压波和电流波同时存在， 相伴而行的。二者的比值决定与线路的参数： 等一z c = 跞( 2 - 1 9 ) z o 称为线路的波阻抗，单位是欧姆。 第2 章行波测距的原理 2 3 小结 本章内容是详细阐述了传输线波过程中用到的有关概念，在电 力系统暂态分析的过程中，往往暂态过程更能反映详细的波的流 动。像其中电压电流反射系数、折射系数等概念，在电力电缆的 开路故障、短路故障、以及低阻故障、高阻故障中都起了重要的作 用。另外，对于不同的电力电缆故障，行波测距中的行波源，我们 进行了分析。 2 i 第3 章波动方程的公式推导 第3 章波动方程的公式推导 3 1 电磁场理论中传输线波动方程的推导2 7 i 本章讨论均匀传输线中t e m 波的传输特性。准备从微分形式的 电磁场基本方程组出发，分析t e m 波中电场和磁场的特点，再把它 们和均匀传输线中的积分量电压“和电流f 联系起来，从而把“场” 的问题转化成“路”的问题进行讨论。 3 1 1 由完纯导体( j ，= o 。) 组成的两线均匀传输线，并且导 线周围的介质是理想的( p ：0 ) ( 如图3 1 ) s _ + 刀 图3 1 传输线中的能量 f i g u r e3 1 p o w e ro ft r a n s m i s s i o nl i n e 该传输线的轴向长度可和被导引电磁波的波长相比拟( 或更长 些) ，但二线传输线的轴线问的距离d 必须较被导引的电磁波的波 长短的多，即d ，只有这样，才能忽略该方向上的推迟效应， 否则，就不能将传输线的基本方程组和积分量”、f 唯一的联系起 来。