（电力系统及其自动化专业论文）低压脉冲法在电缆故障测距中的应用及其相关问题研究.pdf

a b s t r a c t p o w e rc a b l ef a u l to c c u r sr e g u l a r l yi np o w e rs y s t e m f a u l t l o c a t i o ni st h e p r e c o n d i t i o nt oe l i m i n a t et h ef a u l t a c c u r a t ef a u l tl o c a t i o nc a l lr e d u c et h et i m e t of i n d o u tt h ef a u l tp o i n ta n dt h ec o s to f p o w e rc a b l ec u t t h i sp a p e rh a sc a r r i e do nt h el o wv o l m g ep u l s ee x p e r i m e n tt ot h ec a b l eo f d i f f e r e n tl e n g t h s t h el a wi nt h ec a b l eo fl o wv o l t a g ep u l s ei sk n o w nw e l lt h r o u g h t i m e - f r e q u e n t l ya n a l y s i s o nt h ed a t a , a n dt h en e ws o l u t i o nt ot h ep r o b l e mt h a t a p p e a r e di nt h ee x p e r i m e n t i sp u tf o r w a r d b e c a u s eo ft h el o s so f c a b l e ，t h et r a v e l i n g w a v ei sd i s t o r t e da n dt h er e f l e c tp u l s er i s eb e c o m e ss l o w l y , w h i c hd o n tb e n e f i tt ot h e a c c u r a t e j u d g eo f s t a r tp o i n to ft h er e f l e c tw a v e t h ec u r v ef i tm e t h o di sp r o p o s e dt o c o m p u t e t h es t a r tp o i n to fr e f l e c t i o nw a v e ，a n dt h el e a s ts q u a r e sm e t h o di su s e dt of i t t h ed a t ao fr e f l e c tp u l s er i s e t h ew a v ec r o s sz e r op o i n ti st h ec o n s i d e r e d 硒t h es t a r t p o i n to f r e f l e c t i o nw a v e t h ec o n i cs e c t i o nm e t h o di sa d o p t e dt or e v i s et h er e s u l t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es t a r tp o i n t so f r e f l e c tw a v ec 锄b e d i s t i n g u i s h e da c c u r a t e l y t h e a b s o l u t ee r r o ri sn om o r et h a n3s a m p l i n g p o i n t s ，s oi th a s m o r ea d v a n t a g e sc o m p a r e d 诵t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d st o j u d g e t h es t a r tp o i n to f r e f l e c tw a v e t h er e a ls i g n a lo f t e ni n f l u e n c e db yv a r i o u sk i n d so fn o i s e s ，w h i c hr e d u c et h e s n ro fg a t h e r i n gs i g n a la n dp u tb l i g h to nf a u l tl o c a t i o n t h ei m p r o v e dw a v e l e t s o f t t h r e s h o l dm e t h o di sp r e s e n t e db a s