基于單端行波法的電纜護層故障定位研究

解志剛

摘 要：提出一種新型電纜護層故障測距方法，它是利用單芯電纜發生單相護層接地故障時產生的暫態電流行波進行實時的故障定位，稱之為單端行波法故障定位；對電纜進行相模變換，分析電纜故障時行波的傳播特點，根據此傳播特點提出電纜波速現場測試的方法，通過選擇合適的模量進行故障定位；最后通過PSCAD/EMTDC仿真分析驗證了該方法的正確性。

關鍵詞：電纜護層故障 故障定位 相模變換 PSCAD/EMTDC

中圖分類號：TM2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0104-04

Abstract：A new for fault location has been developed which uses fault-generated transient waves to perform real-time fault location on single-phase cable systems that up to 10 mile in length. Sagami on cable conversion. Analysis the characteristics of cable fault traveling wave propagation. This propagation characteristics of the proposed method based on the velocity field test cable. Fault location by selecting a suitable modulus； Finally， verified the correctness of this method by PSCAD / EMTDC simulation.

Key Words：Sheath Fault of Cable；Fault Location；Phase-mode Transformation；PSCAD/EMTDC

城市中心的擴大化以及隨之而來的對電力需求的增長，導致高壓電纜輸電系統的應用越來越廣泛。與架空線路相比電纜具有成本高的特點，但能應用于一些架空線路不適用的場合，如跨越大水道及直接從高壓輸電線路引進城市和工業區中心等，在此背景下對電纜故障定位的研究也越顯重要。在低壓配網中使用的電力電纜大部分為三芯電纜，但在高電壓輸配電中，由于耐壓要求提高，電纜的絕緣層加厚、斷面很大，制造施工均非常困難，這時往往選擇單芯電纜。與三芯電纜相比，單芯電纜的導芯和金屬護層之間相當于一個單匝變壓器，導芯電流的磁通有相當大的部分與金屬護層交鏈，并在金屬護層上產生感應電壓，高壓單芯電纜的外護套一旦發生故障，造成金屬護層多點接地，會產生環流，其發熱將加速電纜老化，縮短電纜壽命。另外，故障處進水也會造成電纜受潮。所以高壓單芯電纜在運行中要求護層絕緣良好，對其護層故障的檢測也就具有重要意義。

現有電纜外護層故障定位方法有：低壓脈沖反射法；直流電橋法；直流壓降比較法；直流電阻法等，這些故障測距法都只能在停電電纜上進行，而高壓電纜一般都是重要的輸電線路，長時間的停電是不可能的。而且大城市高壓電纜多埋設在瀝青、水泥路面下，增加了測距的難度。此外，有些方法要人為地向故障電纜施加高壓脈沖，對電纜絕緣造成損壞，縮短了電纜的使用壽命。本文提出了一種新型的單端行波法故障定位法，它是根據故障時暫態電流的特點對間芯護層電纜進行實時故障定位。

1 行波測距法

1.1 常用行波測方法分析

表1列出常見行波測距法的類型、測距原理和優缺點分析。行波法的離線測量方法有低壓脈沖反射法、脈沖電壓法、脈沖電流法等，這也是目前在現場普遍采用的方法。這些方法存在以下問題：（1）反射波的識別問題，而且在近區還存在無法識別反射波的死區。（2）行波的波速不確定性也會影響行波測距精度；（3）現場電流互感器的動態時延也會對行波測距精度產生影響。

2 護層接地故障時行波傳播特點研究

單芯電纜發生單相護層接地故障時，多點接地多由一點接地發展而來，甚至發生多點接地故障時認為其接地效應是由流過短路電流最大的一點決定，故本文只考慮單芯電纜單相護層一點接地情況。電纜發生單相護層接地故障時，會在故障點產生暫態行波，暫態行波疊加在故障前的穩態波上就形成了故障波形。為了便于研究故障產生的暫態行波特點，人為地在某一相電纜護層上注入脈沖電流波，模擬單相護層接地故障，記錄下三相電纜護層上的暫態波形。

