（电力系统及其自动化专业论文）电力电缆故障测试与分析方法的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力电缆故障测试与分析方法的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盘壶丝日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名： j一j 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电力电缆测试是电气设备故障检修中的一项重要工作，首先总结了电缆行波测 距法的相关原理，并通过e m t p 软件对电缆故障测试方法进行仿真，分析了相应故 障测试信号的变化规律。然后讨论测试信号小波阈值消噪法中阈值的确定问题，对 比了不同阈值的消噪效果，并提出了s n r 和r m s e 比例曲线交点的阈值计算方法。 接着分别研究了小波分析和曲线拟合两种电缆故障距离计算方法，提出小波分析和 曲线拟合相结合的电缆故障距离确定新方法，并以实测信号验证了该方法的有效 性。最后搭建了电力电缆故障测距系统，实现了电缆故障测试信号的消噪、分析处 理和故障距离计算等程序模块。 关键词：电力电缆，故障测距，消噪，小波分析，曲线拟合 a b s t r a c t e l e c t r i c p o w e rc a b l e t e s ti sa n i m p o r t a n t w o r ki n e l e c t r i c a l e q u i p m e n t t r o u b l e s h o o t i n g f i r s t l y , c o r r e l a t i o np r i n c i p l et ot r a v e l l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o no fc a b l ei s s u m m a r i z e d ，s i m u l a t i o no fc a b l ef a u l tt e s tm e t h o di sc a r r i e do u ta n dt h ec h a n g el a wo f f a u l tt e s ts i g n a li sa n a l y z e d s e c o n d l y , t h ep r o b l e mo ft h r e s h o l dd e t e r m i n a t i o ni nw a v e l e t t h r e s h o l dd e n o i s i n go ft h et e s ts i g n a li sd i s c u s s e d ，t h ed e - n o i s i n ge f f e c to fd i f f e r e n t t h r e s h o l di sc o m p a r e da n dat h r e s h o l dc a l c u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ei n t e r s e c t i o np o i n t o fs n ra n dr m s ep r o p o r t i o nc u r v e si sp r o p o s e d a n dt h e nt w oc a l c u l a t i o nm e t h o d so f c a b l ef a u l td i s t a n c e ，w a v e l e ta n a l y s i sa n dc u r v ef i t t i n gi sr e s p e c t i v e l ys t u d i e d ，t h e nan e w c a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o do ft h e i rc o m b i n a t i o ni sp r o p o s e da n dt h ee f f e c t i v e n e s si s v e r i f i e db ym e a s u r e ds i g n a l f i n a l l y , as y s t e mo fp o w e rc a b l ef a u