朱濤，楊斌，孫長(zhǎng)群，何劍鋒，李明貞，周承科,3

(1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電分公司，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072；3. 格拉斯哥卡里多尼亞大學(xué)，蘇格蘭 格拉斯哥 G4 0BA，英國(guó))

由于交聯(lián)聚乙烯(crosslinked polyethylene, XLPE)電纜具有制造工藝簡(jiǎn)單、安裝敷設(shè)容易、電氣性能優(yōu)良、傳輸容量大、運(yùn)行維護(hù)方便、無(wú)漏油隱患等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為城市變電站聯(lián)絡(luò)線的主要用材[1-3]。隨著每年新增高壓交聯(lián)電纜投運(yùn)量的持續(xù)快速增長(zhǎng)，短路故障也隨之增加，高壓交聯(lián)電纜的安全可靠運(yùn)行對(duì)區(qū)域性電網(wǎng)穩(wěn)定和大面積可靠供電的支撐作用日益明顯。短路故障發(fā)生后需要快速準(zhǔn)確故障定位，指導(dǎo)檢修，快速恢復(fù)供電。

當(dāng)前的離線故障測(cè)距方法依據(jù)測(cè)量原理主要有3種：①電橋法[4-5],其需先將一端電纜終端的故障相和非故障相短接，測(cè)試故障電纜端到故障點(diǎn)的線路電阻，并根據(jù)電阻率計(jì)算出故障距離的測(cè)距方法；或者通過(guò)測(cè)試電纜故障段與全長(zhǎng)段的電壓降的比值，再與線路全長(zhǎng)長(zhǎng)度相乘計(jì)算出故障距離。該方法一般用于測(cè)試故障點(diǎn)絕緣電阻在幾十千歐以內(nèi)的電纜故障，測(cè)量誤差相對(duì)較大。②低壓脈沖法[6-7]，其主要原理是在電纜一端通過(guò)儀器向被測(cè)電纜中輸入低壓脈沖信號(hào)，該脈沖沿電纜傳播到線路波阻抗不匹配的位置(包括故障點(diǎn)、電纜終端和中間接頭)后產(chǎn)生反射，并返回到測(cè)量端由儀器記錄下來(lái)，記錄反射信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差，從而測(cè)出故障距離，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試精度高，但不能測(cè)試高阻故障和閃絡(luò)性故障。③高壓脈沖法[8-9]，其首先通過(guò)高壓信號(hào)發(fā)生器向被測(cè)故障電纜中施加直流高壓信號(hào)或沖擊高壓信號(hào)，將電纜故障點(diǎn)瞬間擊穿，產(chǎn)生1個(gè)電壓行波信號(hào)，該信號(hào)在被測(cè)電纜的測(cè)量端和故障點(diǎn)之間往返傳播，在直流高壓發(fā)生器的高壓端通過(guò)線性分壓器接收并換算出該電壓行波信號(hào)往返1次的時(shí)間，再與脈沖信號(hào)的傳播速度相乘來(lái)計(jì)算故障距離，缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)測(cè)距儀器與高壓部分有直接的電氣連接部分，安全性相對(duì)較差，且對(duì)測(cè)試設(shè)備的技術(shù)參數(shù)要求較高。

振蕩波測(cè)試系統(tǒng)(oscillation wave test system, OWTS)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展已有10多年歷史，振蕩波耐壓與振蕩波局部放電試驗(yàn)裝置也被廣泛地應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)中以評(píng)估電纜的絕緣水平與缺陷情況[10]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于OWTS的研究比較豐富，文獻(xiàn)[11]對(duì)比了振蕩波與交流電壓下多種缺陷的局部放電圖譜，發(fā)現(xiàn)兩者之間各項(xiàng)特征有相似性。文獻(xiàn)[12]提出了基于希爾伯特黃變換對(duì)振蕩波下不同局部放電信號(hào)的模式識(shí)別方法。文獻(xiàn)[13]考慮局部放電的時(shí)頻特征，提出了增加振蕩波系統(tǒng)缺陷定位準(zhǔn)確性的方法。上述研究證實(shí)了OWTS對(duì)高壓交聯(lián)電纜進(jìn)行局部放電檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)缺陷定位的可行性。但目前還沒(méi)有將OWTS用于短路故障定位的案例或報(bào)道。

