基于高速采樣裝置的電力電纜局放故障定位研究

摘要：電力系統作為支撐我國經濟高速發展的關鍵設施，相關人員需要在日常運行中重視電力系統的維修與保養工作。在傳統的故障檢測與信號采集中，信號采樣的頻率有限，存在著無法準確定位故障的缺陷。而高速采樣裝置的出現，為電力電纜局放故障定位提供了新的研究方向，工作人員能夠利用這種裝置實現對電纜局放故障的精準定位，進而提升故障維修效率，保證電力系統的穩定運行。

關鍵詞：電力電纜局部放電脈沖電流高速采樣裝置故障定位

中圖分類號：TM247

ResearchonPartialDischargeFaultLocationofPowerCableBasedonHigh-SpeedSamplingDevice

WANGHaihaiYINTianshengLANXinYANGLiu

NanchangKechenElectricPowerTestResearchCo.，Ltd.，NanchangCity，JiangxiProvince，330000China

Abstract：AsakeyfacilitytosupporttherapiddevelopmentofChina'seconomy，thepowersystemrequiresrelevantpersonneltopayattentiontotherepairandmaintenanceofthepowersystemindailyoperation.Intraditionalfaultdetectionandsignalacquisition，thefrequencyofsignalsamplingislimited，anditisdifficulttolocatethefaultaccurately.Theemergenceofhigh-speedsamplingdeviceprovidesanewresearchdirectionforthefaultlocationofpartialdischargeofpowercables，andtheworkerscanusethisdevicetoachieveaccuratepositioningofcablepartialdischargefaults，soastoimprovetheefficiencyoffaultmaintenanceandensurethestableoperationofthepowersystem.

KeyWords：Powercable;Partialdischarge;High-speedsamplingdevices;Faultlocation

電力系統中電纜主要負責電力的運輸工作，是連接變電站與用戶的關鍵設施，因此確保電力電纜的正常運行是保證電力系統穩定性的關鍵。目前，人們為了提高地面空間的使用效率，通常會將電力電纜埋入地下，但是這種施工方式也導致了對電力電纜的故障定位較為困難。因此，相關人員需要對電力電纜局放故障的快速定位進行深入研究，而高速采樣裝置的出現，為電力電纜故障定位提供了新的思路。

1相關理論

1.1高速采樣裝置

高速采樣裝置可以分為數據處理以及數據采集兩部分，在數據采集過程中需要以較高的速度對采樣部分進行收集，而在數據處理過程中則需要先對數據進行存儲，之后再根據系統要求對數據進行處理。通常情況下，高速采樣裝置由單片機、高速緩存、高速A/D轉換器組成。一般來說，高速采集系統的任務是采集各種類型傳感器輸出的模擬信號并轉換成數字信號后輸入計算機處理，得到特定的數據結果。同時將計算得到的波形和數值進行顯示，對各種物理量狀態進行監控[1]。

1.2電力電纜內部局放故障的原因

在電力電纜正常運行過程中，如果電纜中的主絕緣存在氣泡、雜質等情況，就相當于在電力電纜中出現一個雜質電容；當這部分電纜處于高壓情況下，就會對主絕緣內部的電容進行不間斷充電；如果雜質電容的整體電壓達到最大值的時候，就會進行擊穿放電。這種情況會隨著電纜的運行而重復發生，時間一長就會導致電纜的絕緣裝置發生碳化反應，進而導致電纜被擊穿，從而出現接地故障，影響電力系統的正常運行。此外，在電力電纜中內部局放過程中每次放電都有相應數量的電荷通過電解質引起電極變化，而且這個過程很短，在油隙中一次放電時間也只有1μs，因此對故障進行定位比較困難。根據Maxwell電磁理論，如此短持續時間的放電脈沖會產生高頻的電磁信號向外輻射。

2脈沖電流法的基本原理

在電力電纜局放測試過程中，脈沖電流法是最為常見的一種測試方法，其基本原理如圖1所示，主要是通過獲得耦合阻抗，在耦合電容側利用線圈對電力電纜中性點或者接地處進行測試，進而獲得放電相位、放電量等信息，屬于一種相對傳統的定量測量方式。通常情況下可以將脈沖電流法分為窄頻、寬頻兩種，其中窄頻檢測的頻率在10～100kHz，而寬頻檢測頻率在100～400kHz。這兩種檢測方法有著不同的應用場景，比如寬頻檢測具有信噪比低、脈沖分辨率高等特點，而窄頻檢測往往具有靈敏度高、抗干擾能力強等特點。而針對電力電纜的局放電流檢測通常是用寬頻檢測的方式，主要是在電力電纜高線位的電芯中連接一個高頻電纜互感器，之后就可以對電纜中的高頻脈沖耦合到電路互感器中，并通過儀器對其進行檢測[2]。