e do nt h ed i f f e r e n tp r o p a g a t i o n p r o p e r t yo f r e a l s i g n a l sa n dw h i t en o i s e su n d e r t h ew a v e l c tt r a n s f o r m i tc a l la c c e l e r a t et h es e p a r a t i o n o f t h es i g n a lf r o mt h en o i s ea n d g e th i g h e rs n r f o r t h er e c o n s t r u c t e ds i g n a l k e yw o r d s ：p o w e r c a b l e ，f a u l tl o c a t i o n ，c u r v ef i t ，e r r o rc o r r e c t i o n ，w a v e l e t a n a l y s i s ，d e n o i s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得垂星盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耀钗签字日期：l o 。爹年，月，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫凄盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：猩餐乏 导师签名：旅桶区 签字同期：2 0 够年，月i s 日签字闩期：加蟛年，月“同 墨二兰丝丝 一一 第一章绪论 随着经济建设的不断发展，电力电缆在城区配电网中得到了越来越广泛 的应用。同架空线相比，电力电缆具有供电可靠性高，不受地面和空间建筑 物的影响，安全、隐蔽、耐用等优点。另外电缆还具有不受恶劣气候和鸟类 侵害，供电可靠，维护工作量小，防潮，防腐和防损伤等优点。 随着电缆应用数量的增多及运行时间和负荷的不断增长等原因，电力电 缆的故障越来越频繁。由于电缆线路大多敷设在电缆沟内或埋入地下，因此 发生故障后般不能通过直观法直接发现故障点，只能采用专用仪器测试才 能判断故障性质和故障距离。随着技术的进步，目前已经出现了多种实用的 测距方法，其中以行波法应用最为广泛，利用行波法可以较准确的进行各种 故障测距，减小了故障定点的工作量，有利于快速发现故障点和排除故障， 及时恢复系统运行，减小由于电缆故障而带来的经济损失。 1 1 电缆故障分类与故障原因 1 ，1 1 电缆故障分类 电缆故障的分类方法有很多，一般将电缆故障分为开路故障、低阻故障 和高阻故障三种类型1 , 2 1 开路故障：若电缆相间或相对地的绝缘电阻达到所要求的数值，但是工 作电压不能够传输到对端，或者终端虽然有电压但是带负载能力较差。如图 1 1 所示，在一相串联电阻如，当靠= 0 0 时即可视为开路故障，这是开路故 障的特例。 低阻故障：电缆相间或相对地问绝缘受损，其绝缘电阻小到可以利用低 压脉冲法测量的一类故障，一般过渡电阻小于2 k 的都可以认为是低阻故障。 如图1 1 所示，当b 相对地电阻靠= 0 时为短路故障，这是低阻故障的特例。 高阻故障：电缆相问或相对地绝缘损坏，其绝缘电阻较大( 靠较大) ， 不能使用低压脉冲法测量的一类故障， 络性高阻故障和封闭性故障两种类型。 它是相对于低阻故障而言的。包括闪 这两类故障大多数是在进行预防性试 验时发生的，并且多出现于电缆中间接头或终端头内，特别是封闭性故障多 数发生在注汕的 乜缆头内。如果在其一试验电压下绝缘被击穿，然后又恢复， 有时连续击穿，有时隔数秒钟或数分钟后再击穿，这种故障称为闪络性敞障。 第一章绪论 如果击穿发生后，待绝缘恢复，击穿现象便完全停止这类故障则称为封闭性 故障。这两种故障是电力电缆中的常见故障，也是测距难度较大的一类故障。 。= = - 图卜1电缆故障示意图 1 1 2 电力电缆故障产生的原因 电力电缆的故障多种多样，产生故障的原因也各有不同，通过对电缆各 种故障类型的分析和总结，故障原因主要有以下八种3 1 ： ( 1 ) 绝缘老化变质。导致绝缘老化的原因有以下几种： 1 ) 电作用。电缆绝缘介质长期处在电场作用下，而且内部总有气隙存在， 从而使绝缘内部产生游离，导致绝缘大大下降。 2 ) 晶化作用。绝缘和护层受外应力和内应力的作用，造成损伤，其主要 表现为：由于震动晶化疲劳和冲击性电动力的损害，导致铅( 铝) 包龟裂而 受潮，绝缘降低，电缆的护层因腐蚀老化而出现麻点、开裂或穿孔。 3 ) 水分和化学的作用。当绝缘介质中发生电离时，气隙中产生臭氧、硝 酸等化学生成物，腐蚀绝缘。绝缘中存在的水分，使绝缘纤维产生水解，导 致绝缘大大下降。 总之，电缆绝缘长期在电作用下工作，要受到伴随电作用而来的化学、 热及机械作用，从而使介质发生物理化学变化，导致介质的绝缘下降。 ( 2 ) 过热。 造成电缆过热的原因有许多方面，既有内因又有外因。内因主要是电缆 绝缘内部气隙游离造成局部过热，从而使绝缘炭化。