王獻軍 張 嵐 趙衛(wèi)華

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電力電纜故障定位在線檢測研究

王獻軍 張 嵐 趙衛(wèi)華

（國網河南省電力公司客服服務中心，鄭州 450015）

電力電纜承擔著電能輸送的重任，電力電纜故障的發(fā)生嚴重影響著電力能源的正常供應。如何快速準確地發(fā)現故障、確定故障位置是電力電纜維護的重點問題。近年來，電力電纜的行波故障定位法得到快速發(fā)展，其中基于小波變換的電纜故障定位法優(yōu)勢最為明顯。本文根據電纜故障特點，利用Matlab軟件建立了電力電纜故障行波定位模型，實現了故障在線定位，具有一定的應用價值。

電力電纜；故障定位；小波變換

我國幅員遼闊，電力電纜遍布全國，電力電纜的故障排查是電網日常維護的重點和難點。常用的電纜故障定位，往往采取停電檢查的方式[1]。一方面，在社會經濟高速發(fā)展的今天，即使短時間停電也有可能造成極大的損失；另一方面，常規(guī)的故障定位法只能在事故發(fā)生以后進行，對于事故隱患不能及時發(fā)現。若能夠盡可能早的發(fā)現故障，及時采取必要措施，則將會大大減少故障所造成的損失[2]。因此，實現電力電纜的實時在線檢測意義重大。本文根據故障發(fā)生時暫態(tài)信號特征，利用Matlab軟件，對故障波形進行小波變換計算分析，從而測算出故障位置，具有一定的應用價值。

1 電力電纜故障的行波定位法

在正常情況下，電力線路中的電流電壓波形是存在較少干擾信號的正弦波形。當線路發(fā)生故障時，故障點的電流電壓會有故障行波分量產生，導致線路中的行波畸變，并向輸電線路兩端傳播，而信號的畸變時刻就是故障發(fā)生的時刻。若通過計算行波從故障點傳輸到監(jiān)測點的時間，則可計算出故障點的位置[3]。常用的測量方法為雙端測量法，其原理如圖1所示，即在被測線路的兩端裝設故障檢測設備，測量故障行波傳輸到檢測設備的時間差，再通過計算得出故障點的位置[4]。

圖1 雙端行波測量法

如圖1所示，為電纜的總長度，1、2分別為故障行波傳輸到線路左右兩端的時間，則有

式中，MF和NF分別為故障點距離線路左右兩端的距離，則有

2 小波變換的基本原理

相對傅里葉變換，小波變換的優(yōu)勢在于其可以對信號在時域和頻域兩方面進行分析。其這一特點，十分適合電力電纜的故障信號暫態(tài)分析[5]。正常情況下，電力線路故障信號的行波為突變的階躍信號，信號經過小波變換后的極值和信號突變點是相對應的。根據這一原理，可以通過分析小波變換后的極值點，從而得出故障波頭的位置[7]。同時，電力電纜運行過程中，線路行波噪聲分量比較復雜，通過小波變換的分解，噪聲值也會減弱，而有用波形成分得到保留，從而提高信號的準確度。對信號()進行小波變換就是將基本小波函數()進行一定點卷積運算[6]，即

式中，tf(,)叫作小波變換系數，、分別為尺度因子和位移因子。

在應用過程中，檢測系統(tǒng)所采集的數字信號實際上是經過處理后的離散點，在工程應用上，小波變換應進行離散化處理[8]。

取、的冪級數有

式中，為整數。則離散小波變換為

3 電力電纜的在線故障定位

3.1 小波故障定位的方法

通過小波變換實現電纜故障定位的方法如圖2所示。首先對線路兩端采集到故障信號進行小波變換，得到小波系數1和2；然后求得1和2達到極大值的序列；之后在極大值點中找到最先達到的極大值以及該極大值對應的采樣點1和2；最后通過計算求得故障點的位置。

圖2 電力電纜故障定位流程圖

3.2 電力電纜故障定位的仿真

1）電力電纜故障模型構建

在此使用Matlab軟件作為仿真工具。假設1#和2#兩條回路通過同一三相變壓器供電，在2#線路中設置故障模塊進行故障模擬。在仿真過程中，電纜總長度保持為10km不變，通過改變1#線路和2#線路的長度，實現電纜故障位置的變化。電纜的分布參數模型為

式（6）、式（7）中分別為電力電纜的正序和零序的電阻、電感和電容。

2）電力電纜故障點定位

首先設定1#電纜的長度為1km，2#電纜的長度為9km。模擬電纜的單相短路接地故障，起動線路中的故障模擬模塊，觸發(fā)線路的單相接地故障。用示波器在電纜兩端記錄系統(tǒng)波形如圖3所示。

