電力電纜故障測(cè)距分析與應(yīng)用

胡善福

摘 要：本文研究電力電纜故障測(cè)距問(wèn)題，建立ATP-EMTP 的地下電力電纜模型，先建立地下電力電纜模型，電力電纜發(fā)生事故時(shí)，模擬電氣訊號(hào)，并應(yīng)用軟件，實(shí)施小波變換的多重解析，對(duì)故障測(cè)距信號(hào)進(jìn)行分析，并實(shí)地進(jìn)行電力電纜故障測(cè)距，與資料比較驗(yàn)證研究結(jié)果的正確性。結(jié)果表明，部分放電的檢測(cè)搭配小波變換可提高訊號(hào)的識(shí)別率，藉由理論基礎(chǔ)應(yīng)用在電纜的雜訊消除，以提供診斷設(shè)備劣化的準(zhǔn)確性。藉由小波變換后能更容易觀察出故障點(diǎn)波形，且可以縮短故障測(cè)距時(shí)的誤差，可有效提升線上即時(shí)故障測(cè)距判斷的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：電力電纜；故障；測(cè)距

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1 引言

為了維護(hù)城市整潔、美觀與安全，大量的電力電纜埋設(shè)于地下。地下電力電纜可能會(huì)因供電中受到外力的破壞、蟲害、絕緣劣化與人為施工不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊懚鸸收稀Ｓ捎陔娏﹄娎|埋設(shè)于地面以下，難以及時(shí)偵測(cè)故障位置，使得維修時(shí)間延長(zhǎng)，引起用戶不滿。因此，如何快速且準(zhǔn)確偵測(cè)電力電纜故障點(diǎn)，成為盡快排除電纜故障，恢復(fù)供電的關(guān)鍵。

地下電力電纜故障測(cè)距方法很多，這些方法用于不同的故障情況，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。早期應(yīng)用的是阻抗法，其缺點(diǎn)是只能用于低阻故障測(cè)距，此方法已很少使用。后來(lái)出現(xiàn)了行波法，行波法又可分低壓脈沖反射法、脈沖電壓法、脈沖電流法等，目前國(guó)內(nèi)基本上只采用電流行波，即脈沖電流法進(jìn)行故障測(cè)距。脈沖電流法是利用電流行波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，使用線性電流耦合器，平行地放置在低壓側(cè)地線旁，不用與高壓回路直接連接，安全性強(qiáng)、使用方便。

2 故障行波的傳播

故障行波形成和傳播的過(guò)程類似于雷電波的傳播過(guò)程。波動(dòng)方程可用行波電流、電壓和導(dǎo)線參數(shù)的關(guān)系表示：

式（1）（2）中的L為電感，單位：H/KM（亨利/公里），i 和u 為距故障點(diǎn)x 處電流和電壓，C 為單位長(zhǎng)度電容，單位：F/KM（法拉/公里）；上式通解為如下公式：

當(dāng)線路某點(diǎn)發(fā)生金屬性故障時(shí)，兩端的電壓行波、電流行波、方向行波可用如下解析式表達(dá)：

ZC表示線路波阻抗，n表示行波從故障點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到M、N母線的時(shí)間，“+”表示正向行波，“-”表示反向行波，-e（t）表故障分量網(wǎng)絡(luò)中的附加電壓源。m 、n表行波在M、N端的反射系數(shù)，m 、n中下標(biāo)m、n分別代表線路的M端和N端。

3 電力電纜故障偵測(cè)實(shí)例

3.1 電力電纜故障偵測(cè)設(shè)備

應(yīng)用脈沖電流法對(duì)故障電纜進(jìn)行測(cè)距，主要設(shè)備有脈沖發(fā)生器和故障掃描指示器等。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，工程車開(kāi)至電纜埋設(shè)的地方，斷開(kāi)電纜，將脈沖發(fā)生器串接在故障電纜上，對(duì)故障電纜做測(cè)試。脈沖發(fā)生器與故障電纜連接圖如圖1所示。

3.2 電力電纜故障距離測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)故障測(cè)試示意圖如圖2所示，使用脈沖電流法偵測(cè)故障位置，220V 電壓由變壓器升壓后形成高壓電源，此電源經(jīng)二極管整流，對(duì)電容充電，電容電壓升至一定值后放電產(chǎn)生脈沖電流。此脈沖電流經(jīng)過(guò)電纜故障處將產(chǎn)生較高的脈沖電壓，將這個(gè)脈沖電壓予以采集、放大并計(jì)算出故障距離。實(shí)驗(yàn)采用的電力電纜型號(hào)為25kV AWG#1，故障類型為開(kāi)路故障，從測(cè)試端至開(kāi)路故障端的距離為78公尺。脈沖波送入故障電纜后，脈沖波電壓約為6kV，故障掃描指示器顯示，故障距離為78.92 公尺，由于電纜故障的復(fù)雜性和脈沖傳遞波速的衰減，實(shí)驗(yàn)存在一定測(cè)距誤差。

4 應(yīng)用EMTP模擬分析

4.1 電力電纜模型建立

EMTP / ATP提供了兩套流水生產(chǎn)線路的參數(shù)計(jì)算副程序，“l(fā)ine constant”副程序，用于架空輸電線的線路參數(shù)計(jì)算，“cable constant”副程序，用于地下電纜的流水生產(chǎn)線路參數(shù)計(jì)算。本研究依據(jù)ATPDraw內(nèi)的電纜常數(shù)，使用“single core cable”建立電力電纜模型，表 1為25 kV XLPE電纜參數(shù)。