短路擊穿故障發(fā)生后，擊穿通道電阻遠(yuǎn)小于擊穿前的主絕緣電阻，其絕緣劣化特征較局放缺陷特征顯著。根據(jù)電磁信號(hào)在電纜線路中的傳播和耦合特性，本文對(duì)OWTS信號(hào)測(cè)量的電磁耦合法進(jìn)行改進(jìn)，使之更方便、準(zhǔn)確地測(cè)量故障信號(hào)。通過(guò)對(duì)測(cè)試電纜施加振蕩波電壓信號(hào)，利用高頻電流互感器(high frequency current transformer, HFCT)套接在電纜本體，測(cè)量待測(cè)電纜的故障行波反射電流信號(hào)，計(jì)算反射波信號(hào)到達(dá)時(shí)間，進(jìn)而獲取故障點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)了故障點(diǎn)的精確定位，最后的仿真試驗(yàn)也驗(yàn)證了該故障定位方法的可行性。

1 振蕩波測(cè)試系統(tǒng)的基本原理

目前，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的振蕩波測(cè)試方法多采用文獻(xiàn)[14]推薦的脈沖電流法，能有效耦合出小容量試品中的局放信號(hào)，但對(duì)于大容量的長(zhǎng)電纜試樣耦合效率并不高，因此脈沖電流法應(yīng)用于振蕩波測(cè)試存在一定的局限性。本文對(duì)電磁耦合法進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠應(yīng)用于高壓交聯(lián)電纜短路故障檢測(cè)。

1.1 脈沖電流法

振蕩波電壓源利用試品電纜電容Ccable和諧振電感Lreson共同組成串聯(lián)諧振電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 振蕩波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Oscillatory wave test system structure

開始階段，斷開開關(guān)，直流電源直接作用在試品電纜兩端，對(duì)電容器進(jìn)行充電，充電電壓為振蕩波的初始振蕩峰值；充電完成后開關(guān)閉合，直流電源通過(guò)限流電阻R1接地，試品電纜電容Ccable與諧振電感Lreson構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，試品電纜兩端承受阻尼振蕩電壓，其振蕩頻率f由Lreson和Ccable共同決定。

當(dāng)振蕩電壓超過(guò)缺陷處局部放電起始電壓，電纜內(nèi)部將產(chǎn)生局部放電，局放信號(hào)沿電纜線芯和金屬護(hù)層軸向傳播，需要特定的傳感器將信號(hào)耦合出來(lái)。文獻(xiàn)[14]推薦采用電容分壓器作為耦合電容，串聯(lián)接入檢測(cè)阻抗Ztest耦合出電纜中的局部放電信號(hào)。Ztest通常由耦合電抗Lcoup與分壓電阻Rdivi構(gòu)成，電容分壓器可等效為耦合電容Ccoup，Zeq和Ccable分別為電纜的等效阻抗與對(duì)地等效電容，測(cè)試回路的等效電路如圖2所示。

圖2 脈沖電流法等效測(cè)試回路Fig.2 Equivalent test circuit of pulse current method

在檢測(cè)阻抗支路上，耦合電容Ccoup與耦合電感Lcoup構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，諧振頻率f0如式(1)所示，當(dāng)局部放電中心頻率fp與回路諧振頻率接近時(shí)，即f0≈fp，該支路阻抗最小，大部分局放電流能夠從該支路通過(guò)。為提高該方法的測(cè)量精度，通常希望耦合電容Ccoup不小于試品電纜電容Ccable。

(1)

1.2 改進(jìn)電磁耦合法

HFCT感應(yīng)回路中的局部放電信號(hào)是一種比較常用的手段。HFCT基于Rogowski(羅氏)線圈原理[15]制成，其本質(zhì)是一種I/U轉(zhuǎn)換器型的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，等效電路如圖4所示。

圖3 HFCT結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of HFCT

圖4 HFCT等效電路Fig.4 Equivalent circuit of HFCT

圖4中，Req,cable為電纜線的等效電阻；Req,Rog為線圈的等效電阻；LRog為線圈自感；CRog是線圈等效雜散電容；RRog為線圈積分電阻；uout和uin分別為HFCT的輸出、輸入電壓；iout和iin分別為HFCT的輸出、輸入電流。

HFCT的傳輸系數(shù)

(2)

HFCT的傳輸阻抗

(3)