采用PSCAD仿真，仿真接線圖如圖1（以A相護層接地為例）。電纜長10 km，為單端接地系統。在不接地端發生單相護層接地故障，故障發生在0.02 s，為永久性故障。仿真波形包括了0.5 Hz～1 MHz所有頻段的信號。采樣頻率1 MHz。以下波形圖截取了從0.002～0.0032 s在原接地點檢測到的故障波形。

為準確取得數據，將仿真數據運用MATLAB工具作圖，取故障發生時刻0.002 s為時間基點。

當A相護層一點接地故障時，波形如下。

結合圖3和表2來依次分析各個脈沖的性質。脈沖①是故障波第一次到達檢測端，而且附近沒有其它脈沖，那么脈沖①應該為線模，且是三個線模分量（模4、模5和模6）的疊加。67則為線模傳輸整個電纜長的時間。脈沖③到達時間201恰為67的3倍，顯然是線模經故障點反射后再次到達接地測的時間。同理可得，脈沖⑤為第二次反射回來的線模分量。脈沖②是繼線模后第一個到達的地模分量。147為模2傳輸整個電纜長的時間。脈沖⑥、脈沖⑧分別為兩次反射回來的模2分量。脈沖④既不是線模也不是模2，那么應該是又一個地模分量。脈沖⑦、脈沖⑨分別為兩次反射回來的模3分量。綜上，脈沖①③⑤表征線模分量，脈沖②⑥⑧表征模2分量，脈沖④⑦⑨表征模3分量，模1分量檢測不到。各模分量在各相的分布情況，得出以下結論：（1）雖然A相、B相、C相都有線模分量，但B相、C相很小，幾乎檢測不到；（2）三相均有模2分量，A相、C相的模2分量完全相同，且為B相幅值的一半、極性相反；（3）只有A相、C相有模3分量，且兩者同幅值、反極性。endprint

同理可以分析B相護層一點接地時的情況可得出以下結論：（1）B相有很大的線模分量，而其它相幾乎檢測不到；（2）三相均有模2分量。A相、C相的模2分量完全相同，且為B相幅值的一半、極性相反；（3）檢測不到其它模量。A相和C相都是以B相為中心對稱布置的邊相。因此，C相護層接地短路故障與A相完全相同。

由以上分析可得，當電纜單相護層發生接地故障時，故障相上會有相當大的線模分量，而非故障相的很小。這是因為故障相行波是各個模分量的疊加，且各個模分量同號，因此故障相行波幅值較大。而非故障相的行波雖也是由各個模分量疊加，但各模分量不會是同號，因而造成非故障相行波幅值較低。

當A相、C相故障時，A相、C相既有模2又有模3；但當B相故障時，A相、C相就只有模2分量了。這是因為單相短路故障時，非故障相行波是通過空間耦合過去的，只有故障相產生的行波模式才能在非故障相中出現。由于B相短路故障只有線模和模2分量，所以A、C相此時也只有線模分量和模2分量。以上結論可用作故障判相的依據。在接地點測得的波形中線模分量大的即為故障相。同時，由于明確了不同故障下模量的傳播特點，就可以選取適當的模量進行故障定位。

3 電纜護層故障的單端行波定位方法

3.1 測距原理

故障產生的暫態電流行波從故障點向電纜兩端傳播，分別在故障點與接地點間、故障點與開路點間往返傳播。兩者的傳播不相干擾，但可能互有透射，但這種影響可通過對波的極性的判斷來消除。記錄接地點的故障波形，于波形中提取待分析模量的特征點，運用相應速度進行故障測距。本文提出兩種測距方案。