l tl o c a t i o ni sp u tu pa n d p r o g r a mm o d u l e ss u c ha sd e - n o i s i n ga n da n a l y s i so fc a b l ef a u l ts i g n a la n dc a l c u l a t i o no f f a u l td i s t a n c ea r er e a l i z e d j i a n gq i n e n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db ya s s p r o f z h a os h u t a o k e yw o r d s ：p o w e rc a b l e ，f a u l tl o c a t i o n ，d e - n o i s i n g ，w a v e l e ta n a l y s i s ，c u r v ef i t t i n g i 华北电力大学硕+ 学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题的提出及研究意义l 1 2 国内外的研究状况。1 1 2 1 电缆故障性质诊断l 1 2 2 电缆故障测距2 1 2 2 1 历史与现状一2 1 2 2 2 测距方法的分类一2 1 2 3 电缆故障精确定点4 1 2 4 小波分析方法4 1 3 论文主要工作一5 第二章电缆故障测试及行波测距6 2 1 电缆故障发生的原因6 2 2 电缆故障分类及测试步骤7 2 2 1 电缆故障分类方法7 2 2 2 电缆故障测试步骤7 2 3 电缆模型及行波传播规律8 2 3 1 电缆的长线模型及其方程8 2 3 2 长线的特性参数9 2 4 电缆的行波测距方法1o 2 4 1 低压脉冲反射法1 l 2 4 1 1 方法原理1 l 2 4 1 2 低压脉冲法的仿真分析11 2 4 2 直流高压闪络法1 2 2 4 2 1 方法原理1 2 2 4 2 2 直闪法电流波过程1 3 2 4 2 3 直闪法的仿真分析1 4 2 4 3 冲击高压闪络法1 6 2 4 3 1 方法原理1 6 t 华北电力人学硕十学位论文目录 2 4 3 2 冲闪法电流波过程1 7 2 4 3 3 冲闪法的仿真分析1 9 2 5 本章小结2 2 第三章电缆测试信号消噪的研究2 3 3 1 小波分析原理2 3 3 1 1 小波分析基本概念2 3 3 1 2 多分辨率分析2 4 3 1 3m a l l a t 快速算法：2 5 3 2 小波消噪法的原理2 6 3 2 1 小波消噪法分类2 6 3 2 2 消噪结果比较2 8 3 3 基于s n r 和r m s e 比例曲线交点的阈值计算方法2 9 3 3 1 阈值与消噪效果分析2 9 3 3 2 方法步骤3 2 3 4 结果分析3 2 3 5 本章小结3 4 第四章电缆测距方法的研究3 5 4 1 基于小波分析法的奇异点检测3 5 4 1 1 模极大值与l i p s c h i t z 指数口3 5 4 1 2 小波分析法奇异点检测的实现3 6 4 1 2 1 小波的选取3 6 4 1 2 2 模极大值线搜索算法3 6 4 1 3 算法试验与结果分析3 7 4 2 基于曲线拟合法的奇异点检测3 9 4 2 1 最小二乘法与多项式拟合。3 9 4 2 2 曲线拟合法确定脉冲起始点一4 0 4 2 3 算法试验与结果分析一4 1 4 3 小波分析与曲线拟合结合法4 2 4 3 1 检测结果与信号变化的关系。4 2 4 3 2 平缓系数的定义4 2 4 3 2 1l i p s c h i t z 指数口。4 2 i i 华北电力人学硕：t 学位论文目录 4 3 2 2 距离增加率h 4 3 4 3 - 3 方法步骤4 5 4 4 实测结果分析4 5 4 4 1 实测波形一4 5 4 4 2 实测波形二4 6 4 5 本章小结4 8 第五章电缆故障测距系统的设计4 9 5 1 虚拟仪器4 9 5 2 基于l 曲v i e w 的电缆故障测距系统4 9 5 2 1 系统硬件组成4 9 5 2 2 系统软件工作流程的设计5 0 5 2 3 系统软件模块的设计5 1 5 2 4 系统软件运行界面的设计5 3 5 3 本章小结一5 4 第六章结论与展望5 5 6 1 结论5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 6 致谢5 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 0 i i i 1 1 课题的提出及研究意义 电力电缆具有供电安全可靠、优化城市布局等优点，在电力电缆运行过程中， 由于绝缘老化变质、过热、过电压、机械损伤、腐蚀、绝缘受潮等原因，会产生各 种的故障，需要进行故障分析来找出发生故障的位置。