基于低壓脈沖法的電網(wǎng)地埋電纜故障定位方法

楊振宇，羅 毅，李東生，曾 博，李 剛

（國(guó)網(wǎng)青海省電力公司海北供電公司，青海 海晏 812200）

0 引 言

在我國(guó)的配電系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展中，地埋電纜的占比越來越多，采用地下敷設(shè)電纜的方式，可以降低桿塔和架空線的占地面積。根據(jù)電力有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，雖然地埋電纜可以降低倒桿、斷線和雷擊等事故的發(fā)生率，但是電纜線深埋在地底，發(fā)生故障時(shí)，不能直接確定纜線的故障位置，增加了電纜的故障處理難度，并對(duì)電網(wǎng)維修技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提出了新的要求[1]。造成地埋電纜故障、失效的原因較多，主要可以劃分為人為原因和自然原因2 個(gè)類別。人為原因主要有外力破壞、地埋電纜附件質(zhì)量不合格，纜線敷設(shè)施工質(zhì)量差等；自然原因主要有電纜的使用年限已達(dá)5 ～8 年（設(shè)計(jì)年限）。一旦地埋電纜的使用受到外部環(huán)境的影響，就會(huì)導(dǎo)致地埋電纜的主要絕緣性能降低，從而誘發(fā)纜線電、熱等事?lián)舸╊惞蔥2]。為提供用戶更加優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)，避免由于地埋電纜故障造成的電網(wǎng)輸電異?，F(xiàn)象，應(yīng)設(shè)計(jì)可靠的方法，進(jìn)行地埋電纜故障的精確定位。研究現(xiàn)有的故障定位方法，大部分方法在使用中存在一定的局限性，無法滿足地埋電纜故障檢測(cè)與診斷定位需求[3]。針對(duì)此方面的問題，提出了低壓脈沖法，為落實(shí)此方面的工作，文章引進(jìn)低壓脈沖法，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)電網(wǎng)地埋電纜的全新故障定位方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)地埋電纜運(yùn)行中失效現(xiàn)象與故障的及時(shí)、精確診斷，保障電網(wǎng)輸電的連續(xù)性與可靠性。

1 基于低壓脈沖法的地埋電纜故障檢測(cè)行波參數(shù)設(shè)計(jì)

為滿足地埋電纜故障定位檢測(cè)需求，引進(jìn)低壓脈沖法，設(shè)計(jì)基于低壓脈沖法的地埋電纜故障檢測(cè)方案，具體如圖1 所示[4]。

圖1 基于低壓脈沖法的地埋電纜故障檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

當(dāng)電網(wǎng)供能時(shí)，地埋電纜上的電壓與電流會(huì)以波浪的形式傳播[5]。正常情況下，其波形是余弦波，但是發(fā)生故障時(shí)，波形會(huì)發(fā)生突變，突變的波形中蘊(yùn)含著大量的故障信息。因此，如何有效地提取與應(yīng)用電網(wǎng)中各種故障信息，是電網(wǎng)可靠、準(zhǔn)確、連續(xù)及穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。檢測(cè)過程中，使用脈沖發(fā)生器發(fā)射行波，行波傳輸時(shí)，會(huì)發(fā)生折射與反射現(xiàn)象，此種現(xiàn)象通常會(huì)出現(xiàn)在波阻抗改變的位置[6]。為更精準(zhǔn)地感知電纜線故障，需要設(shè)計(jì)低壓脈沖法中的折射波與反射波，具體公式為

式中：se表示低壓脈沖法中的折射波；sr表示低壓脈沖法中的反射波；s表示波形系數(shù)；R1表示線路1 對(duì)應(yīng)的波阻抗；R2表示線路2 對(duì)應(yīng)的波阻抗；α表示折射系數(shù)；β表示反射系數(shù)。計(jì)算中，如R1=R2，此時(shí)α取值為1，β取值為0，折射波與反射波相同，不形成反射關(guān)系，無明顯的故障表現(xiàn)形式；如R1＞R2，此時(shí)α取值小于1，β取值小于0，折射波小于反射波，存在負(fù)反射關(guān)系，此時(shí)R2段存在故障表現(xiàn)形式；如R1＜R2，此時(shí)α的取值大于1，β取值大于0，折射波大于反射波，存在正反射關(guān)系，此時(shí)R1段存在故障表現(xiàn)形式。按照式（1）和式（2）方法，完成基于低壓脈沖法的地埋電纜故障檢測(cè)行波參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地埋電纜不同區(qū)段故障的檢測(cè)與識(shí)別。