圖3 兩端故障波形

從圖中可以直觀地發(fā)現，電纜故障點的畸變波形在正常波形上形成的波形突變。故障行波的一次、二次以及三次反行波到達波都能較為清晰的觀 察到。

將仿真波形的數據導入，利用Matlab的小波變換，通過仿真進行四層分解得出兩端的小波系數，如圖4所示。最初的小波變換系數極大值點即為故障發(fā)生的時刻。通過編程得到故障點到達電纜左端的時間為12.0065ms，到達電纜右端點時刻為12.0453ms。將數據帶入式（2）可以求得故障點距離線路左端的距離為

測量誤差大約為24.4%。通過模擬可以測得不同位置下故障電纜的故障距離和誤差。表1為故障電阻為0.01W時的測量結果。表2為故障電阻為100W時的測量結果。

表1 0.01W測量結果及誤差表

表2 100W的測量結果及誤差表

同樣，還可對電力電纜進行其他接地故障和短路故障的位置進行測量。從表中的數據可以看出，雖然測量結果仍然存在一定的誤差，但相對于龐大的電力輸電線路，這樣的誤差已經可以大大減輕人工排查的工作強度。此外從理論上講，采用縮短仿真步長的手段還可以進一步提高仿真測量的精度。但是，仿真步長越小，計算仿真的運算量會越大，這對計算機的運算能力是個考驗，基于仿真計算機配置的限制，就不再進一步縮短仿真步長了[9]。此外，通過兩個表格的數據對比可以發(fā)現，故障電阻對故障位置測量結果的影響基本為零，可以完全忽略。不同的故障類型對測量結果的影響也不大，都能達到較高的測量精度[10]。

3.3 電力電纜故障定位的應用

在某區(qū)域利用相應的波形檢測儀器，對該方法進行了檢驗。輸電線路全長大約20km，在7km處發(fā)生故障。用儀器測得的故障波形如圖5所示。

圖5 故障波形

通過仿真進行四層分解得出兩端的小波系數，如圖6所示。

圖6 小波系數

通過分析計算得出故障行波首次達到電纜一端端的時間為8.0361ms，到達另一段的時間為8.1118ms。將數據帶入測試公式，則有

其測量誤差在可接受范圍內。經過反復的實驗，對上述所采用的電纜故障定位在線檢測方法進行了驗證，最終取得了較為理想的效果。但是在實際測量中仍然發(fā)現了一些問題。在最初的仿真實驗中，所求得的線路故障點誤差非常大，根據計算結果根本無法準確的確定線路故障位置。后來通過路徑查找發(fā)現，工作人員所提供的線路走向和線路長度和線路的實際值差別較大。在采用重新勘測的線路數據進行仿真后，最終確定了線路故障點的位置。

通過這次實際應用發(fā)現，對于線路路徑參數較為準確的輸電線路，本文所采用的方法可以較為準確的定位線路故障點?？梢娀谛〔ǖ墓收隙ㄎ环椒ㄊ强尚械?。但是對于路徑不明的線路，這種方式則暴露了檢測的短板。實際應用中的線路龐大而復雜，尤其一些老舊線路，可能實際線路存在較大誤差，因此，在實際應用中，應首先核定線路數據的準確性，以確保最終測量數據的準確性。

4 結論

輸電線路的在線故障定位是電力系統(tǒng)維護工作研究的重點和難點問題?？焖贉蚀_地確定輸電線路的故障位置，及時排查線路故障隱患，是確保電力系統(tǒng)可靠運行的關鍵。本文根據行波測距原理，利用小波變換對輸電線路故障定位進行了研究，通過相應數學模型來建立，實現了輸電線路的故障定位，并通過仿真和實驗進行了驗證，取得了較好的效果。為提高故障定位的準確性，首先，要確保線路數據的準確性；其次，可根據實際情況，提高計算機性能，縮短仿真步長，從而進一步提高故障定位的 精度。

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Research on online detection of power cable fault location

Wang Xianjun Zhang Lan Zhao Weihua

(He’nan Electric Power Company Passenger Service Center, Zhengzhou 450015)

The power cable bears the responsibility of power transmission. The failure of power cable seriously affects the normal supply of electric energy. How to find fault and locate the fault quickly and accurately is the key issue of power cable maintenance. In recent years, the method of traveling wave fault location for power cable has been developed rapidly, and the advantages of the cable fault location method based on wavelet transform are most obvious. According to the characteristics of cable faults, a location model of power cable fault traveling wave is established by using Matlab software, which realizes the on-line location of faults and has certain application value.

power cable; fault location; wavelet transform

2018-02-07

張嵐（1975-），女，天津人，本科，高級工程師，主要從事電力 營銷工作。