朱超，任艷霞

(國核工程有限公司，上海 200233)

電力電纜故障暫態(tài)信息測量技術(shù)研究

朱超，任艷霞

(國核工程有限公司，上海 200233)

分析了電力電纜故障中最為常見的單相接地故障的電流波形，圍繞行波法故障定位，分析了故障電流的行波傳播特征，并對基于行波法的電力電纜故障測距算法進(jìn)行了分析，為電力電纜故障的在線診斷提供借鑒。

電力電纜;在線診斷;暫態(tài)行波;測距算法

輸電線路是電力系統(tǒng)中故障最多的地方，而且故障點難以查找、巡線速度慢。根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為低阻、高阻、開路與閃絡(luò)性故障。在所有故障類型中，單相接地故障出現(xiàn)的幾率最高，約占80%，對其定位屬于小電流接地電網(wǎng)的故障定位問題。本文在分析單相接地故障的電流波形的基礎(chǔ)上，圍繞行波法故障定位，分析了故障電流的行波傳播特征，并對基于行波法的電力電纜故障測距算法進(jìn)行了分析。

1 單相接地故障波形分析

中性點接地方式呈現(xiàn)多種形態(tài)，對于中性點直接接地、中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)而言，發(fā)生故障時，電流較大，從電流中識別暫態(tài)信息也較為可行。而中性點不接地系統(tǒng)的電流較小，故障電流中所攜帶的暫態(tài)信息經(jīng)過衰減，到達(dá)測量端后不易識別。

對直接接地與不接地兩種方式的電纜系統(tǒng)進(jìn)行仿真。對于直接接地系統(tǒng)，由于故障回路的阻抗值較小，所以高頻成分幅值相對較低，但對細(xì)節(jié)放大后可以看出，很容易分辨出行波在故障點和測量端的反射波波頭。在中性點不接地系統(tǒng)中，單相故障回路的阻抗較大，穩(wěn)態(tài)故障電流較小，使得高頻信息被凸顯。但其幅值不大，如果故障點的過渡電阻較大，則幅值會更小，容易被實際的干擾信息所淹沒。因此，需要通過信號處理進(jìn)行去噪、濾波以獲得有用的故障暫態(tài)信號。

從上述分析可知，中性點直接接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，均會產(chǎn)生特征顯著的暫態(tài)故障行波，通過識別行波中的波頭數(shù)據(jù)，可以對故障點進(jìn)行定位。

2 故障電流行波傳播特性

2.1 行波傳播常數(shù)和傳播速度特性分析

要實現(xiàn)電力電纜故障的精確測距，必須了解行波在電纜中的傳播特性，即衰減常數(shù)和相位常數(shù)隨頻率的變化特征，以及相位速度隨頻率的變化特征。由于電纜絕緣的電介質(zhì)損耗和電纜芯線及屏蔽的集膚效應(yīng)，隨著頻率的變化，電纜線路的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納都是變化的，給分析帶來困難。

為保證行波傳播速度的一致性，要選擇頻率很高的高頻信號作為研究對象，但實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)采樣又要求選擇較低頻率信號進(jìn)行分析，同時高頻信號的高衰減系數(shù)也不允許研究信號頻率太高。綜合上述分析，可以選擇幾十kHz到幾百kHz的高頻信號作為研究對象。

2.2 電流行波的頻譜分析

為進(jìn)一步確定分析的正確性和高頻信號選擇的可行性，對電流行波進(jìn)行頻譜分析，在頻譜圖中比較各頻率分量的相對幅值，通過比較確認(rèn)分析結(jié)果的正確與否。以不接地故障的電流波形為例，被分析信號的電流波形如圖1所示。

由于信號中處于低頻端的工頻成分遠(yuǎn)大于故障行波成分，而且故障行波成分中也包含有低頻分量，所以電流行波的幅頻特性的主要能量集中在工頻附近的低頻段，而幅頻特性中的高頻分量則來自故障行波部分。從圖1可知，存在這樣一個頻帶范圍，在此范圍內(nèi)既集中了故障行波足以被檢測出來的能量，而且各頻率分量幅值變化也不大。

圖1 被分析信號

3 基于行波法的電力電纜故障測距算法

電力系統(tǒng)輸電線路發(fā)生故障后，故障行波將在輸電線路上傳播，并在兩端母線和故障點處發(fā)生反射和透射。通過分析輸電線路暫態(tài)行波的特點來區(qū)分故障波和各種干擾波，并與小波分析的奇異性檢測原理相結(jié)合，準(zhǔn)確檢測出故障行波及其各種折反射波到達(dá)檢測點的時間，計算出故障距離。

故障測距算法如圖2所示，以tl為故障初始行波到達(dá)A端母線的時刻，t2為B端母線反射波到達(dá)A端母線的時刻，t3為故障點反射波到達(dá)A端母線的時刻。通過小波變換提取最初連續(xù)兩個模極大值之間相對極性和時延計算故障距離。

圖2 故障波的反射原理

第一個小波變換模極大值點對應(yīng)入射行波波頭到達(dá)的時間tl，第二個小波變換模極大值點對應(yīng)來自對端母線或故障點的反射波頭到達(dá)時間t2或t3。時延為△t=t2-t1或△t=t3-t1。

對于來自對端B母線的反射行波，則故障距離計算公式為:

對于來自故障點F的反射波，故障距離為:

式中:x表示故障距離;△t表示最初連續(xù)2個小波變換模極大值點間的時間間隔;ν表示行波線模分量的傳播速度;L表示被檢測的電纜線路全長。

4 結(jié)語

(1)中性點直接接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，都能夠產(chǎn)生有用的暫態(tài)行波，只要識別出行波波形中的波頭信息，就可進(jìn)行故障測距。

(2)隨著頻率的變化，電纜線路的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納都是變化的，即故障電流的傳播存在色散特性。需要合理選擇故障行波的分析帶寬，以準(zhǔn)確分析出故障點。

(3)通過分析輸電線路暫態(tài)行波的特點來區(qū)分故障波和各種干擾波，并與小波分析的奇異性檢測原理相結(jié)合，準(zhǔn)確檢測出故障行波及其各種折反射波到達(dá)檢測點的時間，可計算出故障距離。

基于本論文所開展的研究工作，可利用小波變換等變換域處理方法，通過檢測行波電流突變點的方法，找到突變點對應(yīng)的時間信息，從而實現(xiàn)電力電纜故障的在線檢測。

［1］齊建平.內(nèi)蒙古500kV輸電線路行波故障測距算法研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2013.

［2］鹿洪剛.電力電纜故障在線測距仿真研究［D］.北京:中國電力科學(xué)研究院，2005.

［3］李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析［M］.北京:中國電力出版社，1995.

［4］劉兵.基于行波電力電纜故障單端在線測距研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2002.

［5］楊建國.小波分析及其工程應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Research on transient information measurement technology cable fault

It analyzes the current waveform of single-phase ground fault，which is the most common faults of power cable.Then analyzes the traveling-wave propagation characteristics of fault current waveform，and raises the location algorithm based on the traveling wave method.The conclusions of the analysis are useful for the online detection of power cable fault.

power cable;online detection;transient traveling-wave;location algorithm

TM764

:B

:1674-8069(2017)01-051-02

2016-08-16;

:2016-09-24

朱超(1985-)，男，吉林人，工程師，主要從事核電設(shè)備采購工作。E-mail:renyanxia@snpec.com.cn