電力電纜故障定位在線檢測(cè)研究

王獻(xiàn)軍 張 嵐 趙衛(wèi)華

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電力電纜故障定位在線檢測(cè)研究

王獻(xiàn)軍 張 嵐 趙衛(wèi)華

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司客服服務(wù)中心，鄭州 450015）

電力電纜承擔(dān)著電能輸送的重任，電力電纜故障的發(fā)生嚴(yán)重影響著電力能源的正常供應(yīng)。如何快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障、確定故障位置是電力電纜維護(hù)的重點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，電力電纜的行波故障定位法得到快速發(fā)展，其中基于小波變換的電纜故障定位法優(yōu)勢(shì)最為明顯。本文根據(jù)電纜故障特點(diǎn)，利用Matlab軟件建立了電力電纜故障行波定位模型，實(shí)現(xiàn)了故障在線定位，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

電力電纜；故障定位；小波變換

我國(guó)幅員遼闊，電力電纜遍布全國(guó)，電力電纜的故障排查是電網(wǎng)日常維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。常用的電纜故障定位，往往采取停電檢查的方式[1]。一方面，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，即使短時(shí)間停電也有可能造成極大的損失；另一方面，常規(guī)的故障定位法只能在事故發(fā)生以后進(jìn)行，對(duì)于事故隱患不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。若能夠盡可能早的發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)采取必要措施，則將會(huì)大大減少故障所造成的損失[2]。因此，實(shí)現(xiàn)電力電纜的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)意義重大。本文根據(jù)故障發(fā)生時(shí)暫態(tài)信號(hào)特征，利用Matlab軟件，對(duì)故障波形進(jìn)行小波變換計(jì)算分析，從而測(cè)算出故障位置，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 電力電纜故障的行波定位法

在正常情況下，電力線路中的電流電壓波形是存在較少干擾信號(hào)的正弦波形。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)的電流電壓會(huì)有故障行波分量產(chǎn)生，導(dǎo)致線路中的行波畸變，并向輸電線路兩端傳播，而信號(hào)的畸變時(shí)刻就是故障發(fā)生的時(shí)刻。若通過(guò)計(jì)算行波從故障點(diǎn)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，則可計(jì)算出故障點(diǎn)的位置[3]。常用的測(cè)量方法為雙端測(cè)量法，其原理如圖1所示，即在被測(cè)線路的兩端裝設(shè)故障檢測(cè)設(shè)備，測(cè)量故障行波傳輸?shù)綑z測(cè)設(shè)備的時(shí)間差，再通過(guò)計(jì)算得出故障點(diǎn)的位置[4]。

圖1 雙端行波測(cè)量法

如圖1所示，為電纜的總長(zhǎng)度，1、2分別為故障行波傳輸?shù)骄€路左右兩端的時(shí)間，則有

式中，MF和NF分別為故障點(diǎn)距離線路左右兩端的距離，則有

2 小波變換的基本原理

相對(duì)傅里葉變換，小波變換的優(yōu)勢(shì)在于其可以對(duì)信號(hào)在時(shí)域和頻域兩方面進(jìn)行分析。其這一特點(diǎn)，十分適合電力電纜的故障信號(hào)暫態(tài)分析[5]。正常情況下，電力線路故障信號(hào)的行波為突變的階躍信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)小波變換后的極值和信號(hào)突變點(diǎn)是相對(duì)應(yīng)的。根據(jù)這一原理，可以通過(guò)分析小波變換后的極值點(diǎn)，從而得出故障波頭的位置[7]。同時(shí)，電力電纜運(yùn)行過(guò)程中，線路行波噪聲分量比較復(fù)雜，通過(guò)小波變換的分解，噪聲值也會(huì)減弱，而有用波形成分得到保留，從而提高信號(hào)的準(zhǔn)確度。對(duì)信號(hào)()進(jìn)行小波變換就是將基本小波函數(shù)()進(jìn)行一定點(diǎn)卷積運(yùn)算[6]，即