HFCT較少應(yīng)用于OWTS，為了方便測(cè)試，一般將HFCT套接在電纜金屬護(hù)層接地線上，如圖5所示。

圖5 HFCT套接在金屬護(hù)層接地處Fig.5 HFCT is connected to the grounding of metal sheath

當(dāng)HFCT套接在地線回路中，回路中的諧振電流將被感應(yīng)出來(lái)，同時(shí)地線中存在較大的噪聲干擾，以至測(cè)試出來(lái)的信號(hào)信噪比不高。

由于脈沖信號(hào)通過(guò)試品電纜終端線芯注入，該信號(hào)在電纜故障或缺陷處產(chǎn)生的電流信號(hào)將沿電纜線路反射回電纜末端(HFCT)位置。若使電纜金屬護(hù)層一端直接接地、另一端懸空，如圖6所示，則在金屬護(hù)層懸空端脈沖電流的入射波和反射波方向相反，金屬護(hù)層上的信號(hào)可被抵消。

圖6 HFCT套接在電纜本體末端Fig.6 HFCT is connected to the end of cable body

2 振蕩波測(cè)試分析及故障定位判據(jù)

2.1 高壓交聯(lián)電纜短路故障仿真及分析

本文利用PSCAD軟件，仿真了1條典型結(jié)構(gòu)下的110 kV電纜線路，其電纜橫截面為800 mm2，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示和見(jiàn)表1。

圖7 典型高壓?jiǎn)涡倦娎|結(jié)構(gòu)Fig.7 Typical structure of a single core HV cable

表1 電纜的橫截面結(jié)構(gòu)參數(shù)
Tab.1 Structural parameters of cable cross-section

序號(hào)結(jié)構(gòu)外半徑/mm1導(dǎo)體線芯(銅)17.02導(dǎo)體屏蔽(半導(dǎo)電尼龍帶)18.43主絕緣(超凈化交聯(lián)聚乙烯材料)34.44絕緣屏蔽(超光滑半導(dǎo)電屏蔽料)39.45金屬護(hù)層(波紋鋁)43.96外護(hù)套(聚乙烯)48.6

仿真設(shè)置的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，試品電纜的接線方式如圖6所示，調(diào)整OWTS參數(shù)使之產(chǎn)生振蕩波電壓信號(hào)曲線如圖8所示，電纜線路全長(zhǎng)500 m，故障點(diǎn)位置設(shè)置在距離首端400 m處，則在HFCT上測(cè)量到的波形信號(hào)如圖9所示。

圖8 振蕩波電壓波形Fig.8 Voltage waveform of oscillatory wave

圖9 HFCT檢測(cè)到的電流信號(hào)波形Fig.9 Current waveform detected by HFCT

根據(jù)如圖9所示的脈沖波到達(dá)測(cè)試端的時(shí)間，可計(jì)算出故障發(fā)生后的位置，即

(4)

式中：x為故障點(diǎn)距離測(cè)試端的距離；t1為測(cè)試端的脈沖波到達(dá)時(shí)間；v0為脈沖波在電纜中的傳播速度。高壓電纜中的傳播速度

(5)

式中：L0為電纜單位長(zhǎng)度的電感；C0為電纜單位長(zhǎng)度電容；μ為電纜磁導(dǎo)率；ε為電纜的介電常數(shù)。對(duì)于任一確定的電纜，L0、C0、μ、ε均為常數(shù)，對(duì)于仿真中的電纜，μ=4π×10-7H/m，ε=3.63×10-11F/m，則可計(jì)算出脈沖波在該電纜中的傳播速度v0=1.48×108m/s。在如圖6所示的測(cè)試電纜回路中，振蕩波從首端入射，并在故障點(diǎn)發(fā)射，則行波傳輸距離為800 m，如圖9的5.41 μs處位置。

2.2 高壓交聯(lián)電纜短路故障定位判據(jù)