外因是电缆过负荷产生 过热。安装于电缆密集地区、电缆沟以及电缆隧道等通风不良处的电缆、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 ) 机械损伤。这类故障主要包括以下几个方面： 1 ) 直接受外力作用而造成的破坏。这方面的损坏主要有施工和交通运输 所造成的损坏，例如挖土、打桩、起重、搬运等都有可能误伤电缆。行驶车 辆的震动或冲击性负荷也会造成穿越公路或铁路以及靠近公路或铁路并与之 平行敷设的电缆的铅( 铝) 包的裂损。 2 第一章绪论 2 ) 敷设过程造成损坏。这方面的损坏主要是指电缆因受拉力过大或弯曲 过度而导致绝缘和护层的损坏。 3 ) 自然力造成的损坏。这方面的损坏主要有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。因电缆自然膨胀和 土壤下沉所形成的过大拉力，拉断中间接头或导体以及终端头瓷套因受力而 破损等。 ( 4 ) 护层的腐蚀。因受土壤中酸、碱和杂散电流的影响，埋地电缆的铅( 铝) 包将遭受腐蚀而损坏。 ( 5 ) 绝缘受潮。中间接头或终端头在结构上不密封或安装质量不好而造成绝 缘受潮。在制造电缆包铅( 铝) 时留下砂眼和裂纹等缺陷也会使电缆受潮。 ( 6 ) 过电压。过电压主要是指大气过电压和内部过电压。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。 ( 7 ) 材料缺陷。材料缺陷主要表现在三个方面。 1 ) 电缆的制造问题。这部分的问题主要有包铅( 铝) 留下的缺陷。在包 缠绝缘过程中，纸绝缘上出现皱褶、裂口、破损和重叠间隙等缺陷。 2 ) 电缆附件制造上的缺陷。如铸铁件上有砂眼，瓷件的机械强度不够， 其它零件组装不符合规格或组装时气隙不密封等。 3 ) 对绝缘材料的维护管理不善，造成电缆受潮、脏污和老化。 ( 8 ) 设计和制作的工艺问题。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，中间接头和终端头的制作不按照工艺要求的规程进行， 大大增加了电缆故障的发生概率。 1 2 电力电缆故障探测步骤 电缆发生故障后应该及时采取措旌发现并排除故障点，恢复电缆的正常 供电。一般电力电缆故障探测主要经过故障诊断、故障烧穿、故障测距、电 缆敷设路径探测和故障定点几个步骤4 j 1 。 l 、电缆故障性质诊断，即确定故障的类型与故障的严重程度，以便于故 障测试人员选择适当的电缆测距方法和故障定点方法。所谓确定故障的性质 就是指确定故障是高阻还是低阻故障，是闪络性故障还是封闭性故障，是接 地故障、短路故障、断线故障还是混合故障，是单相、两相还是三相故障。 确定故障的性质可以利用故障时发生的现象或继电保护装置的动作情况初步 判定。 第一章绪论 2 、如果发生的是高阻或闪络性故障，一般需要对高阻故障或闪络性故障 进行故障点烧穿，将高阻故障或闪络性故障变成低阻故障。主要有交流烧穿 法和直流烧穿法两种。交流烧穿时，容易将故障点烧断，另外交流烧穿法需 要向故障电缆提供大量无功电流，所以烧穿设备的容量必须足够大。为克服 交流烧穿需要庞大的烧穿设备和故障点容易烧断的缺点，可改用直流烧穿法。 直流烧穿设备的容量比交流烧穿设备的容量小一些，其原因是直流烧穿时不 会出现无功电流，而且烧穿电流能全部通过故障点。另外，因直流烧穿电流 不象交流电流那样有零值出现，所以不易烧断故障点。 3 、电缆故障测距，又称为粗测，即在电缆的一端利用测距仪器确定故障 点与测试端的距离，采用的方法主要有电桥法和行波法等。 4 、电缆敷设路径的确定。对于电缆敷设路径不能确定的情况下，要利用 电缆路径探测仪来确定电缆埋设深度和敷设路径。 5 、电缆故障定点，又称为精测。由于电缆端部预留以及测量误差等原因， 通过电缆故障测距得出故障的大致距离后，需要再通过精确的定位方法，找出故 障的准确位置。电缆故障定点的方法很多，主要有声测法、音频法，声磁同步法 等，下面对这三种方法进行简要介绍： 1 ) 声钡4 法：对于电缆护层已经被烧穿的故障。往往可以在地面上用人耳直 接听到故障点的放电声。但是对于电缆护层未被烧穿的电缆故障或者电缆埋藏较 深，过渡电阻较小，都有可能使故障点放电声音减小，需要用高灵敏度的声电转 换器( 拾音器或压电晶体) ，将地面上微弱的地震波转换为电信号并由相关仪器对 信号进行放大处理，然后用耳机还原成声音，或通过显示装置显示声音的强度。 声测法的基本原理是利用直流高压对高压电容器放电，利用电力电缆故障点放电 时产生的声音信号进行定点，利用声音传感器在电力电缆上方将声音信号检测出 来，声音最大的地方为故障点所在的位置。该方法主要用于电力电缆高阻故障的 定点。 kl d 图1 - 2 声测法故障定点接线图 图卜2 为卢测定点法的示意图，图中r d 为保险丝，t 1 为调压器，t 2 为 4 第一章绪论 升压变压器，g 为球形间隙，c 为高压电容( 一般为4 ，旷) 。基本原理是首先通 过高压设备对电容器c 充电，当电容器中的电荷强度达到一定的势能后就会 通过球形间隙g 对电缆故障线芯放电，并将电能传送到故障点。