3對電力電纜局放的定位

根據實驗結果顯示，在電力電纜中局部放電的位置大多處于電纜的中間部位，所以利用超高頻法以及超聲波法也可以對中間段的放電故障進行檢測，但是由于目前許多電力電纜都被埋藏在地下、電纜溝道以及水下等位置，因此在出現局部放電故障時，需要對故障部位進行快速估算，在估算到大致位置之后，再利用上述方式進行精確定位。對電力電纜的估算可以使用麥克斯韋方程進行，可以在估算位置中對局部放電的信號進行假設，將其作為平面電磁波，并對其進行定位。利用這種算法的定位原理如圖2所示。

在對大概位置進行估算時，需要從當前數據庫中選擇相應數據，之后再結合下述公式進行計算，具體公式如下：

在式（1）中：U和U1的計算值為矢量，在實際測試過程中這個值為標量，因此需要在計算過程中計算K值，具體值需要根據現場環境來確定；Z為到局放點的距離；U為局放點幅值；S為1#和2#HFCT間的電纜長度。

4電力線纜的波過程

4.1電纜線路的波過程與波動方程

在電纜運行過程中一旦出現故障，其信號就會呈現高頻分量狀態，在這個狀態下電力電纜的波長很短，其脈沖的寬度通常會在1s以下，而且行波的整體速度也較小。所以在實際研究過程中，人們通常會將電纜看成一條長線，這就導致在分析過程中無法利用有效的參數電路模型對其進行分析，只能利用分布參數線路模型進行表示，具體如圖3所示。

在上述線路圖中，R0、L0、C0、G0分別代表了電纜線路規定長度內的電感、電容以及電阻、漏電導等參數，在得知這些參數之后，再結合基爾霍夫定律，就能夠有效推出有損耗均勻傳輸線路的方程，通常情況下這個方程式得出的結果較為精準。如果在得出的信號參數中每個頻率的衰減都有所不同，在電纜線路傳輸過程中就會出現失真的情況，進而發生色散情況[3]。

4.2行波的反射與透射

當人們將兩種不同波阻抗的線路進行連接時，在電纜的連接處經常出現抗阻不夠匹配的情況，而且如果電纜線路中出現了低阻故障或者斷線情況時，還會導致故障位置的電纜特性發生變化，進而導致阻抗完全不匹配。在這種情況下，如果行波運動過程中遇到阻抗不夠匹配時，就會出現反射情況，最終導致行波出現回路。同時，當電力電纜出現低阻故障，而且電阻大于0的情況下，還會出現行波的透射情況，就是在電力線路中，一小部分行波在經過故障點之后持續前行。在這兩個現象中，行波在反射時其反射系數為延長線上的某點電壓與入射波電壓的比值，而透射系數則是入射電壓與透射電壓的比值。

5仿真模型的建立

為了對電力電纜中的局放故障進行精準定位，還需要構建一個仿真模型。目前，在仿真模型建立時可以選擇ATP（EMTP的改進版）、PSCAD／EMTDC、MATLAB。本文選用ATP工具來構建仿真模型，主要是因為這個工具能夠自行構建元件模型，能夠更加符合電纜局放故障分析，但是這個工具的數據分析結果有限，沒有MATLAB工具中強大的計算能力。而沒有選擇MATLAB工具的主要原因是這個工具中沒有適合電纜計算的模型。因此，為了得到更加準確的仿真結果，本文利用ATP工具進行仿真模擬，利用MATLAB6.5工具對相應的數據進行計算。在電纜仿真分析過程中，由于電纜的截面參數較多，且整體結構比較復雜，因此需要對其進行有效分析[4]。

本研究選擇常見的220kV電纜作為研究對象，其主要構成為聚氯乙烯護套、銅芯交聯聚乙烯絕緣，以及細鋼絲。根據數據中的電纜數據可知，該電纜的絕緣厚度在10.5mm，保護套在2.6mm，截面積為300mm2，對其故障時的狀態信息進行分析，并且對電纜故障時的行波特性進行總結，因此在進行計算時需要構建一個有效的電纜系統。在本文構建的仿真模型中，有1個負荷端與3個電源端，在每個端點位置都安裝變壓器，而且電纜的中性點設置為接地狀態，以便更好的模擬真實的電纜運行狀態。之后，分別使用兩個獨立的電纜系統模型對電纜的故障狀態進行模擬，其中將設置故障點為S，之后改變電纜的總體長度，之后再對其進行仿真模擬。在實際電纜施工中，由于電纜的材料的抗阻性能有所不同，因此在滿足同一個故障要求時，設置了一個故障模塊，以便對故障類型進行模擬。