4.2 模擬電力電纜開(kāi)路故障

模擬實(shí)際故障，電力電纜25kV的級(jí)是AWG#1，設(shè)定測(cè)試端至開(kāi)路故障的距離為78公尺，而測(cè)試端的輸入脈沖電源峰值為-6KV，波頭時(shí)間為1.2s，波尾時(shí)間為50s，如圖 3所示。

脈沖波被送入故障電纜的測(cè)試端，當(dāng)脈沖波到達(dá)電纜故障位置，會(huì)因阻抗不匹配產(chǎn)生反射現(xiàn)象。發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，故障電阻可視為無(wú)窮大，此時(shí)電流反射系數(shù)i 1，脈沖波被反極性地反射回測(cè)試端。如圖4為發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)的模擬波形圖，由圖可知輸入脈波到達(dá)故障位置，會(huì)產(chǎn)生反極性的脈沖波返回，計(jì)算脈沖波往返的時(shí)間差，并得出故障位置為 （2.1s -1.1s ） 160.42 106/2=80.21m 。

4.3 模擬短路故障

對(duì)短路低阻故障（故障電阻小于10?）進(jìn)行模擬，電力電纜25kV的級(jí)AWG#1長(zhǎng)?是3000公尺，測(cè)試端至短路故障位置為1000公尺，故障電阻為1歐姆。從測(cè)試端處輸入脈沖波，當(dāng)脈沖波到達(dá)故障位置，因阻抗不匹配發(fā)生反射現(xiàn)象，產(chǎn)生短路低阻故障時(shí)可視為故障電阻為零，此時(shí)電流反射系數(shù) i 1 ，脈波被正極性地返回測(cè)試端。如圖5為發(fā)生短路低阻故障時(shí)的模擬波形圖，由圖知輸入脈波到達(dá)故障位置，產(chǎn)生正極性的脈波返回，計(jì)算脈波來(lái)回的時(shí)間差，并得出故障位置為 （25.2μs-12.6μs） 160.42 106 /2=1010 .65m。

但若故障電阻大于10，此時(shí)輸入脈波到達(dá)故障位置，透射波會(huì)持續(xù)往前傳送至電纜末端，造成誤判，如圖6所示。所以當(dāng)遇此情況時(shí)，需利用直流高壓閃絡(luò)法或送入電壓?高的脈沖波解決問(wèn)題。

5 應(yīng)用小波進(jìn)行故障偵測(cè)分析

將模擬發(fā)生的開(kāi)路故障和短路故障波形，用小波變換分別進(jìn)行分解：

5.1 開(kāi)路故障

經(jīng)EMTP 模擬分析后，將模擬的開(kāi)路故障波形用小波進(jìn)行分析，而小波的母小波又可分類為Haar、Daubechies、Symlets、Coiflet、Morlet、Meyer 等。本文采用Daubechies （db2）小波，應(yīng)用小波五層分解進(jìn)行分析。如圖7所示，五層中較常用第一層（d1）或第二層（d2），因原始信號(hào)s分解至d1 或d2 時(shí)高頻部分的突變較為明顯，因此本研究采用d1層波形。EMTP 模擬的故障波形取樣頻?為20MHz，用小波計(jì)算故障距離時(shí)需再多乘步距0.05s，所以故障距離為（41.54-22.08） 0.05s 160.42 106 /2=78.04m。

5.2 短路低阻故障

將之前EMTP模擬的短路低阻故障波形進(jìn)行分析，應(yīng)用db2小波變換進(jìn)行多層分解，同樣分解五層，如圖8所示，采用五層中的d1，如圖9所示， 經(jīng)EMTP模擬的短路低阻故障波形取樣頻?為2MHz，用小波計(jì)算故障距離時(shí)需乘步距0.5 s，所以故障距離為 （51.72-2 91） 0.5 s 160.42 106/2= 995 m。

5.3 結(jié)果探討

從模擬發(fā)生開(kāi)路、短路故障波形經(jīng)小波分解的結(jié)果得知，若加入適當(dāng)?shù)男〔ㄗ儞Q多層分解，可使突變高頻的部分較為明顯，使誤差減小，經(jīng)小波分析后其結(jié)果比較如表 2所示。

6 小結(jié)

針對(duì)XLPE 25kV級(jí)AWG#1電力電纜，現(xiàn)場(chǎng)用脈沖產(chǎn)生器與故障掃描指示產(chǎn)生器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量出故障距離。再利用EMTP 建立電纜模型，模擬現(xiàn)場(chǎng)故障，同樣測(cè)量出故障距離。短路故障又可分為低阻故障與高阻故障，其中因高阻故障反射系數(shù)較小，因此可能會(huì)造成誤判，所以需采用直流高壓閃絡(luò)法或送入電壓?高的脈波來(lái)解決問(wèn)題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與模擬分析比較，EMTP 模擬后，測(cè)量故障距離仍有些誤差，因此利用小波變換多層分解，能得到?準(zhǔn)確的結(jié)果。此方法可使誤差控制在1 m內(nèi)，準(zhǔn)確度和精度比國(guó)內(nèi)同類方法提高了4倍。

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（本文審稿 李正發(fā)）