借助拾音器 可以从地面听到故障点处能量释放时产生的振动声音，收到的信号最强的地 方一般就是故障点。为了使故障点声音易于听测，需要适当提高故障点的放 电能量。为了使故障点放电声音有别于周围的噪声，要求放电具有周期性， 在实际的故障定点过程中，一般放电的周期为2 4 秒左右。 2 ) 音频法：如果电缆发生了低阻故障( 例如故障电阻小于1 0 欧姆) ，就 很难利用声测法检测到故障点放电的声音或者根本没有放电声音，因此低阻 故障不能使用声测法进行故障定位。这时可以使用音频感应法通过检测地面 上磁场的变化来确定故障点的位置。一般是用1 k h z 1 5 k h z 的音频信号发 生器向被测电缆中通入音频信号电流，由于电磁耦合的作用，在大地中会产 生感应电流，从而形成地面磁场然后在地面上用探头沿着电缆敷设路径接 收音频信号，并将接收到的音频信号送入接收机进行放大并送入耳机。根据 耳机中响声的变化可探测故障点的位置，在故障点的上方音频信号最强，当 探头继续前移时，音频信号逐渐降低，则音频信号最强处即为故障点。 图1 - 3 声磁同步法不同位置测量波形 3 ) 声磁同步法玛：通过检测电力电缆故障点放电时产生的磁、电信号的时间 差来确定故障点位置。由于磁场信号的传播速度较快，般从故障点传播到仪器 传感器探头放置处所用的时间可以忽略不计，而声音信号相对于磁场信号来说传 播速度较慢，因此可以利用声、磁信号的时闻差来判断故障点的远近，测出时间 差最小的点就是故障点。声磁同步法同样适用于电力电缆高阻故障的定点。 第一章绪论 图l 一3 给出了仪器探头在故障点附近不同两点检测到的故障点放电声音 信号波形，仪器是由脉冲磁场信号触发后开始记录声音信号的。由图可以得 到磁声信号的时间差a t ，a t 2 ，由于a t i a t 2 ，所以f 2 对应的探头位置更靠近 故障点。 故障诊断、故障烧穿、故障测距、电缆敷设路径探测和故障定点这五个 步骤是一般的故障测寻步骤，实际上根据具体情况可以省略一些步骤，例如， 电缆敷设路径图纸准确时可不必再探测电缆敷设路径。对于高阻故障，可不 经过烧穿而直接使用闪测法进行粗测。对于一些闪络性故障，不需要进行定 点，可根据粗测得到的距离数据查阅资料，直接挖出粗测点处的中间接头， 然后再通过细听而确定故障点。对于电缆沟或隧道内的电缆故障，可进行冲 击放电，不需要使用仪器( 如定点仪等) 而直接用耳昕来确定故障点b 1 。 1 3 电缆故障测距技术的发展 随着科技的进步，涌现出了越来越多的电缆测距方法，其中以电桥法和 行波法为主，电桥法又分为直流电阻电桥法和电容电桥法。行波法分为低压 脉冲发射法，脉冲电压法，脉冲电流法，二次脉冲法等。随着光纤技术的发 展，其技术也应用到了电缆故障测距领域，出现了光纤电缆故障测距法。 1 3 1 电桥法基本原理抽1 ： 电桥法主要应用于电缆低阻故障测距，认为电缆是集中参数元件，同种 规格的电缆芯线电阻( 电容) 与长度成正比。一般要求故障点的电阻不超过 1 0 0 千欧。使用电桥对电缆进行故障测距时通常使用单臂电桥、双臂电桥或 自制电桥等。一般接线方式如下图所示： 图1 4 电桥法测距示意图 6 6 ) 第一章绪论 图b ) 为图a ) 的等效电路图，当电桥平衡时，检流计g 中无电流通过，且 满足等式 鲁r = 鲁r 卜， 24 、 。 设电缆单位长度电阻为m m ，l 为电缆长度，x 为故障点到测量点的距 离( m ) ，根据电桥平衡公式( 1 1 ) 得： 旦：鱼：堡墨二生：! r 2r 4 x + r j x = 羔( 1 - 2 ) 电容式电桥的测距原理与电阻式电桥测距原理基本相同，它用于电缆开 路故障的测距，基本原理是开路故障测得的电缆电容量与电缆故障距离成正 比，只要利用电容电桥测出了电容大小，并且知道了电缆单位长度的电容值， 就可以求出电缆的故障距离。 电桥法的优点是原理简单，溯量准确度高，但是电桥法本身有一些缺点： 首先是电桥法不能用于高阻和闪络性故障，因为高阻和闪络性故障流过检流 计的电流非常小，一般灵敏度的检流计很难探测这样小的电流。因此需要将 高阻故障用高压直流或交流法烧成低阻故障，但是这是十分困难的工作，不 仅耗时较多，而且容易将故障点烧断，导致故障点电阻反而增加。如果故障 点电阻烧的过低呈永久性短路，会导致不能采用声测法进行故障的精确定位。 电桥法的另个缺点是利用电桥法测距无论采用何种方法和设备，必须知 道电缆线路的具体资料，否则会导致测距结果误差过大。另外电桥法要求引 线接触良好，否则由于接触电阻的存在会使测距结果产生较大误差。当同一 电缆线路中材料或截面不同的导体接在一起时必须进行等值长度换算。电桥 法不能用于电缆三相短路和三相断路故障测距。由于电桥法存在较多缺点， 目前电桥法已逐渐被其它测距方法所取代。 1 3 2 光纤传感技术在电缆测距中的应用” 随着光纤技术的发展，光纤传感技术在电缆故障检测中的应用得到了快 速发展，它不仅能够满足快速定位的要求，而且定位更准确，因此其应用越 来越受到重视。当光在光纤内传输时，光的特性( 如振幅、相位、偏振态等) 将随检测对象的变化而变化。光在光纤中传输时，光的特性得到了调制，通 过对调制光的检测，便能感知外界的信息，这就是光纤传感器的基本原理。 