比较架空线路和电缆线路的 故障分析，两者之间有相通之处但也存在明显的不同之处。如在故障测距方面，由 于架空线路较长，其故障可以目视显见，测距结果相对而言也可以较为粗略，其结 果甚至可以与实际故障距离误差数百米甚至上千米；而电缆线路大多都敷设在电缆 沟内或埋在地下，发生故障后一般不能通过直观法直接发现故障点，如果测距结果 相差数百米，那么就失去了测距的价值，因此电缆线路要求有更为精确的测距精度， 需要用专用仪器测试来判断故障性质和故障距离。随着经济的发展，电力电缆在城 区配电网中的应用将会越来越广泛，而电力电缆应用数量的增多及运行时间和负荷 的不断增长，它们发生故障也会越来越频繁。在电力电缆发生故障后，如何快速精 确地查找故障点，解决故障问题，快速恢复正常供电，对保证电力系统供电的可靠 性和经济性起着关键作用。因此，对电缆故障测试方法进行深入研究，具有重要的 意义和实用价值。 1 2 国内外的研究状况 电缆故障测试一般要经过故障性质诊断、故障测距、精确定点三个步骤【1 】。故 障性质诊断是电缆故障测试的初始步骤，主要是确定故障类型以选择相应的故障测 距和精确定点方法；故障测距是在一定误差范围内确定故障点的位置，其精确程度 与电缆故障能否快速排除有直接关系，也是国内外专家学者研究得最多的方面；精 确定点是根据故障测距的结果，找出故障点精确位置的过程。 1 2 1 电缆故障性质诊断 电缆故障性质诊断主要目的是分辨故障和非故障电缆芯线，初步确定故障的类 型与严重程度，以便根据故障类型来确定对应的故障测距和精确定点方法。按故障 点绝缘电阻的大小进行分类，电缆故障可分为开路故障、低阻故障和高阻故障三种 类型【1 捌。 电缆故障性质诊断一般是根据故障发生时的现象，如继电器的动作情况来进行 初步判断，然后再进行导电和绝缘性能测量来判断故障的类型。目前也有利用神经 网络等智能技术，根据在线电缆不同故障时的信号特征来实现故障类型识别【3 】。 1 华北电力人学硕十学位论文 1 2 2 电缆故障测距 故障测距是电缆故障能否快速排除的重要因素，长期以来，国内外学者对此进 行了大量研究，提出许多不同的测距方法，适用于不同故障类型，并各有优缺点。 1 2 2 1 历史与现状 1 9 世纪中叶，人们发明和使用了电缆，也就开始电缆的维护和故障测试工作。 最初的判断电缆故障的方法是通过人工巡线，通过外观找到故障的外部特征，或通 过仪表测试判断故障的性质，这种方法费力、费时。随着故障录波器的出现，出现 了通过电信号来粗略估计故障的位置的方法【4 1 ，这阶段可称为模拟式故障定位阶段。 到了2 0 世纪9 0 年代，由于测试技术的出现以及通信技术和计算机技术的进步，故 障测距技术有了进一步发展，出现许多利用计算机完成故障测距的方法【5 。】。其中有 利用单端信息，根据各自算法来求得故障距离的方法，但这种方法无法克服故障电 阻对测距精度的影响。到1 9 8 8 年，加拿大s a s k a t c h e w a n 大学的s a c h d e v 和英国b a c h 大学的a g a r w a l 最早提出采用双端电气信号进行故障测距的方法【8 1 。我国学者西安 交通大学的董新洲和葛耀中教授也于1 9 9 5 年提出基于双端电压、电流的故障测距 方法。2 0 0 4 年武汉大学的陈允平教授和龚庆武、肖文峰等提出基于全球定位系统 g p s 的双端信息故障测距方法。采用双端信息的故障测距方法因不受故障电阻的影 响而逐渐成为测距研究的热点。近年来，随着小波分析应用的广泛，国内学者提出 了许多基于小波分析的故障测距方法，如文献【9 1 3 】所述，取得了很多有价值的成 果，但还存在着一些尚未解决的问题，因此还需要进行新方法的研究，以提高故障 测距精确度，加快电缆故障的排除。 1 2 2 2 测距方法的分类 总结已有的电缆故障测距方法，根据工作原理的不同，可分为行波法和阻抗法， 目前实际应用上以离线状态较多。 ( 1 ) 行波法 行波故障测距的研究可追溯到2 0 世纪5 0 年代，人们根据电压和电流行波在线 路上以固定的传播速度( 电力电缆中波速一般为1 5 0 2 2 0 m l x s ) 这一特点提出了行 波测距方法( 简称行波法) ，利用行波在测量点到故障点之间往返一次的时间经过 简单运算即可得到距离。 