式中，tf(,)叫作小波變換系數(shù)，、分別為尺度因子和位移因子。

在應(yīng)用過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)所采集的數(shù)字信號(hào)實(shí)際上是經(jīng)過(guò)處理后的離散點(diǎn)，在工程應(yīng)用上，小波變換應(yīng)進(jìn)行離散化處理[8]。

取、的冪級(jí)數(shù)有

式中，為整數(shù)。則離散小波變換為

3 電力電纜的在線故障定位

3.1 小波故障定位的方法

通過(guò)小波變換實(shí)現(xiàn)電纜故障定位的方法如圖2所示。首先對(duì)線路兩端采集到故障信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到小波系數(shù)1和2；然后求得1和2達(dá)到極大值的序列；之后在極大值點(diǎn)中找到最先達(dá)到的極大值以及該極大值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)1和2；最后通過(guò)計(jì)算求得故障點(diǎn)的位置。

圖2 電力電纜故障定位流程圖

3.2 電力電纜故障定位的仿真

1）電力電纜故障模型構(gòu)建

在此使用Matlab軟件作為仿真工具。假設(shè)1#和2#兩條回路通過(guò)同一三相變壓器供電，在2#線路中設(shè)置故障模塊進(jìn)行故障模擬。在仿真過(guò)程中，電纜總長(zhǎng)度保持為10km不變，通過(guò)改變1#線路和2#線路的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)電纜故障位置的變化。電纜的分布參數(shù)模型為

式（6）、式（7）中分別為電力電纜的正序和零序的電阻、電感和電容。

2）電力電纜故障點(diǎn)定位

首先設(shè)定1#電纜的長(zhǎng)度為1km，2#電纜的長(zhǎng)度為9km。模擬電纜的單相短路接地故障，起動(dòng)線路中的故障模擬模塊，觸發(fā)線路的單相接地故障。用示波器在電纜兩端記錄系統(tǒng)波形如圖3所示。

圖3 兩端故障波形

從圖中可以直觀地發(fā)現(xiàn)，電纜故障點(diǎn)的畸變波形在正常波形上形成的波形突變。故障行波的一次、二次以及三次反行波到達(dá)波都能較為清晰的觀 察到。

將仿真波形的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，利用Matlab的小波變換，通過(guò)仿真進(jìn)行四層分解得出兩端的小波系數(shù)，如圖4所示。最初的小波變換系數(shù)極大值點(diǎn)即為故障發(fā)生的時(shí)刻。通過(guò)編程得到故障點(diǎn)到達(dá)電纜左端的時(shí)間為12.0065ms，到達(dá)電纜右端點(diǎn)時(shí)刻為12.0453ms。將數(shù)據(jù)帶入式（2）可以求得故障點(diǎn)距離線路左端的距離為

測(cè)量誤差大約為24.4%。通過(guò)模擬可以測(cè)得不同位置下故障電纜的故障距離和誤差。表1為故障電阻為0.01W時(shí)的測(cè)量結(jié)果。表2為故障電阻為100W時(shí)的測(cè)量結(jié)果。

表1 0.01W測(cè)量結(jié)果及誤差表

表2 100W的測(cè)量結(jié)果及誤差表

同樣，還可對(duì)電力電纜進(jìn)行其他接地故障和短路故障的位置進(jìn)行測(cè)量。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，雖然測(cè)量結(jié)果仍然存在一定的誤差，但相對(duì)于龐大的電力輸電線路，這樣的誤差已經(jīng)可以大大減輕人工排查的工作強(qiáng)度。此外從理論上講，采用縮短仿真步長(zhǎng)的手段還可以進(jìn)一步提高仿真測(cè)量的精度。但是，仿真步長(zhǎng)越小，計(jì)算仿真的運(yùn)算量會(huì)越大，這對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力是個(gè)考驗(yàn)，基于仿真計(jì)算機(jī)配置的限制，就不再進(jìn)一步縮短仿真步長(zhǎng)了[9]。此外，通過(guò)兩個(gè)表格的數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，故障電阻對(duì)故障位置測(cè)量結(jié)果的影響基本為零，可以完全忽略。不同的故障類(lèi)型對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響也不大，都能達(dá)到較高的測(cè)量精度[10]。