用j ：f u 缆故障检测的分稚式光纤温度传感器( f o d ts e n s o r ) 属- j ：传感型 第一章绪论 光纤传感器。f o d t 传感器的工作原理是拉曼( r a m a f l ) 背向散射光强度随电缆 温度变化而变化。拉曼背向散射光由反一斯托克斯光( a n t i - s t o k e sl i g h t ) 和斯托 删；( s t r o k e sl i 曲t ) 组成。这两种光的波长不同，光强比例可以转换成温度 的读数，这种温度关系可以表示为： o c l + n ( a v ，r ) k n ( a v ，) n ( a v ，r ) = 1 e x p ( h c a v k t ) 一1 i 。l 。e x p ( h c a v k t 、 式中。为斯托克斯光强度：，。，为反斯托克斯光强度：h 为普朗克( p l a n c k ) 常数；c 为真空中的光速；k 为玻尔兹曼( b o l t z m a n n ) 常数：a v 为波数，c m ： r 为绝对温度。根据激光脉冲开始注入到散射光返回所需要的时间可计算出 距离。光纤中光的传播速度为o 2 m n s ，因此从光束注入到背向散射光到达 时间，每l o n s 就可以变换成l 米的光纤长度，这被称为光纤时域反射仪 ( o t d r ) 。光纤传感技术用于电力电缆的故障检测具有方法简便、定位快速和 不受电磁干扰的优点。但是这种检测方法只适用于低阻接地故障，目前还不 能应用于高阻接地故障测距中。 1 4 基于行波的电缆故障测距方法 行波测距的理论基础是认为电缆是分布参数元件。基本方法是根据入射 行波与反射行波的时间差和行波在电缆中的传播速度确定故障距离。根据是 否离线分为离线测距法和在线测距方法。离线测距方法是目前最常使用的测 距方法，可分为低压脉冲反射法、赫冲电压法、脉冲电流法和二次脉冲法等。 1 4 1 低压脉冲反射法( l o wv o i t a g ep u i s er e f i e c t i o nm e t h o d ) 低压脉冲反射法主要用于低阻和断线故障测距。基本方法是首先向故障 电缆首端注入脉冲电压信号( 电压信号可以选择阶跃电压或脉冲电压1 ，通过 测量入射电压行波和反射电压行波的时间差来进行测距，测距公式为1 1 2 1 ：挲( i - 2 ) 1 其中为故障距离，a t 为入射行波和反射行波之间的时间差，v 为行波 在电缆中的传播速度。该方法简单、直观，不需要知道电缆的准确长度，根 据脉冲反射波还可以识别电缆接头与分接点的位置，但该方法只适用于电缆 低阻和断路故障测距或用于电缆全长测量，不能用于电缆高阻和闪络性故障 测距。 第一章绪论 1 4 2 脉冲电压法( i m p u i s ev o i r a g e e x p e ri m e n t a t i o n ) 脉冲电压法又称闪测法，它利用直流高压或脉冲高压信号击穿电缆故障 点，由放电电压脉冲在观察点与故障点之间往返一次的时间来进行测距，主 要用于高阻和闪络性故障。脉冲电压法的优点是不需要将高阻与闪络性故障 击穿，直接利用故障短时击穿产生的瞬间脉冲信号进行测距，测试速度快， 测量过程简单易行，已经成为测量电缆高阻和闪络性故障的重要方法。但是 脉冲法本身存在一些缺点u ”： 1 、由于要产生高压脉冲信号，高压信号容易串入测试仪器，危及仪器和 人身安全。 2 、需要串接一个阻抗来产生电压信号，因此降低了电容放电时加在故障 电缆上的电压，对辨别波形不利。 3 、故障点放电，特别是冲闪测试时分压器耦合电压波形变化不易分辨。 4 、接线比较复杂。 脉冲电压法接线图如图1 5 所示： xr d 图 - 5 脉冲电压法接线图 图中r 为限流电阻；r l ，r 2 为分压电阻；g 为球形间隙；c 为储能电容 器，电容量取4 ，旷左右，如果故障点不能充分放电可适当增加电容器的电容 量；l 为电感线圈。 l 的作用：由于储能电容的电容量较大，它相当于短路元件。无法取得 反射回来的高频突变电压波。为了取出反射电压波形，在球隙与故障电缆之 间串入电感线圈l ，l 对突变电压波瞬间相当于开路，可以取出反射波形。电 缆测量端的典型波形如图卜6 所示。入射波时间和反射波时间差应按t 进行 计算。 9 第一章绪论 图1 6 冲击法实测波形图 1 4 3 脉冲电流法( i m p u i s ec u r r e n te x p e r i m e n t a t i o n ) 脉冲电流法是在脉冲电压法的基础上发展起来的，它是通过线性电流耦 合器测量电流脉冲信号，无需电容与电缆间串连阻抗，因此保证了仪器和测 量人员的安全，脉冲电压法和脉冲电流法已经成为高阻和闪络性故障测距的 主流方法，基本上解决了电缆高阻和闪络性故障的问题，但是这两种方法存 在盲区，有时波形不够明显，需要靠人为判断，仪器误差较大，脉冲电流法 接线图如下所示。 图1 7 脉冲电流法接线示意图 1 4 4 二次脉冲法( s e c o n dm e t h o di m p u l s e ) m ”1 无论是脉冲电压法还是脉冲电流法，在电缆故障复杂特别是电力电缆存 在分支时均存在波形识别困难的缺点，因而出现了二次脉冲电压法。