行波法不断发展完善，2 0 世纪9 0 年代测试技术的出现使得行波法有了更加快 速的发展。目前，行波法可分为以下三种类型【m 1 5 】。第一种类型是利用故障点产生 的行波，并根据行波在测量端和故障点之间往返一次的时间和行波波速来确定故障 点的距离。这种方法原理简单，所用装置少，且不受过渡电阻及对端负荷阻抗的影 2 华北电力大学硕士学位论文 响，理论上可以达到较高精度。在工程应用上有脉冲电压法、脉冲电流法。第二种 类型是利用故障点产生的第一个行波波头，借助通讯通道实现测距。其优点是只需 确定出第一个行波波头到达电缆两端的时间，而不受故障点反射波和透射波的影 响。第三种类型是利用脉冲发射装置向离线的故障线路发射高频脉冲，根据高频脉 装置到故障点往返的时间进行测距。工程应用上有低压脉冲反射法和二次脉冲法。 行波法对于电缆故障的测距能够取得较好的效果，并具有原理简单、不受电缆 故障类型和线路不对称因素影响的优点，得到了广泛的使用，但还存在着一些问题。 如：反射波的识别问题，当故障电缆中除故障点之外还存在其他阻抗不匹配点时， 行波信号将会出现反射和透射现象，这些点的存在将给故障点反射波的识别带来困 难；反射波到达时间的问题，行波在电缆中传输的过程中将发生衰减，频率越高， 传播速度越快，其衰减也越严重【l 引，结果便是行波波形在传播过程中产生扭曲、 变形，以哪一点作为反射波到达的时刻，这无疑将直接影响到测距的精度；等等。 ( 2 ) 阻抗法 阻抗法的基本原理是根据线路长度与阻抗成正比，测量故障时的电压和电流， 找出故障距离与检测电压、电流的关系，求出电缆故障点与测量端的距离。较经典 的阻抗法是直流电桥法和根据分布参数线路理论推导出故障定位方程的方法。阻抗 法的优点是简单、方便，准确性方面故障测距的相对误差一般为2 3 。但故障 点的过渡电阻对阻抗法的故障测距精度有一定的影响，通常阻抗法对低阻故障的测 距精度很好，但对高阻故障的定位精度会随着过渡电阻的增大而降低【l9 1 。 前面介绍的电缆故障测距方法大都基于离线状态，在线的故障测距方法也有一 定的发展，如： 1 ) 文献 2 0 】提出一种基于电弧特性的电缆在线故障测距方法，其原理基于故障 时故障点电弧呈纯阻性来建立方程，求得故障点距离，但实际上故障时候电弧存在 着一定的阻抗角。 2 ) 文献 2 l 】提出利用分布式光纤温度传感器，通过检测故障点附近温度变化情 况来实现电缆在线故障测距的方法，具有方法简便，定位快速和不受电磁干扰的特 点。但这种检测方法只适合与低阻接地故障，目前还不能用于高阻接地故障测距中。 3 ) 脉冲电流法，由光纤电流互感器感应故障浪涌电流信号，用1 6 m h z 快速a d 技术实现测距。目前只能作不带分支出线电缆的在线故障测距【2 2 1 。 4 ) 基于小波的电缆在线故障定位研究。利用小波分析法识别出行波到达的时 间来实现电缆在线测距，但在第二个到达测量端的行波识别方面还存在着一些问题 【2 3 】 o 目前的在线方法相对于离线方法来说还没有明显优势，但从长远角度来看，在 线方法具有广大的发展前途。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3 电缆故障精确定点 在进行电缆故障测距时，无论采用哪种仪器和测量方法，难免有误差，为减少 开挖，测距后必须进行精确定点，通常使用声测法、声磁同步检测法和音频感应法 【2 4 2 6 1一 。 声测法目前在国内是最常用的定点方法，故障测寻时给故障电缆加上一个幅度 足够高的冲击电压，故障点发生闪络放电的同时会产生相当大的放电声并传至地表 面，利用这种现象来定点可以准确地找出故障点。 声磁同步检测法，在监听到声音信号的同时，利用磁性天线接收脉冲磁场信号， 并用电表或光电指示。如果耳机听到的声音与电表指针的摆动或光电信号同步，即 可判断该声音是由故障点放电产生的，故障点就在附近。 音频感应法一般用于探测故障电阻小于1 0 f 2 的电阻故障。用音频信号发生器向 待测电缆注入音频电流，在地面上用探头沿被测电缆路径接收电磁场信号并放大， 再送入耳机或指示仪表指示值的大小而定出故障点的位置。 1 2 4 小波分析方法 小波分析是一种自适应的时频域同时局部化分析方法，无论分析低频或高频局 部信号，它都能自动调节时频窗，以适应实际分析的需要。由于能够聚焦到信号时 域和频域的任意细节，小波分析被誉为“数学显微镜。小波变换在电缆故障测试 中的应用主要是测试信号的消噪处理和故障测距中脉冲信号起始时间点的检测。 