胡善福

摘 要：本文研究電力電纜故障測距問題，建立ATP-EMTP 的地下電力電纜模型，先建立地下電力電纜模型，電力電纜發(fā)生事故時，模擬電氣訊號，并應用軟件，實施小波變換的多重解析，對故障測距信號進行分析，并實地進行電力電纜故障測距，與資料比較驗證研究結(jié)果的正確性。結(jié)果表明，部分放電的檢測搭配小波變換可提高訊號的識別率，藉由理論基礎應用在電纜的雜訊消除，以提供診斷設備劣化的準確性。藉由小波變換后能更容易觀察出故障點波形，且可以縮短故障測距時的誤差，可有效提升線上即時故障測距判斷的準確性。

關(guān)鍵詞：電力電纜；故障；測距

中圖分類號：TM247 文獻標識碼： A

1 引言

為了維護城市整潔、美觀與安全，大量的電力電纜埋設于地下。地下電力電纜可能會因供電中受到外力的破壞、蟲害、絕緣劣化與人為施工不當?shù)纫蛩氐挠绊懚鸸收?。由于電力電纜埋設于地面以下，難以及時偵測故障位置，使得維修時間延長，引起用戶不滿。因此，如何快速且準確偵測電力電纜故障點，成為盡快排除電纜故障，恢復供電的關(guān)鍵。

地下電力電纜故障測距方法很多，這些方法用于不同的故障情況，各有其優(yōu)缺點。早期應用的是阻抗法，其缺點是只能用于低阻故障測距，此方法已很少使用。后來出現(xiàn)了行波法，行波法又可分低壓脈沖反射法、脈沖電壓法、脈沖電流法等，目前國內(nèi)基本上只采用電流行波，即脈沖電流法進行故障測距。脈沖電流法是利用電流行波信號進行測量，使用線性電流耦合器，平行地放置在低壓側(cè)地線旁，不用與高壓回路直接連接，安全性強、使用方便。

2 故障行波的傳播

故障行波形成和傳播的過程類似于雷電波的傳播過程。波動方程可用行波電流、電壓和導線參數(shù)的關(guān)系表示：

式（1）（2）中的L為電感，單位：H/KM（亨利/公里），i 和u 為距故障點x 處電流和電壓，C 為單位長度電容，單位：F/KM（法拉/公里）；上式通解為如下公式：

當線路某點發(fā)生金屬性故障時，兩端的電壓行波、電流行波、方向行波可用如下解析式表達：

ZC表示線路波阻抗，n表示行波從故障點運動到M、N母線的時間，“+”表示正向行波，“-”表示反向行波，-e（t）表故障分量網(wǎng)絡中的附加電壓源。m 、n表行波在M、N端的反射系數(shù)，m 、n中下標m、n分別代表線路的M端和N端。

3 電力電纜故障偵測實例

3.1 電力電纜故障偵測設備

應用脈沖電流法對故障電纜進行測距，主要設備有脈沖發(fā)生器和故障掃描指示器等。當故障發(fā)生時，工程車開至電纜埋設的地方，斷開電纜，將脈沖發(fā)生器串接在故障電纜上，對故障電纜做測試。脈沖發(fā)生器與故障電纜連接圖如圖1所示。

3.2 電力電纜故障距離測量

本實驗故障測試示意圖如圖2所示，使用脈沖電流法偵測故障位置，220V 電壓由變壓器升壓后形成高壓電源，此電源經(jīng)二極管整流，對電容充電，電容電壓升至一定值后放電產(chǎn)生脈沖電流。此脈沖電流經(jīng)過電纜故障處將產(chǎn)生較高的脈沖電壓，將這個脈沖電壓予以采集、放大并計算出故障距離。實驗采用的電力電纜型號為25kV AWG#1，故障類型為開路故障，從測試端至開路故障端的距離為78公尺。脈沖波送入故障電纜后，脈沖波電壓約為6kV，故障掃描指示器顯示，故障距離為78.92 公尺，由于電纜故障的復雜性和脈沖傳遞波速的衰減，實驗存在一定測距誤差。

4 應用EMTP模擬分析

4.1 電力電纜模型建立

EMTP / ATP提供了兩套流水生產(chǎn)線路的參數(shù)計算副程序，“l(fā)ine constant”副程序，用于架空輸電線的線路參數(shù)計算，“cable constant”副程序，用于地下電纜的流水生產(chǎn)線路參數(shù)計算。本研究依據(jù)ATPDraw內(nèi)的電纜常數(shù)，使用“single core cable”建立電力電纜模型，表 1為25 kV XLPE電纜參數(shù)。