二次脉 冲法首先利用冲击高压或直流高压击穿故障点，在闪络维持低阻状态时间内 ( 一般为5 0 0 m s 走右) 发射个低压脉冲，此脉冲在故障点闪络处( 电弧的电阻 值很低) 发生短路反射，并记忆仪器中，电弧熄灭后，再发射一个测量脉冲通 过故障处直达电缆末端并发生开路反射，然后比较两次低压脉冲波形可以比 较容易的判断故障点的位氲。该方法可以避开故障点闪络时引起强烈的电磁 干扰，即使长电缆也能记录到清晰的信号波形，提高了测量准确度。缺点是 仪器较多。另外要把故障点电阻要降到很低，当故障点绝缘受潮严重，故障 点击穿时问较长，测试时间相应增加。故障点维持低阻的时间不确定，因此 施) j r l - 次低压脉冲的控制有一定的困难，测试成功率不高。二次脉冲法波形 彳惑圈女f ff 廖i 示。 1 0 第一章绪论 图1 - 8 二次脉冲法波形示意图 低电压反射法，脉冲电压法，脉冲电流法和二次脉冲反射法都是在现代 行波理论的基础上一步一步发展起来的电缆故障测距方法，与传统的电缆测 距方法相比具有不可比拟的优势，能够完成绝大多数电缆故障的测距工作。 1 4 5 在线测距方法 根据行波的种类和测量方式的不同，基于行波的在线测距方法主要有a 型和b 型两种，同时也产生了许多新型的在线测距方法。 a 型测距方法的基本原理是利用故障点产生的行波，根据行波在测量点 与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，原理简单， 所用装置少，并且不受过渡电阻及其对端负荷阻抗的影响，理论上可以达到 较高的精度。a 型在线测距方法的主要问题是如何准确区分是故障点反射的 行波还是对端母线反射的行波。 b 型在线测距方法是利用故障产生的第一个行波波头信号，借助于通信 通道实现测距，其优点是行波第一次到达故障线路两端的时间不受故障点透 射波的影响，从而可以准确确定行波到达线路两端的时问差。b 型测距方法 需要较多的辅助装置，成本高，因此该方法可用于重要的电力电缆故障测距。 利用重合闸产生的暂态行波在测量点与故障点之间传播时间和由测量点 感受到的故障开断初始行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延实现单端输 电线路故障测距是目前在线测距的两种新方法。这两种方法是近几年随着国 内外学者对行波法研究的深入而产生的1 1 6 。其优点是不受对端反射波的影 响，所用设备较少，可以测量瞬时故障。当继电保护装置不动作，此方法不 适用。此方法还受到对端故障开断行波的影响，目前只能记录故障暂态行波 及重合闸暂态行波。 日1 ：j i 网外还出现了一些其它的电缆在线测距方法。例如，同本学者采用 脉冲r u 流法，e l i 光纤r 乜流互感器感应出故障时产生的浪涌电流信号，利用采 第一章绪论 集速度为1 6 m h z 的快速m d 技术实现测距，目前他们只是实现了不带分支的 出线电缆的在线故障测距，下一步的目标是带分支i ：1 ：1 线系统的在线故障定位 7 ，。美国学者为了克服高压脉冲法有可能对电缆的健全部分进一步造成危害 的缺陷，也提出了在线故障测距方法。出发点是将环形线开路或在线路末端 设置开路点，利用故障时产生的浪涌电压或电流在开路点发生正或负的全反 射，通过设于开路点附件的传感器得到脉冲信号，测出其脉冲间隔时间实现 测距1 1 8 1 。英国学者则提出了基于脉冲电流法的实时专家系统来实现电缆故障 测距19 】。 1 5 本文工作的目标和内容 通过阅读大量国内外文献了解了当前电缆故障测距的现状。本文重点对 电缆测距方法中的低压脉冲法进行了详细研究，并围绕电缆测距的反射脉冲 起始点确定、误差修正和采集信号消噪等问题进行了分析。 低压脉冲法主要用于电缆的低阻和开路故障测距，也用于校验电缆的全 长。由于电缆本身存在损耗，脉冲电压在电缆中的传播规律与理想情况是有 差异的，反射行波有明显的畸变，增加了电缆故障测距的难度。 采用低压脉冲法进行测距的实验中发现，随着电缆长度的增加，反射脉 冲起始点与理想的起始点之间绝对误差越来越大，这是电缆测距的一个易被 忽略的误差源，采用一定的误差修正方法消除这一误差源是十分必要的。 在电缆故障测距中会受到各种噪声信号的干扰，有必要采取合适的消噪 方法去除其中的噪声信号。实践表明传统的傅立叶变换消噪方法消噪后有用 信号的损失较大，不适合于电缆测距信号的消噪。 本文的工作主要包括以下几个方面 利用输电线路的分布式参数数学模型，分析了利用行波法进行电缆故 障测距的基本原理。通过实际测量低压脉冲波在不同长度电缆中的波形，深 入了解了脉冲电压行波在电缆中的传播规律。通过理论分析和实验证明了行 波在电缆传输过程中会发生畸变现象，并对反射行波波形进行了仿真。 根据低压脉冲在电缆中的传播规律，提出了利用曲线拟合法确定脉冲 电压法反射波的起始点，阐述了其基本原理和具体步骤。 指出了电缆故障测距进行误差修正的必要性，对于短路和开路故障提 出了二次函数法进行修正。 采用改进的软阈值消噪法对电缆测距信号进行消噪，有效地消除了噪 声对测距结果的不良影响，较好地恢复了原始信号，为电缆测距顺利进行创 造了柏利条件。 