（1）方案一：提取線模前兩次到達接地側的時刻，假設第一次到達時間為，第二次到達時間為，則故障點離接地點距離：

（2）方案二：分別提取線模第一次到達接地側的時刻與模2第一次到達的時刻，則故障點離接地點距離：

以上方案中所運用到的速度、都是在電纜尚未故障時測得，在故障定位中看作已知量。

3.2 電纜行波波速的測量

電纜故障時產生的行波可分解為地模和線模，無論選用哪種模量或方法（單端和雙端）來進行故障測距，都必須先確定波速，然后根據波速與時間的關系確定故障點的距離。然而，無論哪種模量在線路上傳播的速度都是不確定的。波速是影響行波測距精度的主要因素，其計算取決于電纜的結構和大地的電阻率的分布，土壤的電阻率隨氣候變化劇烈，線路的分布電感隨地區和線路結構的不同而不同。故僅依靠計算所得波速來定位是不夠的，需要給出現場實測波速。運用在電纜護層加脈沖的方式，很容易分辨出各個模量，并記錄下各個模量從故障點傳輸至接地點的時間T。由于電纜長度已知，故障又發生在電纜末端，實際上知道了故障距離為L。那么，模量傳播速度可求：

這在現場也易實現。

根據上節仿真數據，可求出三種模量的波速為：

4 仿真驗證

為簡單起見，設置故障距離為電纜全長，即10 km。為節省計算量，故障發生時刻設定為0.07 s，此時三相護層電流還未達穩態值，研究表明這樣做不影響對暫態電流的分析。先分析C相護層故障的情況。

由圖4可見，故障相波形變化相當明顯，易判斷故障發生在哪一相上。硬件實現時，可根據線模分量最大的一相是故障相來判別。圖5為故障相波形。圖6為圖5的局部放大圖，從故障時刻0.07～0.0712 s，并在圖中標注出奇異點。將接地側波形的數據與圖3中的數據相對照，不難發現時刻69us、204 us、341 us分別對應圖3中的模量①、③、⑤，是線模；時刻149 us對應模量②，是模2。則。

（1）由方案一計算故障距離.

絕對誤差

相對誤差

（2）由方案二計算故障距離。

絕對誤差

相對誤差

由以上分析可以看出，只要能夠準確捕捉到故障波形前幾個奇異點，無論是利用哪種方案測距，誤差都不會很大。

圖6還給出了故障點波形，它實際上是測不到的，在這里給出是為了與接地側波形相對照。由圖可見，在仿真過程中，故障波的產生與設置的故障發生時刻也有一定差異（故障發生時刻為0，故障波第一個奇異點對應時刻是2），這也是接地測波形上的奇異點數據與圖3中數據差別所在。故在兩種測距方式中都只能用到時間差。

由圖6還可以看到，故障波形反射幾次后奇異點就不好檢測了，即模量已衰減掉了。那么，易檢測到的實際上只有前兩次到達的線模分量和第一次到達的模2分量。它們的位置關系也基本不變，為分析提供了方便。

A相故障可作類似分析。B相故障略有不同，下面作簡要分析（如圖7）。

由圖7可見，B相護層故障時，故障相波形變化看起來不明顯，但放大后同樣易檢測到各模量到達時刻。

由仿真結果可以得到幾點結論。

（1）故障距離越大，測距精度越高。這是因為故障距離小的時候，故障行波在故障點與接地點間往返一次的時間短，各個模量疊加在一起不好分辨。（2）運用方案二比方案一測距精度高。只要能準確確定兩種模量的波速，方案二用的都是第一次到達接地側的模量，不僅易檢測奇異點，而且可以部分排除故障波延遲的影響。

參考文獻

[1] 宋國兵，李森，康小寧，等.一種新相模變換矩陣[J].電力系統自動化，2007，31（14）：57-60.

[2] Robertsondc，Campsoi，Mayerjs，et al.Waveletsand Electro-magnetic Power SystemTransients[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，1996，11（2）：1050-1058.

[3] 覃劍，陳祥訓，鄭健超.不同故障類型情況下行波傳播特點的研究[J].電網技術，2009（1）：54-56.

[4] 李明華，閏表江，嚴漳.高壓電纜故障測距及定位方法[J].高壓電器，2012，12（16）：38-40，52.

[5] 劉毅剛，許繼葵.高壓電纜護套故障及其對策[J].高電壓技術，2012，7：41-42.