电缆故障测试信号的消噪处理直接影响到测距的精确程度，传统消噪方法一般 只适用于信号是平稳且具有明显区别于噪声频谱特征的情况，但由于电缆故障测试 信号是含有大量高频分量的非平稳信号，因此利用传统的消噪方法效果不是很理想 暖7 1 ，而小波分析由于良好的时频局部性则特别适合于处理非平稳信号。目前小波消 噪在信号处理领域已得到了广泛的应用，其中非线性小波变换阈值消噪方法【2 8 】因具 有广泛的适应性和较快的计算速度，是目前小波消噪方法中应用最为广泛的一种 2 9 1 。它的阈值选取十分重要，采用的阈值不同，其消噪效果也会不同，因此如何选择合 适的阈值是小波阈值消噪研究中的一个重要问题。文献【3 0 】提出通过设定先验因子确定 各层小波系数阈值来进行消噪的方法，但此方法的消噪效果会受到先验因子的影响；文 献【3 l 】提出以信号消噪后的信噪比作为适应度函数并利用粒子群优化算法寻找出最 优分层阈值的计算方法，然而在实际的电缆测距中消噪效果还需要根据信号消噪后 的检测结果来衡量。因此，在利用小波阈值消噪法处理电缆故障测试信号的过程中， 阈值的确定问题还需要进行研究。 在电缆故障测距方面，文献【9 】提出用m a l l a t 二进小波变换对放电脉冲和反射脉 冲进行分析实现故障测距的方法；文献 1 0 】提出的小波变换和自相关分析的电力电 4 华j 匕电力人学硕十学位论文 缆故障测距；文献 1 l 】提出了基于小波变换模极大值的行波法与阻抗法相结合的单 端故障测距方法。这些方法实现电缆故障测距的共同特点是，利用小波变换对信号 奇异点的敏感性，通过对电缆不同类型的电信号进行变换，以模极大值描述电缆的 故障特征，最后求出故障距离。上述基于小波分析的电缆故障测距方法取得了一定 的研究成果，但在小波分析法的误差分析方面还存在着不足。对于行波测距法，由 于信号在传播过程中发生衰减，会使得信号的脉冲上升沿过于平缓，此时小波分析 法的测距精度会下降，并可能出现较大偏差的情况。因此，本文将对在这种情况下 如何提高测距精度进行研究。 1 3 论文主要工作 故障测距是电力电缆测试的重要内容，其精确程度是保证电缆故障能否快速排 除的关键。针对目前行波测距法中还存在的一些问题，本文将展开以下的研究工作： ( 1 ) 分析行波在电缆中的传播规律以及目前电缆故障测试方法的原理，利用 e m t p 对不同测试方法进行仿真和分析，为故障测距的进一步研究打下基础。 ( 2 ) 研究信号消噪中阈值的确定算法。信号的消噪处理直接影响到测距的精 确程度，通过研究小波阈值消噪方法的相关原理，分析不同阈值时候的消噪效果， 寻找合适的小波阈值确定方法。 ( 3 ) 研究故障点距离的确定方法。在分析常用的脉冲到达时间检测方法的基 础上，找出能够进一步提高测距结果精确度的方法，最后确定电缆故障距离。 ( 4 ) 初步搭建一个电力电缆故障测距系统，实现提出的故障信号的消噪和分 析处理方法，实现电缆故障的测距。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章电缆故障测试及行波测距 电力电缆类型众多，运行环境各异，产生故障的原因以及故障分类方法也是多 种多样。电缆故障的测试需要按一定步骤展开，其中故障测距是电缆故障测试的重 要内容，其精确程度是保证电缆故障能否快速排除的关键，目前广泛使用的方法是 行波法。本章先介绍电缆故障测试以及行波测距法的相关理论，并在其基础上对目 前常用的电缆行波测距法进行仿真分析。 2 1 电缆故障发生的原因 电力电缆产生故障的原因多样，主要可分为以下几种【1 , 1 4 ： ( 1 ) 机械损伤 机械损伤引起的电缆故障占电缆事故很大的比例，产生的主要原因有：安装时 的损伤，在安装时碰伤、拉伤电缆或者因电缆弯曲过度而损伤电缆；直接受外力损 坏，这方面的损坏主要有施工和交通运输所造成的损坏；自然力造成的损坏，如中 间接头和终端接头受自然拉力和内部绝缘胶膨胀的作用所造成的电缆护套的裂损。 ( 2 ) 过热 造成电缆过热的原因可以分为内因和外因。内因主要是由于电缆绝缘内部气隙 游离造成局部过热而使绝缘炭化，外因是电缆过负荷产生过热。安装于电缆密集地 区或电缆沟以及电缆隧道等通风不良处的电缆，还有穿在干燥管中的电缆以及电缆 与热力管道接近的部分等，都会造成电缆过热而使绝缘加速损坏。 ( 3 ) 绝缘受潮 中间接头或终端头结构不密封或安装不良而造成绝缘受潮。电缆制造不良在金 属护套上留有小孔和裂缝等缺陷或金属护套被外物刺伤也会使电缆受潮。 ( 4 ) 外皮的腐蚀 因受土壤中酸、碱和杂散电流的影响，使埋在地下的电缆铅( 铝) 护套受到电 腐蚀或化学腐蚀而损坏。 ( 5 ) 过电压 过电压主要是指大气过电压( 雷击) 和电缆内部过电压。