2 地埋電纜故障檢測(cè)信號(hào)濾波處理與故障點(diǎn)測(cè)距定位

在電網(wǎng)地埋電纜測(cè)距過程中，不可避免地會(huì)采集大量的噪聲，噪聲的強(qiáng)弱與脈沖發(fā)生器自身的干擾有關(guān)，噪聲過大，不僅會(huì)遮蔽反射信號(hào)中的起始信號(hào)，而且會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較大，增加了故障定位的難度[7]。因此，有必要采取一定的技術(shù)手段對(duì)地埋電纜故障檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，去除信號(hào)中的噪聲信號(hào)，保留有用信號(hào)，排除相關(guān)因素對(duì)于故障定位結(jié)果的干擾。

在不同的尺度下，地埋電纜故障檢測(cè)信號(hào)中的突變點(diǎn)信息在相同的位置上會(huì)保留一些細(xì)節(jié)，而噪音則隨尺度的增大而降低?；谠撛瓌t，可以分析地埋電纜故障檢測(cè)信號(hào)中的多尺度相關(guān)性，消除噪音成分，保存細(xì)節(jié)，再進(jìn)行信號(hào)的重建，得到經(jīng)過濾波處理后的信號(hào)[8]。該過程計(jì)算公式為

式中：C表示濾波處理后的地埋電纜故障檢測(cè)信號(hào)；W表示信號(hào)最大尺度；f表示處理過程中的小波系數(shù)；n表示尺寸數(shù)；l表示相關(guān)系數(shù)；i表示重構(gòu)次數(shù)。完成對(duì)信號(hào)的處理后，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)射行波信號(hào)的脈沖極性，可以初步判斷電網(wǎng)地埋電纜的故障類型。在此基礎(chǔ)上，記錄發(fā)生器發(fā)射行波信號(hào)的往返時(shí)間，進(jìn)行故障點(diǎn)測(cè)距。該過程的計(jì)算公式為

式中：S表示故障點(diǎn)與測(cè)距位置的距離（故障點(diǎn)測(cè)距結(jié)果）；v表示脈沖發(fā)生器發(fā)射行波信號(hào)在測(cè)試環(huán)境中的傳播速度；t表示發(fā)生器發(fā)射行波信號(hào)的往返時(shí)間。按照式（4）方式，實(shí)現(xiàn)地埋電纜故障檢測(cè)信號(hào)濾波處理與故障點(diǎn)測(cè)距定位，完成基于低壓脈沖法的故障定位方法設(shè)計(jì)。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

對(duì)電力市場(chǎng)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，造成電網(wǎng)運(yùn)行故障的原因較多，地埋電纜故障是電網(wǎng)運(yùn)行中最為常見的故障形式之一。為避免地埋電纜失效所造成的電網(wǎng)輸電異常，在開展了大量研究后，提出了將低壓脈沖法作為支撐，進(jìn)行地埋電纜的故障診斷與處理。根據(jù)已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，低壓脈沖方法在應(yīng)用中將行波作為參照，可以在不需要人為操作、貫標(biāo)、移動(dòng)的情況下，精確地定位和判定故障。該技術(shù)不但有很高的精度，還能獲得諸如電纜故障定位等裝備的支持，從而提高地埋電纜的實(shí)用性。

完成上述設(shè)計(jì)后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)該方法的故障定位效果檢驗(yàn)，以某220 kV 的地埋電纜作為研究對(duì)象，進(jìn)行電網(wǎng)地埋電纜故障的模擬與定位。實(shí)驗(yàn)前，分析電網(wǎng)地埋電纜的線路簡(jiǎn)圖，具體如圖2 所示。

