電力電纜故障距離診斷及檢測(cè)探析

馬梁

（晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平公司設(shè)計(jì)中心，山西晉城048000）

1 工頻量故障測(cè)距法

1）阻抗法。a.基本原理：假設(shè)輸電電纜在不同故障情況下所算出的系統(tǒng)阻抗與故障測(cè)距裝置安裝處到電纜故障發(fā)生點(diǎn)的距離成正比；b.減小過(guò)渡電阻的影響：為了減小過(guò)渡電阻對(duì)輸電電纜故障測(cè)距結(jié)果的影響，很多人一直在努力進(jìn)行大量研究，微處理器的發(fā)展及應(yīng)用也為減小過(guò)渡電阻對(duì)故障測(cè)距的影響提供了幫助［1］。

2）故障分析法。故障分析法是測(cè)量故障發(fā)生時(shí)的電流值和電壓值，然后對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)時(shí)得出故障發(fā)生點(diǎn)的距離。與前面介紹的阻抗法故障測(cè)距最大的不同之處是不用測(cè)量電纜的阻抗，其適應(yīng)性更為廣泛。單側(cè)電氣量算法利用一側(cè)的電流、電壓值；雙側(cè)電氣量法要用到輸電電纜兩側(cè)的電流值和電壓值。

3）故障時(shí)的電壓法的基本原理。電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障點(diǎn)處的電壓值最小。找到故障電纜上電壓的極值即為故障點(diǎn)。電壓的極值是指最小電壓或者最大電壓點(diǎn)。但電纜發(fā)生故障，電纜故障發(fā)生點(diǎn)的短路相或者相間電壓最小，故障分量的電壓在故障發(fā)生點(diǎn)最大。為了準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位，輸電電纜需要用分布參數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算，以減小誤差。要對(duì)輸電電纜各點(diǎn)的電壓進(jìn)行比較，首先要得到各點(diǎn)的電壓，再確定最小電壓。

2 行波測(cè)距原理與分類(lèi)

行波故障測(cè)距法的優(yōu)點(diǎn)為精度高、速度快。行波測(cè)距法在原理上分為單端法和雙端法兩種。單端法是利用行波在輸電電纜故障點(diǎn)反射和透射的特點(diǎn)，測(cè)得反射波的時(shí)間，根據(jù)波速、時(shí)間和距離之間的關(guān)系算得故障距離；雙端法是利用輸電限流故障時(shí)的行波向輸電電纜兩端傳播的特性，在輸電電纜的兩端分別測(cè)量初始行波，根據(jù)到達(dá)輸電電纜兩端的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)距。實(shí)際上也可以在系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，人為向系統(tǒng)注入脈沖信號(hào)，以和故障行波信號(hào)同樣的道理測(cè)得故障距離。把輸電電纜故障時(shí)系統(tǒng)本身發(fā)出的行波信號(hào)作為測(cè)距信號(hào)進(jìn)行單端測(cè)距叫做A型法，把輸電電纜故障時(shí)系統(tǒng)本身發(fā)出的行波信號(hào)作為測(cè)距信號(hào)進(jìn)行雙端測(cè)距叫做B型法，人為注入脈沖作為測(cè)距信號(hào)叫做C型法［2］。

3 各種測(cè)距方法的優(yōu)劣比較

3.1 單端和雙端測(cè)距法比較

1）工頻量單端和雙端測(cè)距法比較。工頻量的單端法是基于輸電電纜一端的電壓和電流量來(lái)計(jì)算故障距離，單端測(cè)距主要還存在以下問(wèn)題：a.電纜故障時(shí)過(guò)渡電阻的存在或系統(tǒng)等效阻抗的變化對(duì)測(cè)距準(zhǔn)確度的影響；b.輸電電纜或雙端測(cè)距系統(tǒng)的阻抗的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)測(cè)距結(jié)果的嚴(yán)重影響。

2）行波法單端和雙端測(cè)距比較。

a.單端行波測(cè)距法的優(yōu)點(diǎn)：第一，單端行波測(cè)距法比雙端行波測(cè)距法的投資成本降低了一半，可以不用時(shí)間定位或兩端數(shù)據(jù)通信等，故障測(cè)距結(jié)果的實(shí)時(shí)性比較高；第二，如果能準(zhǔn)確判斷出電纜故障點(diǎn)返回測(cè)量點(diǎn)的行波，由于故障測(cè)距不受兩端設(shè)備和時(shí)間不一致的影響，測(cè)距的精度基本能夠滿(mǎn)足電力系統(tǒng)對(duì)故障測(cè)距精確度的嚴(yán)格要求，而且通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)大量的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，基本可以保證故障測(cè)距的誤差要求。

b.單端行波測(cè)距法的缺點(diǎn)主要在于原理上的缺陷。行波的極性和最大值（也就是幅值）是行波信號(hào)最重要的特征之一，在很多電力系統(tǒng)線路接線結(jié)構(gòu)和多種故障情況下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單端測(cè)距，而且，此法還存在測(cè)量死區(qū)的問(wèn)題。

c.雙端行波法是根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的向輸電電纜兩側(cè)母線運(yùn)動(dòng)的行波到達(dá)兩側(cè)母線的時(shí)間之差來(lái)計(jì)算故障距離，理論上可靠性較高。