实际分析表明，许多 户外终端头的故障是由大气过电压引起的。电缆本身的缺陷也会导致大气过电压情 况下发生故障。 ( 6 ) 材料缺陷 ，材料缺陷主要表现在三个方面：电缆制造上的缺陷，电缆附件制造上的缺陷和 6 华北电力大学硕士学位论文 对绝缘材料的维护管理不善而造成电缆受潮、脏污和老化。 ( 7 ) 绝缘物质的流失 电缆敷设时由于电缆的起伏、高低落差悬殊，高处的电缆绝缘流向地处从而使 高处电缆绝缘性能下降，引起故障。 ( 8 ) 设计和安装的问题 中间接头和终端头的防水设计不周密，选用的材料不当，电场分布的考虑不当， 工艺要求不严密，机械强度的裕度不够等是设计的主要弊病。拙劣的接头与不按技 术要求敷设电缆或者在潮湿的气候条件下作接头，使接头混入水气也是形成电缆的 重要原因。 2 2 电缆故障分类及测试步骤 2 2 1 电缆故障分类方法 电缆故障有以下的分类方法： ( 1 ) 按故障现象：可分为开放性故障和封闭性故障。 ( 2 ) 按故障位置：可分为接头故障和电缆本体故障。电缆受到外力破坏时， 多发生本体故障，而非外力破坏时，往往是接头故障。 ( 3 ) 按接地现象：分为开路故障、相间故障、单相接地、多相接地混合性故 障等。常见的是单相接地和多相接地故障。 ( 4 ) 按故障绝缘电阻大小：可分为开路故障、低阻故障和高阻故障三种类型【1 ，2 1 。 1 ) 开路故障：若电缆相间或相对地绝缘电阻达到所要求的规范值，但工作电 压不能传输到终端；或虽终端有电压，但负载能力较差。断线故障即为开路故障的 特例。 2 ) 低阻故障：电缆相问或相对地绝缘受损，其绝缘电阻小到能用低压脉冲法 测量的一类故障。当故障点对地电阻为零时，即为短路故障。 3 ) 高阻故障：电缆相间或相对地绝缘损坏，其绝缘电阻较大，不能用低压脉 冲法测量的一类故障，它是相对于低阻故障而言的。包括泄漏性高阻故障和闪络性 高阻故障两种类型。 2 2 2 电缆故障测试步骤 电力电缆故障测试一般要经过故障性质诊断、故障测距、精确定点三个步骤 【l ，1 4 o ( 1 ) 故障性质诊断：主要目的是分辨故障和非故障电缆芯线，初步确定故障 7 华北电力人学硕士学位论文 的类型与严重程度，以便根据故障类型来确定对应的故障测距和精确定点方法。电 缆故障性质一般可以根据故障发生时出现的现象，来进行初步判断。如运行中电缆 发生故障时，若只是给了接地信号，则可能是单相接地故障。继电保护过流继电器 动作，出现跳闸现象，则可能是两相或三相短路或接地故障，或是短路与接地混合 故障。如果还不能判断，则必须测量绝缘电阻和进行导通试验。 ( 2 ) 故障测距：又叫粗测，在故障电缆芯线上施加测试信号或者进行在线测 量、分析故障信息，初步确定故障的距离，为精确定点提供足够精确的信息。按照 工作原理的不同，可以分为行波测距法和阻抗测距法。阻抗法一般只适用于低阻故 障，而行波法则由于不受电缆故障类型和线路不对称等因素的影响得到广泛应用， 目前常用的电缆行波测距方法有低压脉冲反射法、脉冲电压法和脉冲电流法等。脉 冲电压法和脉冲电流法的主要区别是测量信号和接线有所不同，一般是脉冲电流法 要相对简单，它们又可分为直流高压闪络法和冲击高压闪络法两种方法。 ( 3 ) 精确定点：又叫精测，根据故障粗测的结果，沿着电缆的路径走向，找 出故障点的大概位置并将其限定在较小范围内，然后在该范围内利用放电声测法或 者其他方法确定故障点的准确位置。常用的方法有声测法、声磁同步检测法和音频 感应法。 其中故障测距是电缆测试的重要内容，其精确程度是保证电缆故障能否快速排 除的关键，目前广泛应用的是行波法，下文将展开介绍电缆行波测距法的相关原理 及并进行仿真分析。 2 3 电缆模型及行波传播规律 2 3 1 电缆的长线模型及其方程 电缆传输线属于长线，需要用分布参数模型来进行分析。当沿传输线分布的电 阻、电感、电容和电导，在任一点都相等时，称为均匀传输线。最基本形式是一对 平行导线，设想它由许多无穷小的长度元出组成的，每一长度元出具有电阻r 。出和 电感厶出，而两导线问具有电容q 缸和电导g o 出。这样就构成了均匀传输线的电 路模型。 8 ， r 出三。出z + 塞出 图2 - 1 均匀传输线电路模型 由均匀传输线电路模型可推导出以下方程 一夏0 u - r o i + 厶学o tc c ￥ 一罢= g o “+ c 0 学o t0 ( 2 - 1 ) 该方程的解可以表示为如下形式 u = u + + u 一 ( 2 2 ) i = i + - i 一 式中，u + 、r 称为入射波电压和入射波电流；u 一、厂称为反射波电压和反射波电流。 