[6] L.M.Wedepohl，D.J.Wilcox，Transient Analysis of Underground Power-Transmission Systems， Proc.IEE.Vol.120，NO.2，Feb.1973pp.253-260.

[7] N.Inoue，T.Tsunekage，S.Sakai，On-line Fault Location System for 66KV Underground Cables with Fast A/D Technique，IEEE Transactions on Power Delivery，Vol.9，NO.1，January.endprint

同理可以分析B相護層一點接地時的情況可得出以下結論：（1）B相有很大的線模分量，而其它相幾乎檢測不到；（2）三相均有模2分量。A相、C相的模2分量完全相同，且為B相幅值的一半、極性相反；（3）檢測不到其它模量。A相和C相都是以B相為中心對稱布置的邊相。因此，C相護層接地短路故障與A相完全相同。

由以上分析可得，當電纜單相護層發生接地故障時，故障相上會有相當大的線模分量，而非故障相的很小。這是因為故障相行波是各個模分量的疊加，且各個模分量同號，因此故障相行波幅值較大。而非故障相的行波雖也是由各個模分量疊加，但各模分量不會是同號，因而造成非故障相行波幅值較低。

當A相、C相故障時，A相、C相既有模2又有模3；但當B相故障時，A相、C相就只有模2分量了。這是因為單相短路故障時，非故障相行波是通過空間耦合過去的，只有故障相產生的行波模式才能在非故障相中出現。由于B相短路故障只有線模和模2分量，所以A、C相此時也只有線模分量和模2分量。以上結論可用作故障判相的依據。在接地點測得的波形中線模分量大的即為故障相。同時，由于明確了不同故障下模量的傳播特點，就可以選取適當的模量進行故障定位。

3 電纜護層故障的單端行波定位方法

3.1 測距原理

故障產生的暫態電流行波從故障點向電纜兩端傳播，分別在故障點與接地點間、故障點與開路點間往返傳播。兩者的傳播不相干擾，但可能互有透射，但這種影響可通過對波的極性的判斷來消除。記錄接地點的故障波形，于波形中提取待分析模量的特征點，運用相應速度進行故障測距。本文提出兩種測距方案。

（1）方案一：提取線模前兩次到達接地側的時刻，假設第一次到達時間為，第二次到達時間為，則故障點離接地點距離：

（2）方案二：分別提取線模第一次到達接地側的時刻與模2第一次到達的時刻，則故障點離接地點距離：

以上方案中所運用到的速度、都是在電纜尚未故障時測得，在故障定位中看作已知量。

3.2 電纜行波波速的測量

電纜故障時產生的行波可分解為地模和線模，無論選用哪種模量或方法（單端和雙端）來進行故障測距，都必須先確定波速，然后根據波速與時間的關系確定故障點的距離。然而，無論哪種模量在線路上傳播的速度都是不確定的。波速是影響行波測距精度的主要因素，其計算取決于電纜的結構和大地的電阻率的分布，土壤的電阻率隨氣候變化劇烈，線路的分布電感隨地區和線路結構的不同而不同。故僅依靠計算所得波速來定位是不夠的，需要給出現場實測波速。運用在電纜護層加脈沖的方式，很容易分辨出各個模量，并記錄下各個模量從故障點傳輸至接地點的時間T。由于電纜長度已知，故障又發生在電纜末端，實際上知道了故障距離為L。那么，模量傳播速度可求：

這在現場也易實現。

根據上節仿真數據，可求出三種模量的波速為：

4 仿真驗證

為簡單起見，設置故障距離為電纜全長，即10 km。為節省計算量，故障發生時刻設定為0.07 s，此時三相護層電流還未達穩態值，研究表明這樣做不影響對暫態電流的分析。先分析C相護層故障的情況。

由圖4可見，故障相波形變化相當明顯，易判斷故障發生在哪一相上。硬件實現時，可根據線模分量最大的一相是故障相來判別。圖5為故障相波形。圖6為圖5的局部放大圖，從故障時刻0.07～0.0712 s，并在圖中標注出奇異點。將接地側波形的數據與圖3中的數據相對照，不難發現時刻69us、204 us、341 us分別對應圖3中的模量①、③、⑤，是線模；時刻149 us對應模量②，是模2。則。

（1）由方案一計算故障距離.