6故障定位的實現

6.1利用小波進行故障點測算

小波變換這一理念起源于20世紀80年代，其具有良好的應變特性，而且可以對電纜中的突變信號進行全面分析，并將故障時的電纜參數進行統計。同時，利用小波變化對電纜故障點進行測算也具有較高的分辨率，在電纜的高頻部分整體分辨率正常，因此可以有效應用在電纜局部放電故障檢測中。

小波變換分析方式主要是指這一種窗口面積可以隨意改變，其形狀也可以隨著模型計算進行調整，并且可以在局部的時間和頻率進行分析的方式。在電纜的低頻部分，這種分析方法的整體分辨率較高，而且時間分辨率較低；而在電纜的高頻部分則時間分辨率較高、整體分辨率較低。因此，這種分析方式也可以被稱為數學顯微鏡。正是因為小波分析的適用性，所以能夠對電纜故障位置進行連續的分析[5]。

6.2小波基的選擇

在電纜故障信號檢測過程中，一個有效的小波變換可以制作成小波行數上的投影，所以在故障檢測過程中可以應用合適的小波函數簇對信號特征進行分析，而如果小波函數簇的選擇不夠合理，就可能導致整體的故障檢測結果不夠精準。因此，如何選擇正確的小波函數簇就顯得十分重要。但是目前人們對于小波函數簇的選擇還沒有一個統一的標準，因此在實際故障分析過程中，工作人員需要根據信號分析的整體效果來判斷小波函數簇選擇的合理性。同時，由于小波函數簇并不唯一而且不夠規則，所以每個小波函數簇之間的差異也很大。此外，小波變換作為一種可以在基波變形的情況下對信號進行處理的分析方式，能夠在基波信號不同尺寸的情況下進行分析，所以在選擇小基波時，如果尺度沒有合理尺度，也會對整體的分析效果產生影響。通常情況下，工作人員會憑借自身的工作經驗對小波進行選擇，而對于數字信號往往選擇Haar或Daubechies小波作為小波基。

6.3仿真案例

根據上述的仿真模型，為對結果的準確性和適用性進行驗算，工作人員將數據錄入MATLAB工具中對其進行處理，以此來對電纜中的局部放電情況進行分析。根據電纜的實際情況，測得電纜中的實際電阻抗性為20Ω；利用仿真算式對電纜的各項參數進行計算；之后再考慮到電纜在傳輸過程中出現的損耗情況，計算出R0為32.125Ω、L0為0.18H、C0為8.125ps、G0為8.542ps；最后根據電纜的運行頻率，計算得出仿真的步長約為1s。

在實際測量過程中，將電纜系統的5km位置設置為電纜放電故障；之后結合電流互感器中的數據顯示對其進行分解，分解層數為3層；然后再對其高頻位置的小波系數進行重構，并得出重構信號；根據重構信號利用仿真模型對結果進行測算，得到測算的結果為5031km的位置，誤差僅為0.1%。結果證明，利用MATLAB以及ATP工具進行仿真測算具有較高的準確性。

7結語

綜上所述，在電力電纜運行過程中，經常出現局部放電故障會對電力系統造成嚴重危害，不僅會影響電力輸送的穩定性，還會對電氣設備的使用壽命造成影響。因此，目前許多研究人員都致力于對電力電纜局放故障定位研究。本文基于高速采樣裝置，構建了一個新的故障測試定位系統，該系統利用MATLAB以及ATP工具進行仿真測算。根據實驗結果，利用這種方式得到的故障距離數據距離真實數值誤差僅在1%左右，具有良好的應用效果。

參考文獻

[1]袁博洋，鐘建偉，楊永超，等.基于FPGA和AD9481的寬頻帶電力電纜局部放電采集系統設計[J].機電工程技術，2023，52（9）：192-196，219.

[2]馮新宇，柴僑崢，付志偉，等.改進EWT算法的高壓電纜局部放電故障定位方法[J].黑龍江科技大學學報，2023，33（2）：259-265.

[3]田永貴，蘇磊，鄧林志，等.基于IT降噪與CNN的電纜終端故障診斷方法[J].電氣自動化，2023，45（3）：17-19.

[4]張金亮.基于人工智能的電纜故障精確定位與實現技術[D].濟南：山東大學，2023.

[5]肖小龍，郭佳豪，郭茂森，等.基于改進GCC算法的交流配電電纜局部放電在線定位方法研究[J].機械與電子，2024，42（3）：26-31，39.