由式( 2 2 ) 可以看出，分布参数线路上任一点的电压和电流值实际上是两个不同 方向传播的电压、电流波数值的代数和。这些电压、电流波以一定速度运动，因此 称为行波。以始端指向终端为参考方向，这两个分量分别称为入射分量和反射分量。 2 3 2 长线的特性参数 ( 1 ) 特性阻抗z c 又叫波阻抗，定义为行波电压与行波电流之比，即入射波电压与入射波电流之 比，或反射波电压与反射波电流之比。由长线方程求解得到长线的特性阻抗一般表 示为 弘愿= 厝焉 在微波情况下，有r o v 0 出 锄- 2 0 0 0o 0 0 5o o l0 0 15o 0 2o 0 2 5o 0 3o 0 3 50 0 4o 0 4 5o 0 5 时间( m s ) 图2 4 低压脉冲法仿真波形 从图2 - 4 中可以看出，第一个脉冲是电容向电缆放电时产生的，而第二个脉冲 则是电压行波在短路故障点处发生反射，产生了极性与初始脉冲相反的反射脉冲。 经过一段时间，反射脉冲到达测量端后又一次到达短路点，再一次产生反极性反射 脉冲。此后电压脉冲将重复此反射过程，直至能量在电缆中消耗殆尽。 2 4 2 直流高压闪络法 2 4 2 1 方法原理 直流高压闪络测试法( 简称直闪法) 用于测量闪络击穿性故障，即故障点电阻极 高，在用高压试验设备把电压升到一定值时就产生闪络击穿的故障。据统计，能使 用直闪法测量的电缆故障约占电缆故障总数的2 0 。直闪法获得的波形简单、容易 1 2 理解。但直c i j 法测试的机会也需要珍惜，因为一些故障点在经几次闪络放电之后， 故障点电阻会下降，以致不能再用直闪法测试，直闪法接线如图2 5 所示。 其中t l 为调压器，t 2 为高压试验变压器，输出电压在3 0 6 0 k v 之间，c 为储 能电容器，l 为线性电流耦合器，采集的是电流的变化率线，其输出经屏蔽电缆接 测距仪器的输入端子。储能电容c 对高频行波信号呈短路状态，在故障点击穿产生 的电压、电流行波到达后，起产生电流信号的作用，可选用脉冲电容器，也可使用 电力电容器，电容容量宜选在1 4 p f 。 t 图2 5 直闪法接线图 2 4 2 2 直闪法电流波过程 设时间t = 0 时，电缆故障点在外加电压e 作用下击穿，故障点处形成短路电弧 并产生一个与e 相反的正突跳电压玩以及相应的电流i o = 一e o z c ( 规定电流从测量 点流向电缆为正) 向电缆两端传送，如图2 - 6 ( a ) 所示。在时间户t 时，电流波i o 到达 测量端，电容对高频行波信号呈短路状态，电流波在测量端全部反射回故障点，而 在故障点由于电弧短路又被完全反射回测量端，在t = 3 r 的时刻到达测量点，产生第 二次反射，这样来回反射直到整个瞬态过程结束。 测量点的电流是所有电流波的和，把图2 - 6 ( a ) 时间轴上的电流值逐点相加，可 得到如图2 - 6 ( b ) 所示的电流，电流的初始值为2 幻，即电流入射波i o 到达测量点后， 产生了电流加倍现象，而线性电流耦合器的输出则只反映电流的突变成分，如图 2 - 6 ( c ) 所示。h = r 与如= 3 r 时分别出现两个负脉冲，第一个负脉冲是故障点放电脉冲 到达测量端引起的，而第二个负脉冲是故障点反射脉冲引起的。它们之间的时间差 对应于电流波从测量端运动到故障点，又从故障点返回测量端的时间差，差值为 f = t ，一t = 2 r ，因此故障距离计算如下 l = v a t 2 ( 2 9 ) 式中1 ，为行波在电缆中的传播速度；为故障点距离测量端的距离。 1 3 华北电力大学硕十学位论文 、二二二_ 一 一一 ( a ) 电流行波网格图 h r3 f5 f ( b ) 测量点电流波形 一；f 5 f 2 4 2 3 直闪法的仿真分析 ( c ) 线性电流耦合器波形 图2 - 6 直闪法电流波形图 利用e m t p 对直闪法进行仿真，设电缆在某一相发生接地故障，利用直闪法对 故障相进行测试，如图2 7 所示。电缆总长1 0 0 0 m ，故障点在2 0 0 m 处，电缆参数 及计算步长设置同图2 - 3 。 1 4 d c4 0 电缆 r 22 0 0 m8 0 0 m 喜 图2 7 直闪法仿真原理图 图2 7 中以4 0 k v 的直流电源来代替原接线原理图中的交流电源以及整流升压部 分，r 2 为直流电源的保护电阻，d 为二极管用来保证电流向同一方向流动，c 为储 能电容，用来储存能量产生击穿，i 表示在始端测量电缆中的电流。k l 为压控开关， 其击穿电压为2 0 k v ，代表故障点的临界击穿电压，当k l 上的电压超过其击穿电压 时闭合，此时表示电缆被击穿，电流通过故障电阻r l 与大地形成通路。 