絕對誤差

相對誤差

（2）由方案二計算故障距離。

絕對誤差

相對誤差

由以上分析可以看出，只要能夠準確捕捉到故障波形前幾個奇異點，無論是利用哪種方案測距，誤差都不會很大。

圖6還給出了故障點波形，它實際上是測不到的，在這里給出是為了與接地側波形相對照。由圖可見，在仿真過程中，故障波的產生與設置的故障發生時刻也有一定差異（故障發生時刻為0，故障波第一個奇異點對應時刻是2），這也是接地測波形上的奇異點數據與圖3中數據差別所在。故在兩種測距方式中都只能用到時間差。

由圖6還可以看到，故障波形反射幾次后奇異點就不好檢測了，即模量已衰減掉了。那么，易檢測到的實際上只有前兩次到達的線模分量和第一次到達的模2分量。它們的位置關系也基本不變，為分析提供了方便。

A相故障可作類似分析。B相故障略有不同，下面作簡要分析（如圖7）。

由圖7可見，B相護層故障時，故障相波形變化看起來不明顯，但放大后同樣易檢測到各模量到達時刻。

由仿真結果可以得到幾點結論。

（1）故障距離越大，測距精度越高。這是因為故障距離小的時候，故障行波在故障點與接地點間往返一次的時間短，各個模量疊加在一起不好分辨。（2）運用方案二比方案一測距精度高。只要能準確確定兩種模量的波速，方案二用的都是第一次到達接地側的模量，不僅易檢測奇異點，而且可以部分排除故障波延遲的影響。

參考文獻

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[3] 覃劍，陳祥訓，鄭健超.不同故障類型情況下行波傳播特點的研究[J].電網技術，2009（1）：54-56.

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[5] 劉毅剛，許繼葵.高壓電纜護套故障及其對策[J].高電壓技術，2012，7：41-42.

[6] L.M.Wedepohl，D.J.Wilcox，Transient Analysis of Underground Power-Transmission Systems， Proc.IEE.Vol.120，NO.2，Feb.1973pp.253-260.

[7] N.Inoue，T.Tsunekage，S.Sakai，On-line Fault Location System for 66KV Underground Cables with Fast A/D Technique，IEEE Transactions on Power Delivery，Vol.9，NO.1，January.endprint

同理可以分析B相護層一點接地時的情況可得出以下結論：（1）B相有很大的線模分量，而其它相幾乎檢測不到；（2）三相均有模2分量。A相、C相的模2分量完全相同，且為B相幅值的一半、極性相反；（3）檢測不到其它模量。A相和C相都是以B相為中心對稱布置的邊相。因此，C相護層接地短路故障與A相完全相同。

由以上分析可得，當電纜單相護層發生接地故障時，故障相上會有相當大的線模分量，而非故障相的很小。這是因為故障相行波是各個模分量的疊加，且各個模分量同號，因此故障相行波幅值較大。而非故障相的行波雖也是由各個模分量疊加，但各模分量不會是同號，因而造成非故障相行波幅值較低。

當A相、C相故障時，A相、C相既有模2又有模3；但當B相故障時，A相、C相就只有模2分量了。這是因為單相短路故障時，非故障相行波是通過空間耦合過去的，只有故障相產生的行波模式才能在非故障相中出現。由于B相短路故障只有線模和模2分量，所以A、C相此時也只有線模分量和模2分量。以上結論可用作故障判相的依據。在接地點測得的波形中線模分量大的即為故障相。同時，由于明確了不同故障下模量的傳播特點，就可以選取適當的模量進行故障定位。

3 電纜護層故障的單端行波定位方法

3.1 測距原理

故障產生的暫態電流行波從故障點向電纜兩端傳播，分別在故障點與接地點間、故障點與開路點間往返傳播。兩者的傳播不相干擾，但可能互有透射，但這種影響可通過對波的極性的判斷來消除。記錄接地點的故障波形，于波形中提取待分析模量的特征點，運用相應速度進行故障測距。本文提出兩種測距方案。

