電纜故障在線檢測研究

任艷霞++朱超

文章編號：2095-6835（2016）13-0088-02

摘 要：簡要分析了電纜故障中最常見的單相接地故障的電流波形，圍繞行波法故障定位闡述了故障電流的行波傳播特征，并介紹了基于行波法的電力電纜故障測距算法。所得結(jié)論可為電力電纜故障的在線診斷提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電力電纜；在線診斷；暫態(tài)行波；測距算法

中圖分類號：TM762.2+5 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.088

根據(jù)電纜故障點絕緣電阻的不同，可將故障分為開路故障、低阻故障和高阻故障，而高阻故障又分為泄漏性故障和閃絡(luò)性故障。在這些常見的故障中，發(fā)生頻率最高的是單相接地故障。本文以單相接地故障為基本研究內(nèi)容，分析了基于行波法的電力電纜故障測距算法。

1 單相接地故障波形分析

中性點接地方式有很多種，主要有以下3種，即中性點直接接地系統(tǒng)、中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)和中性點不接地系統(tǒng)。對于前兩種情況，由于故障發(fā)生時的電流比較大，所以，比較容易從電流中獲得暫態(tài)信息。而對于后一種情況，由于故障電流比較小，經(jīng)過衰減的故障電流中所攜帶的暫態(tài)信息到達測量端后不易被識別。

利用PSCAD仿真軟件對直接接地和不接地系統(tǒng)進行模擬實驗，可以得到故障波形的具體特征。小電阻接地故障的波形類似于直接接地，而通過消弧線圈接地故障的波形類似于不接地故障。

設(shè)置A相接地故障，結(jié)合仿真實驗，得到了電流波形特征，具體如圖1所示。

由圖1可知，在直接接地和不接地方式下，故障電流信號中的高頻信息能夠提供大量的暫態(tài)特征，對故障測距有積極的作用。直接接地系統(tǒng)故障回路的低阻抗使高頻幅值維持在比較低的水平，所以，擴大局部環(huán)節(jié)能夠輕易識別出行波在故障點和測量端反射波頭的情況。在中性點不直接接地系統(tǒng)中，由于不直接接地系統(tǒng)故障回路的阻抗高，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)故障電流變小，高頻信息非常明顯。但是，因為高頻信息本身的幅值比較小，一旦過渡電阻的阻值過大，它的幅值就會更小，實際的干擾信息會掩蓋這些高頻信息，所以，必須對信號進行必要的處理，從而得到有效的故障暫態(tài)信號。

2 故障電流行波傳播特性

2.1 行波傳播特性分析

電纜中共有6個模量，其中，a模、b模、c模是從電纜的屏蔽層注入的，d模、e模、f模是從電纜的導(dǎo)體注入的。在單相接地故障中，對行波的分析主要是對d模的分析。當(dāng)發(fā)生相間短路故障時，對行波的研究則主要依靠對e模和f模的研究。為了讓行波傳播速度保持同步，研究中只能選用高頻率的信號作為分析對象。在現(xiàn)實數(shù)據(jù)應(yīng)用采樣中選用低頻率信號作為研究對象，同時，還要滿足高頻率信號的高衰減系數(shù)的研究信號頻率不能過高的要求。通過對各種因素的綜合考慮，本文研究對象可以選擇的高頻信號范圍是幾十至幾百千赫茲。

衰減常數(shù)和相位常數(shù)與多種因素密切相關(guān)，比如電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)、長度等。對于低頻率的行波，它可以實現(xiàn)較長距離的傳送，而且衰減系數(shù)也小。例如，1×104 Hz的行波傳播6 000 m后只衰減了1/10，但是，當(dāng)行波為1×106 Hz時，其只傳送了200 m就出現(xiàn)了同樣的衰減量。

2.2 電流行波的頻譜分析

為了研究相關(guān)分析的科學(xué)性和高頻信號選擇的可靠性，可以分析電流行波的頻譜，對比、分析不同頻率分量對應(yīng)幅值的結(jié)果可以知曉相關(guān)研究的正確性。

在分析不接地故障的電流波形時，具體的研究對象為發(fā)生故障時的電流波形片段，其信號電流波形結(jié)果如圖2所示。圖2中涉及到了對工頻成分和故障行波復(fù)合信號的分析。考慮到采樣定理，可以將分析信號頻率的最大值確定在這個范圍：|ωk|≤1/2Δt.其中，Δt代表的是采樣間隔，Δω=1/T代表的是頻率的精細度，T代表的是采樣周期。在此，只分析最高頻率即可。當(dāng)Δt為1/2 μs時，通過計算得到頻率最大值為1×106 Hz。提高采樣頻率可以研究更高的頻率。

3 基于行波法的電力電纜故障測距算法分析

一旦電力電纜發(fā)生故障，就會出現(xiàn)在輸電線路上傳播的故障行波。該行波有在故障點和兩端母線處反射、透射的特性。故障波和干擾波可以根據(jù)故障行波的暫態(tài)特性區(qū)分開，結(jié)合小波分析計算出故障行波到達檢測點的時間及其折反射波抵達檢測點的時間，從而測定故障距離。

具體算法可以參照圖3.其中，t1、t2和t3分別代表的是故障發(fā)生時行波抵達A端母線的時間點、B端母線反射波抵達A端母線的時間點和故障點反射波抵達A端母線的時間點。使用小波變換可以得到最初的連續(xù)2個小波變換模極大值之間的時延和相對極性，進而計算出故障距離。

將第一個模極大值點所對應(yīng)的入射行波波頭到達的時間記為tl，第二個模極大值點所對應(yīng)的來自于對端母線或者是故障點的反射波波頭到達的時間記為t2或者t3，則模極大值之間的時延為：

Δt =tl-t2. （1）

Δt =t3-t1. （2）

如果使用來自對端B母線的反射行波，那么，故障距離x為：

x=L-v×Δt/2. （3）

如果使用來自故障點F的反射波，那么，故障距離x為：

x= v×Δt/2. （4）

式（3）（4）中：L為被檢測電纜線路的全長；v為行波線模分量的傳播速度。

4 結(jié)論

本文建立在對單相接地故障電流波形分析的基礎(chǔ)上，以行波法故障定位為中心，利用小波變換等變換域處理方法，通過對行波電流突變點的檢測分析出突變點的時間特征，從而完成電力電纜故障的在線檢測。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