开始试验时，储能电容的电压较低，没有达到故障点的临界击穿电压，电缆线 路并不发生击穿，随着电容电压的逐渐升高，当k l 上的电压超过2 0 k v 时，k l 闭合， 电缆故障点击穿，电流在电缆线路中流过，随着时间的延长，电流逐渐稳定，最后 直流电源与击穿点形成稳定通路。在测量端i 得到的波形如图2 8 所示。 嫣 脚 ( a ) 全过程电流波形 1 5 华北电力人学硕士学位论文 加。耻一一一 。- 2 0 0 0 l 一 哥- 3 0 0 0 l ， - 4 0 0 0i - 一j j ，j 一 槲 寒 锹 薅 雹 o 0 9 80 10 1 0 2 o 1 0 4 o 1 0 6 0 1 0 时间( m s ) ( b ) 故障点击穿放电后一段时间内的电流波形 ：。：ff一一1r一一丫一一 母0 0 _ 1 0 0 9 80 10 1 0 20 1 0 4o 1 0 60 1 0 8o 1 1 时间( m s ) ( c ) 线性电流耦合器波形 图2 - 8 直闪法仿真波形 由于线性电流耦合器l 采集的是电流变化率，所以对测量得到的电缆电流信号 进行求导后再乘以比例系数，就可以得到线性电流耦合器的波形。图2 8 ( a ) 是整个 过程的电缆电流波形图，而图2 - 8 ( b ) 是发生击穿放电后一段时间内的电流波形，可 以看到，在发生击穿放电后的一段时间内，电缆的电流产生单方向叠加并且成倍的 增长，直到一定值后才逐渐减少，最后达到一稳定值。图2 8 ( c ) 波形为对图2 - 8 ( b ) 波形求导所得，反映的是线性电流耦合器l 采集得到的波形，即电流的变化率。图 2 - 8 ( c ) q 丁开始的第一个脉冲是故障点放电电流波到达测量端产生的，第二个脉冲是电 流在测量端经过反射回到故障点，在故障点发生了反射，电流波再一次回到测量端 而产生的，此相邻两个脉冲之间包含了两倍的测量端到故障点的距离，因此得到它 们的时间差缸以及电缆波速度 ，再根据式( 2 9 ) f l j 可计算出故障距离。 2 4 3 冲击高压闪络法 2 4 3 1 方法原理 冲击高压闪络法，简称冲闪法。当故障点处形成贯穿性通道或故障电阻不很高 的情况下，有下面两种场合，不能使用直流闪络法：第一，随着电压的慢慢增加， 只是泄漏电流逐步增大，而故障点却不发生闪络；第二，由于泄漏电流不断增大， 1 6 华北电力大学硕士学位论文 而使试验设备的使用容量受到限制，或由于试验设备的内阻很大，导致故障点加不 上高压，电压全降在试验设备的内阻上。以上两种情况必须采用冲闪法，据统计， 运行中的电缆故障有7 0 以上需要用冲闪法进行测量。 冲闪法能够较好的测量高阻故障，接线简单，操作安全方便。但是对于存在二 次击穿放电的情况，会增加波形的复杂程度，给波形分析带来一定的难度。冲击高 压闪络法的接线原理如图2 - 9 所示。它与直闪法接线原理基本相同，不同的是在储 能电容c 与电缆之间串入了球形间隙g 。首先，通过调节调压升压器对电容c 充电， 当电容c 上电压到达临界击穿电压时，球形间隙g 击穿，电容c 对电缆放电，这 一过程相当于把直流电源电压突然加到电缆上去。 t 1 图2 - 9 冲闪法接线图 2 4 3 2 冲闪法电流波过程 ( 1 ) 故障点不击穿时的脉冲电流波形 图2 1 0 为故障点不击穿时的行波传播网格图、电流波形以及线性电流耦合器波 形。球间隙放电后，即被电弧短路，储能电容相当于直流电源，对高频行波信号呈 短路状态，电流波反射系数为1 ；而电缆远端开路，电流波反射系数为一1 。这样电 流行波在测量端产生正的全反射，运动到远端后，又被倒相反射回来，此后电流行 波将持续来回反射的过程，直到能量全部消耗掉。 f ( a ) 电流行波网格图 1 7 华北电力人学硕十学位论文 二_ = 二= 二二_ 一 ( b ) 测量点电流波形 ( c ) 线性电流耦合器波形 图2 1 0 故障点不击穿时电流波形 ( 2 ) 故障点直接击穿时的脉冲电流波形 当通过球间隙加到电缆上的高压信号幅值大于故障点临界击穿电压时，电压波 穿过故障点一定时间后，故障点电离，击穿放电，这种情况叫高压脉冲直接击穿。 f 2 r + 乞 4 r + 屯 ( a ) 电流行波网格图 2 r + t a 4 r + b6 r + 乙 f 靳 f ( b ) 测量点电流波形 1 8 华北电力大学硕士学位论文 旷 、y r 2 旦 z ( c ) 线 陋l111 埔刚 如图2 1 1 ( a ) 行波网格图所示，球间隙击穿后，高电压波e 沿电缆向前运动，相 应的电流波为i o = 一e o z 沿电缆向前运动，