由于短路故障的擊穿通道有別于產(chǎn)生局部放電的絕緣劣化狀態(tài)，短路通道的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電纜主絕緣阻抗，在通道中也會(huì)產(chǎn)生回路電流，以至于在遠(yuǎn)小于振蕩波周期的測(cè)試時(shí)間范圍內(nèi)檢測(cè)到的電流呈現(xiàn)一致性的上升或下降的趨勢(shì)，且該電流在數(shù)值上遠(yuǎn)大于故障行波電流，如圖9所示。故在故障定位的實(shí)際應(yīng)用中可采用雙端定位的方法，即在線路兩端裝HFCT并同時(shí)測(cè)量故障波形。在長(zhǎng)度為l的電纜線路故障定位應(yīng)用中，脈沖波到達(dá)電纜線路首末端的時(shí)間可用式(6)和式(7)表示，到達(dá)時(shí)間差可用式(8)表示，則故障距離可用式(9)表示，即故障定位的判據(jù)。其中，x表示故障點(diǎn)距離測(cè)試端的距離，t1為首端(末端)的故障行波電流信號(hào)到達(dá)時(shí)間，t2為末端(首端)的故障行波電流信號(hào)到達(dá)時(shí)間，v0為故障行波電流信號(hào)在電纜中的傳播速度，即

(6)

(7)

(8)

(9)

為識(shí)別出HFCT采集到電流信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，本文采用小波包多尺度分析的方法進(jìn)行信號(hào)處理。小波包多尺度分析是將頻帶進(jìn)行多層次劃分，在低頻和高頻部分分別進(jìn)行二進(jìn)制分解，提高了時(shí)頻分辨率，使提取的信號(hào)特征更加集中。小波包多尺度分析是按照不同的尺度因子j(j=1，2，3，…，N)把整個(gè)空間分解為多個(gè)子空間的正交和，具體步驟如下。

步驟1，構(gòu)建所述泄漏電流反射波信號(hào)的尺度函數(shù)Vj和小波函數(shù)Wj，并根據(jù)Vj和Wj按照頻帶將所述泄漏電流反射波信號(hào)進(jìn)行正交分解，得到多尺度小波分解函數(shù)

Dj=Vj⊕Wj.

(10)

步驟2，根據(jù)Dj構(gòu)建空間多尺度方程，通過(guò)所述多尺度方程對(duì)所述故障行波電流信號(hào)按頻帶進(jìn)行分解，并根據(jù)分解后的結(jié)果對(duì)所述泄漏電流反射波信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，其空間多尺度方程為：

(11)

式中：h(k)為小波包的高通濾波器組；g(k)為小波包的低通濾波器組。小波包多尺度分析將整個(gè)信號(hào)按頻帶分解，每一層分為2j(j=1,2,3,…，N)個(gè)頻帶。其中，每一層的子頻帶都包含信號(hào)的所有信息，只是每層信號(hào)的分辨率不同。隨著尺度增大，分解頻帶個(gè)數(shù)越多，分辨率越高，各頻帶包含的頻率越細(xì)致，濾波效果越好。如果尺度過(guò)大，故障信號(hào)中的有用信號(hào)也有可能被剔除。小波包多尺度分解重構(gòu)的過(guò)程就是將故障信號(hào)進(jìn)行濾波的過(guò)程，每一層中各頻帶信號(hào)進(jìn)行重新分配，只包含相應(yīng)頻帶中的信號(hào)。多尺度分解重構(gòu)使信號(hào)的特征提取出來(lái)，特征更加明顯。當(dāng)小波基固定時(shí)，隨著尺度的增大，小波包分解重構(gòu)后的初始行波波頭寬度隨著尺度的增大而變大。但以db1小波基為基底的小波包分解重構(gòu)信號(hào)，其初始行波波頭寬度在不同尺度下是不變的。本文就是以db1小波基為基底的小波包進(jìn)行分解重構(gòu)信號(hào)。

步驟3，采用分段三次Hermite多項(xiàng)式對(duì)重構(gòu)的泄漏電流反射波信號(hào)進(jìn)行插值，并將正反向泄漏電流反射波信號(hào)進(jìn)行分離，得到泄漏電流反射波信號(hào)的極大值包絡(luò)線和極小值包絡(luò)線；設(shè){(tk，xk)}(k=0，1,…,N)有N+1個(gè)點(diǎn)，其中，a=t0

(12)

式中：Hj(j=1,…,4)表示Hermite基函數(shù)。將重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行正反向波的分離，利用分段三次Hermite多項(xiàng)式插值擬合正反向行波得到極大值包絡(luò)線和極小值包絡(luò)線。通過(guò)對(duì)所述故障行波電流信號(hào)按包頻帶進(jìn)行正交分解，并進(jìn)行重構(gòu)，可以對(duì)所述故障行波電流信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)每一層中各頻帶進(jìn)行重新分配，只包含相應(yīng)頻帶的信號(hào)，這樣信號(hào)的特征更加明顯，再通過(guò)插值提取極值包絡(luò)線，從而準(zhǔn)確得到故障行波電流信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。

