利用故障特征頻帶和TT變換的電纜單端行波測(cè)距

楊曉杰

摘? 要：相較于架空線路，電纜線路的行波色散問(wèn)題更加嚴(yán)重，因此對(duì)電纜線路行波速度的確定，以及準(zhǔn)確測(cè)定故障行波到達(dá)電纜線路的時(shí)間是一個(gè)較為重要的內(nèi)容。將單端的行波暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分解或者重新構(gòu)造，使其形成多個(gè)頻帶的信號(hào)，然后再針對(duì)去特征進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。計(jì)算時(shí)要確保使用計(jì)算方式的合理性，每個(gè)頻帶信號(hào)兩端的波頭系數(shù)就是計(jì)算的重點(diǎn)內(nèi)容。在計(jì)算時(shí)要選擇最大的頻帶信號(hào)作為特征頻帶，該頻帶的中心頻率就是計(jì)算電纜行波速度的重要數(shù)據(jù)，要確保其準(zhǔn)確性。在特征頻帶中采用TT變換算法，對(duì)行波波頭到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行精確確定。這就是基于故障特征頻帶與TT變換的電纜線路單端行波測(cè)距方法，在高壓電纜故障測(cè)距中加以運(yùn)用，能夠提高效果及精確度。

關(guān)鍵詞：

中圖分類號(hào)：TM77? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）16-0054-02

Abstract： Compared with overhead lines， the problem of traveling wave dispersion of cable lines is more serious， so it is more important to determine the traveling wave velocity of cable lines and accurately determine the time of fault traveling waves arriving at cable lines. The single-ended traveling wave transient signal is decomposed or reconstructed to form a signal with multiple frequency bands， and then the corresponding calculation is carried out according to the de-characteristics. In the calculation， it is necessary to ensure the rationality of the calculation method， and the wave head coefficient at both ends of each band signal is the key content of the calculation. In the calculation， the largest frequency band signal should be selected as the characteristic frequency band， and the central frequency of this frequency band is the important data for calculating the traveling wave velocity of cable， so it is necessary to ensure its accuracy. In the characteristic frequency band， the TT transform algorithm is used to accurately determine the arrival time of the traveling wave head. This is the cable line single-ended traveling wave ranging method based on fault characteristic band and TT transform， which can improve the effect and accuracy when used in high-voltage cable fault location.

Keywords： fault characteristic frequency band; TT transform; cable line single-ended traveling wave ranging

引言

近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，電纜基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也越來(lái)越多，發(fā)生故障的概率也隨之增加。受電纜敷設(shè)方式特殊性的影響，發(fā)生故障后無(wú)法直觀地對(duì)故障進(jìn)行檢查，因此加強(qiáng)對(duì)電纜故障測(cè)距方式的研究對(duì)于提高電纜安全與穩(wěn)定具有重要意義。離線測(cè)量是電纜故障測(cè)距的傳統(tǒng)方法，會(huì)造成測(cè)距效果不佳、容易影響電纜壽命等問(wèn)題，無(wú)法滿足新時(shí)期電纜故障測(cè)距的需求。利用行波對(duì)電纜故障進(jìn)行測(cè)距是改善傳統(tǒng)測(cè)距方法弊端的重要方式。行波測(cè)距在電力故障測(cè)距中得到了一定的運(yùn)用，但對(duì)于頻率相關(guān)更強(qiáng)、色散更嚴(yán)重的電纜而言，運(yùn)用行波測(cè)距時(shí)必須要考慮到行波起始點(diǎn)與恒定行波波速帶來(lái)的誤差。對(duì)暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行小波分解和重構(gòu)成，選取多個(gè)頻帶信號(hào)中的一個(gè)作為特征頻帶，并根據(jù)其中心頻率進(jìn)行波速檢測(cè)及達(dá)到時(shí)刻確定，以提高電纜線路故障測(cè)距準(zhǔn)確度。

1 確定故障特征頻帶的方法以及行波速度的測(cè)定方法

什么是小波分解呢？實(shí)際上就是指將原信號(hào)的頻帶進(jìn)行分離之后的不同頻帶信號(hào)再通過(guò)小波重構(gòu)濾掉高頻噪聲，僅保留有用的信號(hào)，這個(gè)過(guò)程就被稱之為小波分解。在小波分解完成后，可以發(fā)現(xiàn)，初始波頭以及故障點(diǎn)發(fā)射出的反射波頭他們的頻帶特征都會(huì)有一定的差異性。特征頻帶的選擇需要選取最能代表行波波頭的頻帶，然后在特征頻道中進(jìn)行行波到達(dá)時(shí)刻的確定及波速的確定。從故障點(diǎn)的反射波時(shí)域表達(dá)式中可以觀察到，故障點(diǎn)的反射波也就是被延時(shí)之后的電纜初始行波波頭，那么就可以得出：初始行波波頭與故障點(diǎn)所凸顯出來(lái)的反射波頭是相似的。用對(duì)應(yīng)的分析計(jì)算法得出每個(gè)頻帶下初始波頭和反射波頭的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)更大，說(shuō)明在這一頻帶之下，初始行波波頭與故障點(diǎn)所呈現(xiàn)出的發(fā)射波頭之間也就越相似，呈現(xiàn)出的特征也就越明顯。因此，這一頻帶被稱作為“特征頻帶”。