圖2 電網(wǎng)地埋電纜線路簡(jiǎn)圖

為避免實(shí)驗(yàn)中相關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，實(shí)驗(yàn)前，分析電網(wǎng)地埋電纜線路的技術(shù)參數(shù)，相關(guān)內(nèi)容如表1 所示。

表1 電網(wǎng)地埋電纜線路技術(shù)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)需求可知，電網(wǎng)地埋電纜的埋地深度為0.8 m，為滿足低壓脈沖法的檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)脈沖的探針間距為0.5 m、探針長(zhǎng)度為0.1 m，將低壓脈沖發(fā)生器按照規(guī)范放置在被測(cè)電纜與大地之間，設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器發(fā)射的電壓脈沖為5 kV 與3 kV，在此種條件下，電網(wǎng)地埋電纜的對(duì)地電阻分別為0.15 MΩ 與0.12 MΩ。

完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，使用文章設(shè)計(jì)的方法，定位地埋電纜的故障點(diǎn)。定位過程中，為確保故障診斷的精確性，進(jìn)行地埋電纜故障檢測(cè)行波參數(shù)的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，采集脈沖發(fā)生器發(fā)射與返回的信號(hào)，進(jìn)行電網(wǎng)地埋電纜故障檢測(cè)信號(hào)濾波處理，最后通過返回信號(hào)進(jìn)行故障點(diǎn)的測(cè)距，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的精確定位。

設(shè)基于CEEMD-PSD 算法的故障定位方法為傳統(tǒng)方法1、基于Hilbert-Huang 變換的故障定位方法為傳統(tǒng)方法2。在已知電纜線故障點(diǎn)與測(cè)距位置距離的前提下，使用傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2 與文章設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電網(wǎng)地埋電纜的故障定位，將3 種方法的測(cè)距結(jié)果與實(shí)際故障距離進(jìn)行比對(duì)，記錄故障定位誤差，相關(guān)結(jié)果如表2 所示。

表2 3 種方法下的電網(wǎng)地埋電纜故障定位誤差 單位：m

從表2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著故障點(diǎn)與測(cè)距位置距離的增加，3 種方法對(duì)地埋電纜故障定位的偏差呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的增加趨勢(shì)。在使用文章設(shè)計(jì)方法進(jìn)行故障定位時(shí)，只有故障點(diǎn)與測(cè)距位置的距離大于8 000 m 時(shí)，定位偏差才相對(duì)較大，而傳統(tǒng)方法對(duì)故障點(diǎn)的定位偏差均較大。因此，相比傳統(tǒng)方法，文章設(shè)計(jì)的基于低壓脈沖法的定位方法應(yīng)用效果良好，按照規(guī)范進(jìn)行電網(wǎng)地埋電纜故障點(diǎn)的定位，可以有效控制定位結(jié)果的偏差，通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地貌電纜故障的精準(zhǔn)排查，降低由于電纜失效造成的電網(wǎng)異常事故發(fā)生次數(shù)。

4 結(jié) 論

目前，我國(guó)地埋電纜絕緣性能劣化現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重影響了其正常工作運(yùn)行。通常情況下，電力電纜被埋置在地下通道、溝渠等處，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致其絕緣性能下降，同時(shí)地下環(huán)境粉塵污染較大、環(huán)境濕氣較重，容易引起地埋電纜與環(huán)境之間的化學(xué)反應(yīng)，再加上機(jī)車碾壓、高空墜落等外部因素的影響，也將極大地增加地埋電纜的失效概率。為避免地埋電纜故障誘發(fā)電網(wǎng)連鎖事故，文章引進(jìn)低壓脈沖法，通過地埋電纜故障檢測(cè)行波參數(shù)設(shè)計(jì)、電網(wǎng)地埋電纜故障檢測(cè)信號(hào)濾波處理、故障點(diǎn)測(cè)距與精確定位，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)電網(wǎng)地埋電纜的全新故障定位方法。通過對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)證實(shí)，文章設(shè)計(jì)的方法可以有效控制定位結(jié)果的偏差，實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜故障的精準(zhǔn)排查。