4.2 模擬電力電纜開路故障

模擬實際故障，電力電纜25kV的級是AWG#1，設定測試端至開路故障的距離為78公尺，而測試端的輸入脈沖電源峰值為-6KV，波頭時間為1.2s，波尾時間為50s，如圖 3所示。

脈沖波被送入故障電纜的測試端，當脈沖波到達電纜故障位置，會因阻抗不匹配產(chǎn)生反射現(xiàn)象。發(fā)生開路故障時，故障電阻可視為無窮大，此時電流反射系數(shù)i 1，脈沖波被反極性地反射回測試端。如圖4為發(fā)生開路故障時的模擬波形圖，由圖可知輸入脈波到達故障位置，會產(chǎn)生反極性的脈沖波返回，計算脈沖波往返的時間差，并得出故障位置為 （2.1s -1.1s ） 160.42 106/2=80.21m 。

4.3 模擬短路故障

對短路低阻故障（故障電阻小于10?）進行模擬，電力電纜25kV的級AWG#1長?是3000公尺，測試端至短路故障位置為1000公尺，故障電阻為1歐姆。從測試端處輸入脈沖波，當脈沖波到達故障位置，因阻抗不匹配發(fā)生反射現(xiàn)象，產(chǎn)生短路低阻故障時可視為故障電阻為零，此時電流反射系數(shù) i 1 ，脈波被正極性地返回測試端。如圖5為發(fā)生短路低阻故障時的模擬波形圖，由圖知輸入脈波到達故障位置，產(chǎn)生正極性的脈波返回，計算脈波來回的時間差，并得出故障位置為 （25.2μs-12.6μs） 160.42 106 /2=1010 .65m。

但若故障電阻大于10，此時輸入脈波到達故障位置，透射波會持續(xù)往前傳送至電纜末端，造成誤判，如圖6所示。所以當遇此情況時，需利用直流高壓閃絡法或送入電壓?高的脈沖波解決問題。

5 應用小波進行故障偵測分析

將模擬發(fā)生的開路故障和短路故障波形，用小波變換分別進行分解：

5.1 開路故障

經(jīng)EMTP 模擬分析后，將模擬的開路故障波形用小波進行分析，而小波的母小波又可分類為Haar、Daubechies、Symlets、Coiflet、Morlet、Meyer 等。本文采用Daubechies （db2）小波，應用小波五層分解進行分析。如圖7所示，五層中較常用第一層（d1）或第二層（d2），因原始信號s分解至d1 或d2 時高頻部分的突變較為明顯，因此本研究采用d1層波形。EMTP 模擬的故障波形取樣頻?為20MHz，用小波計算故障距離時需再多乘步距0.05s，所以故障距離為（41.54-22.08） 0.05s 160.42 106 /2=78.04m。

5.2 短路低阻故障

將之前EMTP模擬的短路低阻故障波形進行分析，應用db2小波變換進行多層分解，同樣分解五層，如圖8所示，采用五層中的d1，如圖9所示， 經(jīng)EMTP模擬的短路低阻故障波形取樣頻?為2MHz，用小波計算故障距離時需乘步距0.5 s，所以故障距離為 （51.72-2 91） 0.5 s 160.42 106/2= 995 m。

5.3 結(jié)果探討

從模擬發(fā)生開路、短路故障波形經(jīng)小波分解的結(jié)果得知，若加入適當?shù)男〔ㄗ儞Q多層分解，可使突變高頻的部分較為明顯，使誤差減小，經(jīng)小波分析后其結(jié)果比較如表 2所示。

6 小結(jié)

針對XLPE 25kV級AWG#1電力電纜，現(xiàn)場用脈沖產(chǎn)生器與故障掃描指示產(chǎn)生器進行測試，測量出故障距離。再利用EMTP 建立電纜模型，模擬現(xiàn)場故障，同樣測量出故障距離。短路故障又可分為低阻故障與高阻故障，其中因高阻故障反射系數(shù)較小，因此可能會造成誤判，所以需采用直流高壓閃絡法或送入電壓?高的脈波來解決問題。經(jīng)現(xiàn)場測量與模擬分析比較，EMTP 模擬后，測量故障距離仍有些誤差，因此利用小波變換多層分解，能得到?準確的結(jié)果。此方法可使誤差控制在1 m內(nèi)，準確度和精度比國內(nèi)同類方法提高了4倍。

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（本文審稿 李正發(fā)）