（1）方案一：提取線模前兩次到達接地側的時刻，假設第一次到達時間為，第二次到達時間為，則故障點離接地點距離：

（2）方案二：分別提取線模第一次到達接地側的時刻與模2第一次到達的時刻，則故障點離接地點距離：

以上方案中所運用到的速度、都是在電纜尚未故障時測得，在故障定位中看作已知量。

3.2 電纜行波波速的測量

電纜故障時產生的行波可分解為地模和線模，無論選用哪種模量或方法（單端和雙端）來進行故障測距，都必須先確定波速，然后根據波速與時間的關系確定故障點的距離。然而，無論哪種模量在線路上傳播的速度都是不確定的。波速是影響行波測距精度的主要因素，其計算取決于電纜的結構和大地的電阻率的分布，土壤的電阻率隨氣候變化劇烈，線路的分布電感隨地區和線路結構的不同而不同。故僅依靠計算所得波速來定位是不夠的，需要給出現場實測波速。運用在電纜護層加脈沖的方式，很容易分辨出各個模量，并記錄下各個模量從故障點傳輸至接地點的時間T。由于電纜長度已知，故障又發生在電纜末端，實際上知道了故障距離為L。那么，模量傳播速度可求：

這在現場也易實現。

根據上節仿真數據，可求出三種模量的波速為：

4 仿真驗證

為簡單起見，設置故障距離為電纜全長，即10 km。為節省計算量，故障發生時刻設定為0.07 s，此時三相護層電流還未達穩態值，研究表明這樣做不影響對暫態電流的分析。先分析C相護層故障的情況。

由圖4可見，故障相波形變化相當明顯，易判斷故障發生在哪一相上。硬件實現時，可根據線模分量最大的一相是故障相來判別。圖5為故障相波形。圖6為圖5的局部放大圖，從故障時刻0.07～0.0712 s，并在圖中標注出奇異點。將接地側波形的數據與圖3中的數據相對照，不難發現時刻69us、204 us、341 us分別對應圖3中的模量①、③、⑤，是線模；時刻149 us對應模量②，是模2。則。

（1）由方案一計算故障距離.

絕對誤差

相對誤差

（2）由方案二計算故障距離。

絕對誤差

相對誤差

由以上分析可以看出，只要能夠準確捕捉到故障波形前幾個奇異點，無論是利用哪種方案測距，誤差都不會很大。

圖6還給出了故障點波形，它實際上是測不到的，在這里給出是為了與接地側波形相對照。由圖可見，在仿真過程中，故障波的產生與設置的故障發生時刻也有一定差異（故障發生時刻為0，故障波第一個奇異點對應時刻是2），這也是接地測波形上的奇異點數據與圖3中數據差別所在。故在兩種測距方式中都只能用到時間差。

由圖6還可以看到，故障波形反射幾次后奇異點就不好檢測了，即模量已衰減掉了。那么，易檢測到的實際上只有前兩次到達的線模分量和第一次到達的模2分量。它們的位置關系也基本不變，為分析提供了方便。

A相故障可作類似分析。B相故障略有不同，下面作簡要分析（如圖7）。

由圖7可見，B相護層故障時，故障相波形變化看起來不明顯，但放大后同樣易檢測到各模量到達時刻。

由仿真結果可以得到幾點結論。

（1）故障距離越大，測距精度越高。這是因為故障距離小的時候，故障行波在故障點與接地點間往返一次的時間短，各個模量疊加在一起不好分辨。（2）運用方案二比方案一測距精度高。只要能準確確定兩種模量的波速，方案二用的都是第一次到達接地側的模量，不僅易檢測奇異點，而且可以部分排除故障波延遲的影響。

參考文獻

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[7] N.Inoue，T.Tsunekage，S.Sakai，On-line Fault Location System for 66KV Underground Cables with Fast A/D Technique，IEEE Transactions on Power Delivery，Vol.9，NO.1，January.endprint