1 2 第二章脉冲电压行波测距理论分析 第二章脉冲电压行波测距理论分析 2 1 电缆的长线模型与等效电路 电力电缆属于传输线的一种，传输线的长度与它所传播的信号波长相比 拟时，称为长线。由于脉冲电压行波中含有大量的高频分量( 脉冲电压行波 宽度越窄，上升沿越陡，则高频分量越大) ，这些高频分量的波长相对于电缆 长度来说很小。传输电缆随着所传送行波的电压和频率的升高，芯线和外皮 间的位移电流和漏电流就越来越不可忽略。另外，芯线中的电流不仅会因导 线有电阻而在导线上产生电压降，而且还会产生交变磁场，此磁场又会感生 出自感电动势。因此，行波在电缆中传输过程中不能简单地用集中参数模型 对电缆的暂态行波过程迸行分析而是应该把电缆近似看成由无数的电阻、 电导、电容和电感元件按图2 - l 连接方式组成。这些元件的参数称为电缆传 输线路的“分布参数”，此时电缆沿线各处电流电压值不同，电压“和电流i 都 是空间j 的函数 2 0 1 。 d x + 罢出 卜i _ 一出刊 图2 1电缆分布参数模型 图2 - 1 中r 。表示单位长度的电阻，f 2 m ：。表示单位长度的电感，h m ； c o 表示单位长度的电容，f m ：g o 表示单位长度的电纳，s m 。和c 0 是 惰性元件，行波从一端传播到另一端将会有一定的延时。通常r 和g o 的存在 导致波形发生衰减，当r o = 0 、g 。= 0 时，称为无损线。 2 2 行波波动方程及其通解 2 2 1 行波波动方程 设以电缆的始端为计算距离的起点，电缆上某点到始端的距离为x ， 利用节点乜流方程- o ，节点电压方程“= o 。可以得到如f 的电压电流 方程组： 苎三兰壁、仲皇垦堑塑型里堡垒坌堑一 仁浮o ui = 萋o i ，+ c o d x o ( 睾t ， ，卅+ 妻出，= g 。出c “+ 詈出，+ 罢出， -一ou缸ox：=r。o。i+lo。oiotoil g - i - co u o t ( z 。) l 一缸= o “o j 慝川。舢掣0 2 i 弘， i 一害i ( g 。i o u + c 。急， r o = 0 、g o = o 时，上式可以化筒为如下形式： 式( 2 - - 4 ) 为波动方程，其通解为t 2 t l ： 【“( 工，t ) = 球+ ( f x v ) + l g - ( f + x v ) 【i ( x ，f ) = f + o x ，v ) 一i 一( f + x v ) 对于式( 2 - - 5 ) 的表达式可以这样理解：以+ ( f j v ) 为例，“+ ( f x v ) 表示i i + 是变茸，一v 的函数，其定义为：当t x v 时，”+ “一x v ) 有值，假定当t = t 。时，线路上位置为而的这一点的电压函数 为“。，如图所示，当时间f ，交到f ：时，具有相同电压值“。的点必定满足 ，l 一生= r 2 一兰 vv 1 4 “ q 如一扩扔一扩 q g k k l i i l 如铲撕一舻 ，jclll c j一2 ) p v x x 一 十 0 o + 一 ” 砧 一l 乙上 = = y v x x 一 + p o ，t，、【 j 第二章脉冲电压行波测距理论分析 x lx 2 图2 2前行电压波传播示意图 也就是说要求f x v 为常数，得到d x d t = v ，可以看出v 是速度。对于 固定的电压值“。来说，它在导线上的横坐标是以速度v 向x 正方向移动的， 因此“+ “一x v ) 可以理解为一个以速度v 向x 正方向移动的电压波。同样 u - ( r + x v ) 可以看成是一个以速度v 向z 负方向移动的电压波。“+ 、“一分别被 称为前行电压波、反行电压波。同理可以知道i + 是前行电流波，i 一是反行电 流波。 波速和波阻抗是传输线两个非常重要的参数。对于无损线路来说，波速 v = l ( l o c 。) ，它表示行波在电缆中的传播速度。对于单导线架空线路来说 波速v = 币瓦i 而* 3 1 0 8 m s ，其中鳓为空气的导磁系数。知为空气的介电 常数。对于电缆来说由于其单位长度对地电容c 。较大，故电缆中的波速比架 空线路的波速低。 对于无损线，波阻抗z 。= 厶c 。，它表示“+ 与i + 以及“一与i 一向量的比 值，其单位为欧姆，波阻抗z 。又称为特性阻抗。其值取决于单位长度线路 的电感和电容比值大小，与线路长度无关，一般对于单导线架空线而言， z 。= 5 0 0 q 左右，计及电晕的影响时取4 0 0 ( ) 左右，而对于电缆来说厶较小而 c 。较大，故电缆波阻抗比架空线路要小很多，一般电缆的波阻抗为十几欧姆 到几十欧姆不等。 2 1 2 行波在无损线上传播的电磁解释 当行波在无损线上传播对，在行波到达处的导线周围建立了电场和磁场，电 场和磁场向量相互垂直并且完全处于垂直于导线轴的平面内，这样的电磁场称为 平面电磁场。行波沿无损线的传播过程就是平面电磁场的传播过程。对于架空线 来说，周围介质是空气，电磁场的传播速度约等于光速。 当线路上有一个前行波“+ 时，单位长度导线获得的电场能和磁场能分别 为c o 扣+ ) 2 2 和l o ( ，+ ) 2 2 ，由于“+ = z o i + = 撕丽，i + ，所以 ( j ( “+ ) 2 2 = l o ( j + ) 2 2 ，f ! j j 单位长度导线获锝的电场能和磁场能相等。 