為分析該故障定位方法的誤差，本文將故障點(diǎn)位置分別設(shè)置在距離線路首端測(cè)量點(diǎn)50～450 m處，使用上述仿真和故障定位方法，測(cè)量到的行波到達(dá)時(shí)間與定位結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 故障定位結(jié)果
Tab.2 Fault location results

故障位置/mt1/μst2/μsΔt/μs計(jì)算距離/m誤差/%500.683.382.7050.200.401001.353.382.0399.780.201502.033.381.35150.100.082002.703.380.68199.680.162503.413.38-0.03247.780.893004.053.38-0.67299.580.143504.733.38-1.35349.900.034005.413.38-2.03400.230.094506.083.38-2.70449.800.04

從表2可知，故障點(diǎn)位置分別在50～450 m處，故障行波到達(dá)首末兩端測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間，計(jì)算得到的故障距離及故障定位的誤差。故障行波反射信號(hào)到達(dá)測(cè)試首端的到達(dá)時(shí)間與故障點(diǎn)位置有關(guān)，而在首端產(chǎn)生的脈沖信號(hào)到達(dá)測(cè)試電纜末端的到達(dá)時(shí)間只與電纜長(zhǎng)度有關(guān)，仿真結(jié)果均為3.38 μs，表明該仿真計(jì)算方法結(jié)果穩(wěn)定。故障點(diǎn)位置的計(jì)算距離與故障點(diǎn)設(shè)置距離的誤差不超過(guò)5 m (1%)。以上結(jié)果表明，基于OWTS的短路故障定位有較高的定位精度，理論上的定位誤差不超過(guò)1%，利用HFCT套接在電纜本體有較好的電流檢測(cè)效果。

2.3 基于OWTS的高壓交聯(lián)電纜短路故障試驗(yàn)驗(yàn)證

選取武漢供電公司電纜工區(qū)的一條110 kV試驗(yàn)電纜，電纜線芯截面1 000 mm2，線路全長(zhǎng)215 m，模擬故障點(diǎn)位置設(shè)置在距離線路首端100 m處位置，試品電纜的接線方式如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與故障定位流程如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)電纜線路現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與故障定位流程Fig.10 Process of the on-site testing and fault location for the test cable

首先將測(cè)試電纜與OWTS連接，高壓直流發(fā)生器緩慢升壓到15 kV后，對(duì)測(cè)試電纜施加交流振蕩波電壓，在測(cè)試電纜的首端記錄HFCT采集到的信號(hào)波形，最后根據(jù)行波的到達(dá)時(shí)間即可計(jì)算出故障點(diǎn)距離。

在HFCT上測(cè)量到的電流波形如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)電纜上檢測(cè)到的電流信號(hào)波形Fig.11 Current waveform detected on the test cable

從圖11可以明顯看出， 暫態(tài)行波信號(hào)疊加在故障通道電流之上，盡管試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)存在一定程度的噪聲干擾，基于小波包多尺度分析的信號(hào)處理方法能夠清晰的分辨出振蕩波反射波首波到達(dá)時(shí)間為1.35 μs，并且與行波到達(dá)時(shí)間的仿真計(jì)算結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了該基于OWTS的高壓交聯(lián)電纜短路故障定位方法的可行性。

3 結(jié)論

本文根據(jù)OWTS原理，提出了1種高壓交聯(lián)電纜的短路故障定位方法，并根據(jù)電磁信號(hào)在電纜線路中的傳播和耦合特性，改進(jìn)了信號(hào)測(cè)量的電磁耦合法，使之更準(zhǔn)確地測(cè)量故障信號(hào)。在對(duì)一段長(zhǎng)500 m的高壓電纜故障定位的仿真結(jié)果表明，基OWTS的短路故障定位有較高的定位精度，理論上的定位誤差不超過(guò)1%，利用HFCT套接在電纜本體有較好的電流檢測(cè)效果。本文選取了一條110 kV試驗(yàn)電纜對(duì)故障定位方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，基于小波包多尺度分析的信號(hào)處理方法能夠清晰地分辨出振蕩波反射波首波到達(dá)時(shí)間，并且與行波到達(dá)時(shí)間的仿真計(jì)算結(jié)果一致，該故障定位方法是可行有效的。