d.雙端行波法的優(yōu)點(diǎn)：第一，由于輸電電纜的兩端都只測(cè)量第一次到達(dá)的初始行波，不易受輸電電纜的過(guò)渡電阻、電力系統(tǒng)運(yùn)行方式、輸電電纜的分布電容等影響，所以雙端行波測(cè)距法比單端行波測(cè)距法測(cè)距結(jié)果的可靠性更高；第二，雙端行波測(cè)距法的測(cè)距結(jié)果一般都能夠滿(mǎn)足電力系統(tǒng)對(duì)精確故障測(cè)距的嚴(yán)格要求，測(cè)距誤差基本可以保證；第三，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)或?qū)崪y(cè)參數(shù)推算輸電電纜的總長(zhǎng)度經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

e.雙端行波測(cè)距法的缺點(diǎn)主要是：第一，雙端行波測(cè)距裝置的投資成本比較高，而且還需要GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)以及輸電電纜兩側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相通信等；第二，在多回路電纜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用原理上存在嚴(yán)重不足，需要用單端行波測(cè)距法配合測(cè)距，來(lái)彌補(bǔ)其不足之處。

3.2 工頻量和行波測(cè)距法比較

在初期資金投入方面來(lái)看，工頻量測(cè)距法可以利用已有的大量的已投運(yùn)的設(shè)備，硬件投資相對(duì)較小，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)比較容易；而行波測(cè)距法不同，它需要另外增加專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，硬件投資較多，技術(shù)要求也比較復(fù)雜。但是在故障測(cè)距計(jì)算所需處理時(shí)間上，行波測(cè)距法明顯要比工頻量故障測(cè)距法好很多。處理時(shí)間主要是指測(cè)量電壓和電流信號(hào)的時(shí)間。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，切除故障的時(shí)間將大大縮短，但故障切除的時(shí)間仍然會(huì)比行波信號(hào)的采集時(shí)間長(zhǎng)了很多。以工頻測(cè)距法來(lái)說(shuō)，要想縮短時(shí)間，難度非常大。測(cè)距精度是故障測(cè)距首先要考慮的最重要的指標(biāo)，在原理上，行波測(cè)距法受過(guò)渡電阻和電纜不對(duì)稱(chēng)等因素的影響很小，精度高于工頻量測(cè)距法；但行波測(cè)距法存在反射波的識(shí)別問(wèn)題，且有死區(qū)問(wèn)題，但工頻量測(cè)距法可以輕松實(shí)現(xiàn)近距離的故障測(cè)距，且結(jié)果較準(zhǔn)確，這一點(diǎn)上，兩種測(cè)距算法不相上下。

4 現(xiàn)有故障測(cè)距方法的改進(jìn)

基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS同步技術(shù)的純雙端行波故障測(cè)距裝置已經(jīng)在電力輸電系統(tǒng)應(yīng)用多年，該裝置利用的是輸電線路發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)電壓行波信息。大量的理論分析和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這種故障測(cè)距裝置的精確度可以繼續(xù)縮小，或者說(shuō)應(yīng)用于電纜故障測(cè)距的誤差會(huì)更加小。

單端量行波故障測(cè)距裝置的基本原理是在輸電電纜發(fā)生故障時(shí)，利用故障測(cè)距點(diǎn)感受到的由故障初始行波浪涌經(jīng)測(cè)量端母線反射后所形成的第1個(gè)正向行波浪涌與來(lái)自故障方向的第2個(gè)反向行波浪涌之間的時(shí)延計(jì)算得出輸電電纜故障點(diǎn)的距離，其中正向行波與反向行波分別是測(cè)量點(diǎn)暫態(tài)電壓與暫態(tài)電流關(guān)于輸電電纜波阻抗的線性組合。但是由于以下幾個(gè)方面的原因，目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)只采用故障時(shí)的電流行波信號(hào)進(jìn)行輸電電纜故障測(cè)距：第一，輸電電纜故障時(shí)的暫態(tài)電壓行波信號(hào)不容易獲取；第二，輸電電纜的波阻抗也不容易準(zhǔn)確獲得；第三，當(dāng)變電站的母線上出線回路數(shù)比較多時(shí)，電力系統(tǒng)可靠性相對(duì)比較穩(wěn)定，輸電電纜發(fā)生故障時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的電壓變化影響很小，也就是說(shuō)輸電電纜發(fā)生故障時(shí)的暫態(tài)電壓行波信號(hào)比較弱，異常現(xiàn)象不太明顯，但是故障時(shí)的暫態(tài)電流行波信號(hào)卻比較強(qiáng)，故障時(shí)的現(xiàn)象比較明顯。

那么現(xiàn)在就以同一條母線上任一條非故障的電纜作為參考電纜，通過(guò)比較由故障電纜的暫態(tài)電流和該條參考電纜的暫態(tài)電流形成的反向行波浪涌與其對(duì)應(yīng)的正向行波浪涌的極性，就可以識(shí)別出來(lái)自輸電電纜故障方向的行波浪涌，并且消除來(lái)自參考電纜遠(yuǎn)端母線的反射波和各種行波信號(hào)擾動(dòng)的影響。

5結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電力系統(tǒng)輸電電纜的故障測(cè)距方法進(jìn)行了全面的論述，對(duì)常用的阻抗法、故障分析法、行波法的原理也加以說(shuō)明，最后對(duì)各種測(cè)距方法進(jìn)行了比較，并提出了自己的想法，希望對(duì)今后的工作有所幫助。

［1］ 林子翔，樊璟.常用電力電纜故障診斷方法及檢測(cè)手段［J］.科技資訊，2014（8）：101-102.

［2］ 楊春宇.電力電纜故障分析與診斷技術(shù)的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.