3.3 電力電纜故障定位的應(yīng)用

在某區(qū)域利用相應(yīng)的波形檢測(cè)儀器，對(duì)該方法進(jìn)行了檢驗(yàn)。輸電線路全長(zhǎng)大約20km，在7km處發(fā)生故障。用儀器測(cè)得的故障波形如圖5所示。

圖5 故障波形

通過(guò)仿真進(jìn)行四層分解得出兩端的小波系數(shù)，如圖6所示。

圖6 小波系數(shù)

通過(guò)分析計(jì)算得出故障行波首次達(dá)到電纜一端端的時(shí)間為8.0361ms，到達(dá)另一段的時(shí)間為8.1118ms。將數(shù)據(jù)帶入測(cè)試公式，則有

其測(cè)量誤差在可接受范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)上述所采用的電纜故障定位在線檢測(cè)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，最終取得了較為理想的效果。但是在實(shí)際測(cè)量中仍然發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。在最初的仿真實(shí)驗(yàn)中，所求得的線路故障點(diǎn)誤差非常大，根據(jù)計(jì)算結(jié)果根本無(wú)法準(zhǔn)確的確定線路故障位置。后來(lái)通過(guò)路徑查找發(fā)現(xiàn)，工作人員所提供的線路走向和線路長(zhǎng)度和線路的實(shí)際值差別較大。在采用重新勘測(cè)的線路數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真后，最終確定了線路故障點(diǎn)的位置。

通過(guò)這次實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，對(duì)于線路路徑參數(shù)較為準(zhǔn)確的輸電線路，本文所采用的方法可以較為準(zhǔn)確的定位線路故障點(diǎn)。可見(jiàn)基于小波的故障定位方法是可行的。但是對(duì)于路徑不明的線路，這種方式則暴露了檢測(cè)的短板。實(shí)際應(yīng)用中的線路龐大而復(fù)雜，尤其一些老舊線路，可能實(shí)際線路存在較大誤差，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)首先核定線路數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以確保最終測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

輸電線路的在線故障定位是電力系統(tǒng)維護(hù)工作研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。快速準(zhǔn)確地確定輸電線路的故障位置，及時(shí)排查線路故障隱患，是確保電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。本文根據(jù)行波測(cè)距原理，利用小波變換對(duì)輸電線路故障定位進(jìn)行了研究，通過(guò)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型來(lái)建立，實(shí)現(xiàn)了輸電線路的故障定位，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較好的效果。為提高故障定位的準(zhǔn)確性，首先，要確保線路數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；其次，可根據(jù)實(shí)際情況，提高計(jì)算機(jī)性能，縮短仿真步長(zhǎng)，從而進(jìn)一步提高故障定位的 精度。

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Research on online detection of power cable fault location

Wang Xianjun Zhang Lan Zhao Weihua

(He’nan Electric Power Company Passenger Service Center, Zhengzhou 450015)

The power cable bears the responsibility of power transmission. The failure of power cable seriously affects the normal supply of electric energy. How to find fault and locate the fault quickly and accurately is the key issue of power cable maintenance. In recent years, the method of traveling wave fault location for power cable has been developed rapidly, and the advantages of the cable fault location method based on wavelet transform are most obvious. According to the characteristics of cable faults, a location model of power cable fault traveling wave is established by using Matlab software, which realizes the on-line location of faults and has certain application value.

power cable; fault location; wavelet transform

2018-02-07

張嵐（1975-），女，天津人，本科，高級(jí)工程師，主要從事電力 營(yíng)銷(xiāo)工作。