從各層小波重構(gòu)系數(shù)來(lái)看，當(dāng)出現(xiàn)近端電纜故障問(wèn)題時(shí)，高頻分量的衰弱程度會(huì)相對(duì)減弱，因此可以知道：在此頻帶下，初始行波與故障發(fā)射波之間，所表現(xiàn)的系數(shù)是越來(lái)越大，因此也就把一頻帶叫做特征頻帶。如果是出現(xiàn)遠(yuǎn)端電纜行波故障，其故障點(diǎn)的反射波的頻帶行波分量衰弱的速度也就越快，同時(shí)故障點(diǎn)呈現(xiàn)出的反射系數(shù)也會(huì)隨過(guò)渡電阻的增加而降低，導(dǎo)致在行波頻率到達(dá)可測(cè)量點(diǎn)時(shí)，初始的行波發(fā)生了變化。由此可以得出結(jié)論，雖然故障出現(xiàn)的位置有差異，但是行波的特征頻段移動(dòng)的方向都是一致的。

可以通過(guò)計(jì)算兩個(gè)行波波頭呈現(xiàn)出來(lái)的相關(guān)系數(shù)，來(lái)進(jìn)行確定相關(guān)的參數(shù)，同時(shí)需要將不同頻帶呈現(xiàn)出的中心頻率記錄下來(lái)，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，頻帶不同，行波的速度也會(huì)有一定的差異。

2 TT變換算法在波頭到達(dá)時(shí)刻確定中的運(yùn)用

2.1 TT變換的簡(jiǎn)單概述

TT變換是一種實(shí)時(shí)分析法，也就是通過(guò)對(duì)信號(hào)時(shí)域進(jìn)行局部的分析之后，將其轉(zhuǎn)化為二維時(shí)域的展示狀態(tài)。TT變換法可以有效規(guī)避信號(hào)噪音對(duì)頻率造成的影響，被廣泛運(yùn)用于多種頻率成分信號(hào)的局部化中。TT變換雖然來(lái)源于S變換，但相較于S變換，其對(duì)于信號(hào)時(shí)域特征的描述方面具有更好的優(yōu)勢(shì)，可以使表達(dá)出的信號(hào)故障初始時(shí)間更加的準(zhǔn)確。TT變換分析方式具有極性特征，在非平穩(wěn)信號(hào)的處理方面具有十分好的優(yōu)勢(shì)。

TT變換分析方式是一種將一維的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為二維時(shí)域信號(hào)的分析方式，在對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行局部轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，其頻率的聚焦處理方面有著較好的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⒌皖l信號(hào)壓制住，并且突出高頻信號(hào)。另外高頻分量的一個(gè)最大特征就是行波波頭的到達(dá)時(shí)刻一直都是保持在一定的標(biāo)準(zhǔn)中。這是由于TT變換方式具有較好的極性特點(diǎn)，可以將行波波頭的起始時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)算出。根據(jù)TT變換的頻譜展示圖可以看出，越靠近對(duì)角線，其能量越高。

2.2 行波到達(dá)時(shí)刻的確定

選取兩個(gè)特殊序列并加以分析，可以看出高頻成分比低頻成分的幅值高，但是原信號(hào)中的低頻分量的幅值是比較高頻分量的幅值更高。

在行波測(cè)距的過(guò)程中，會(huì)把初始行波的到達(dá)時(shí)間作為檢測(cè)到達(dá)兩個(gè)側(cè)端的最高頻率分類的到達(dá)時(shí)間，而其中TT變換中對(duì)元素的能源是大于遠(yuǎn)離對(duì)角線的。而且可以分析得出，對(duì)角元素周圍的高頻成分相比較低頻成分，高頻成分的積極能力更強(qiáng)，總的來(lái)講，以對(duì)角線元素為中心的分布范圍對(duì)頻率分布是有著一定影響的，分布范圍越窄，低頻分布也就越廣[4]。

另外從緊支性方面來(lái)分析，TT變換的緊支區(qū)間相比較小波函數(shù)，要小一些，所以TT變換的局部化能力更強(qiáng)，進(jìn)而得出TT變換對(duì)行波波頭到達(dá)時(shí)刻的確定更加準(zhǔn)確的結(jié)論。分別用TT變換和小波函數(shù)對(duì)行波波頭的到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行確定。

2.3 小波變換與TT變換結(jié)合的行波測(cè)距

首先，將暫態(tài)行波信號(hào)進(jìn)行小波分解并重構(gòu)，選擇其中相關(guān)系數(shù)最大的頻帶為特征頻帶，利用該頻帶的中心頻率進(jìn)行波速確定，再利用TT變換確定行波波頭的到達(dá)時(shí)刻，然后用電阻性障礙、電弧故障對(duì)測(cè)距方法進(jìn)行說(shuō)明[2]。

如果當(dāng)外部條件恒定，電弧電流在一定的時(shí)間之內(nèi)，維持某一值的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電弧電導(dǎo)值，在對(duì)電弧特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)候，其電弧電壓可以被看作是一個(gè)方波信號(hào)，而方波信號(hào)也就是奇次諧波累加。通過(guò)方波信號(hào)來(lái)判斷奇次諧波和偶次諧波，奇次諧波越大，偶次諧波也就越小。

3 結(jié)束語(yǔ)

TT變換會(huì)受到電纜線路參數(shù)頻便特性對(duì)行波傳播特性的影響，所以為了提高測(cè)距準(zhǔn)確性，在利用TT變換進(jìn)行電纜故障測(cè)距的時(shí)候，需要將小波變換與TT變換相結(jié)合來(lái)進(jìn)行行波測(cè)距。首先要將故障暫態(tài)信號(hào)用小波進(jìn)行分解和重構(gòu)，選取最能體現(xiàn)行波特征的頻帶為特征頻帶，然后用該頻帶的中心頻率來(lái)進(jìn)行波速計(jì)算;TT變換中對(duì)角元素附近的高頻成分距離能力更高有限支撐更窄，便于行波波頭到達(dá)時(shí)刻的確定，所以將小波與TT相結(jié)合進(jìn)行行波測(cè)距能夠提高行波測(cè)距的準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)：

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