第二章脉冲电压行波测距理论分析 单位长度导线获得的总能量 i v = c o ( “+ ) 2 2 + l o ( f + ) 2 2 单位时间内导线获得的能量为： e = v 矽= v c o - ( + ) 2 = v 厶( f + ) 2 = ( “+ ) 2 z o = ( f + ) 2 z o 由上式可见，波阻抗决定了单位时间内导线获得能量的大小。 2 3 正弦稳态解n 钉 为了更好的研究行波在电缆中的传输特性，假设入射波电压为正弦波 可得 r i 詈= 归玉 曙；扣奴z ) 一-。o力ba玉。：=g&。易1+lco。oa西,o西t j _ 警碣_ 弛j = ( r o + j c o 抽j i 一警响讥，们。6 _ ( g 川瞩) 玉 该方程的一般解为 u = a i e 一”+ a 2 p ” 1 j ：生e 一一生。， 2 “) 【z cz c 其中z 。为传输线的特性阻抗； 耻辱吾z 口 ，为传播常数： y = 、l ( r o + j o j l o ) ( g o + j o o c o ) 由( 2 6 ) 式可以看出传输线上任一点的电压和电流是由两个分量构成 的，方向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劓 分量，即 6 第二章脉冲电压行波测距理论分析 l u = 【，m + u 可 i ，= i t n 一7 其中：u 。、l i 为电压和电流的入射分量：u 可、，一为电压和电流的反射 分量。由此可见，传输线上任一点的电压和电流是入射波和反射波分量的叠 加和。反射波分量降低了传输线的传输效率。所以正常情况下是不希望传输 线上存在反射分量。反射波的大小可以用反射系数来衡量。反射系数按下式 定义： i - ( 班粤：拿 卜 ( 6 z + z c j ： kc 知矿一q 。7 将( 2 7 ) 式代入式( 2 - - 6 ) 可得 ；= 圭( 6 z + z 。j ：) e r ( 1 - x ) + 圭( 6 z z 。j z ) e 一，c 一， ；：粤汤一，+ 劫咖叫“， q 。8 将传输线终端的电压玉：和电流j ：作为边界条件，此时用某点到终端的距 离z 1 表示该点得位置，得l x = x 。，由( 2 8 ) 式可得 1 o ， u = ( 【，2 + z 。12 ) e 捧+ ( u 2 一z 。1 2 扣一芦 j = 吉c 等血p 一三c 尝e 嗣 设终端负载j 1 抗为z ，：6 ：j ：，则有 黯 第二章脉冲电压行波测距理论分析 咐) = 缓e 却+ ( 2 - 1 0 ) 下面讨论电力电缆发生短路、断路及其电缆绝缘层破损时故障点行波的反 射情况。 1 、短路情况 当电缆短路时，从故障点向负载看去其等效阻抗为零。即相当于阻抗 z = 0 。假设故障点为电缆末端，则x 。0 ，得 = 缓一毒叫 这说明反射电压波的相位与入射波相位相反，幅值大小相同。波形如下图 所示： 冲 图2 - 3 电缆末端短路时首端理想测量波形 2 、断路情况 当输电线发生断路故障时，从断路点向负载看去的等效阻抗为无穷大。如 果将该点视为终端，则z ，_ c o ，x ：0 。得 r ( 0 1 = 兰二二兰! = l z l + z c 这说明末端开路时反射电压波的相位与入射波相位相同，幅值大小相同。 波形如下图所示： 冲 图2 - 4 电缆末端开路时首端理想测量波形 ， 一 短志 黼铡 驻 第二章脉冲电压行波测距理论分析 3 、电缆绝缘层破损情况 绝缘层破损的输电线路如图2 5 所示，其中r 为单位分布电阻：为单位 分布电感；g 为单位分布电导；c 为单位分布电容；g 。为故障点气隙分布电导； c 为故障点气隙分布电容。 图2 5 未破损处电缆的波阻抗为 绝缘破损处的波阻抗为 电缆故障等效电路图 乙= 藤 端 完好的电缆特性阻抗是处处连续的，处处为z 。绝缘破损时，故障点处特 性阻抗的各要素中增加了气隙分布漏电导g 1 和气隙分布电容c ，造成该处的特 性阻抗发生变化，而使传输线的特性阻抗不再处处连续，造成线路特性阻抗不 匹配的现象。在该处的反射系数 聃：生；。t ，o z c + z c 其中x 为绝缘破损处与线路始端的距离，由上式可见0c l r ( z _ c1 ，反射系 数不为零，说明在该点将发生波的反射现象。 综上所述，故障点的存在会使该点的波阻抗发生变化，行波在该点会发生 波的反射现象，行波在传输线中的传播速度是一定的，通过测量入射波和反射 波之间的时间差，就可以得到故障点的距离。由于电缆本身存在着损耗，行波 在电缆中传输会发生畸变现象，实际波形与理想波形相比会有一定差距。 9 摹上每：哪一 第三章电缆低压脉冲响应实验 第三章电缆低压脉冲响应实验 低压脉冲法是电缆故障测距的常用方法，它主要用于测量低阻故障和开路故 障，还可用于测量和校验电缆的全长，有时也用来核对行波在电缆中的传播速度。 深入了解低压脉冲在电缆中的传输规律有助于更好地理解其它行波测距方法的 工作原理。由于电缆本身存在着损耗，行波在传输过程中会发生畸变，本文通过