电力电缆故障距离诊断及检测探析

2015-04-17马梁

机械工程师 2015年5期

马梁

（晋煤集团长平公司设计中心，山西晋城048000）

1 工频量故障测距法

1）阻抗法。a.基本原理：假设输电电缆在不同故障情况下所算出的系统阻抗与故障测距装置安装处到电缆故障发生点的距离成正比；b.减小过渡电阻的影响：为了减小过渡电阻对输电电缆故障测距结果的影响，很多人一直在努力进行大量研究，微处理器的发展及应用也为减小过渡电阻对故障测距的影响提供了帮助［1］。

2）故障分析法。故障分析法是测量故障发生时的电流值和电压值，然后对故障信号进行计算分析，实时得出故障发生点的距离。与前面介绍的阻抗法故障测距最大的不同之处是不用测量电缆的阻抗，其适应性更为广泛。单侧电气量算法利用一侧的电流、电压值；双侧电气量法要用到输电电缆两侧的电流值和电压值。

3）故障时的电压法的基本原理。电力系统发生短路故障时，故障点处的电压值最小。找到故障电缆上电压的极值即为故障点。电压的极值是指最小电压或者最大电压点。但电缆发生故障，电缆故障发生点的短路相或者相间电压最小，故障分量的电压在故障发生点最大。为了准确进行故障定位，输电电缆需要用分布参数模型进行计算，以减小误差。要对输电电缆各点的电压进行比较，首先要得到各点的电压，再确定最小电压。

2 行波测距原理与分类

行波故障测距法的优点为精度高、速度快。行波测距法在原理上分为单端法和双端法两种。单端法是利用行波在输电电缆故障点反射和透射的特点，测得反射波的时间，根据波速、时间和距离之间的关系算得故障距离；双端法是利用输电限流故障时的行波向输电电缆两端传播的特性，在输电电缆的两端分别测量初始行波，根据到达输电电缆两端的时间差进行测距。实际上也可以在系统发生故障的时候，人为向系统注入脉冲信号，以和故障行波信号同样的道理测得故障距离。把输电电缆故障时系统本身发出的行波信号作为测距信号进行单端测距叫做A型法，把输电电缆故障时系统本身发出的行波信号作为测距信号进行双端测距叫做B型法，人为注入脉冲作为测距信号叫做C型法［2］。

3 各种测距方法的优劣比较

3.1 单端和双端测距法比较

1）工频量单端和双端测距法比较。工频量的单端法是基于输电电缆一端的电压和电流量来计算故障距离，单端测距主要还存在以下问题：a.电缆故障时过渡电阻的存在或系统等效阻抗的变化对测距准确度的影响；b.输电电缆或双端测距系统的阻抗的不对称性对测距结果的严重影响。

2）行波法单端和双端测距比较。

a.单端行波测距法的优点：第一，单端行波测距法比双端行波测距法的投资成本降低了一半，可以不用时间定位或两端数据通信等，故障测距结果的实时性比较高；第二，如果能准确判断出电缆故障点返回测量点的行波，由于故障测距不受两端设备和时间不一致的影响，测距的精度基本能够满足电力系统对故障测距精确度的严格要求，而且通过对电力系统现场大量的故障数据统计和分析，基本可以保证故障测距的误差要求。

b.单端行波测距法的缺点主要在于原理上的缺陷。行波的极性和最大值（也就是幅值）是行波信号最重要的特征之一，在很多电力系统线路接线结构和多种故障情况下，无法实现单端测距，而且，此法还存在测量死区的问题。

c.双端行波法是根据故障点产生的向输电电缆两侧母线运动的行波到达两侧母线的时间之差来计算故障距离，理论上可靠性较高。

d.双端行波法的优点：第一，由于输电电缆的两端都只测量第一次到达的初始行波，不易受输电电缆的过渡电阻、电力系统运行方式、输电电缆的分布电容等影响，所以双端行波测距法比单端行波测距法测距结果的可靠性更高；第二，双端行波测距法的测距结果一般都能够满足电力系统对精确故障测距的严格要求，测距误差基本可以保证；第三，根据设计参数或实测参数推算输电电缆的总长度经常会导致结果不够准确。

e.双端行波测距法的缺点主要是：第一，双端行波测距装置的投资成本比较高，而且还需要GPS对时系统以及输电电缆两侧的数据进行互相通信等；第二，在多回路电缆系统结构的应用原理上存在严重不足，需要用单端行波测距法配合测距，来弥补其不足之处。

3.2 工频量和行波测距法比较

在初期资金投入方面来看，工频量测距法可以利用已有的大量的已投运的设备，硬件投资相对较小，而且实现起来相对比较容易；而行波测距法不同，它需要另外增加专门的设备，硬件投资较多，技术要求也比较复杂。但是在故障测距计算所需处理时间上，行波测距法明显要比工频量故障测距法好很多。处理时间主要是指测量电压和电流信号的时间。随着自动化水平的不断提高，切除故障的时间将大大缩短，但故障切除的时间仍然会比行波信号的采集时间长了很多。以工频测距法来说，要想缩短时间，难度非常大。测距精度是故障测距首先要考虑的最重要的指标，在原理上，行波测距法受过渡电阻和电缆不对称等因素的影响很小，精度高于工频量测距法；但行波测距法存在反射波的识别问题，且有死区问题，但工频量测距法可以轻松实现近距离的故障测距，且结果较准确，这一点上，两种测距算法不相上下。

4 现有故障测距方法的改进

基于全球卫星定位系统GPS同步技术的纯双端行波故障测距装置已经在电力输电系统应用多年，该装置利用的是输电线路发生故障时产生的暂态电压行波信息。大量的理论分析和实际运行经验表明，这种故障测距装置的精确度可以继续缩小，或者说应用于电缆故障测距的误差会更加小。

单端量行波故障测距装置的基本原理是在输电电缆发生故障时，利用故障测距点感受到的由故障初始行波浪涌经测量端母线反射后所形成的第1个正向行波浪涌与来自故障方向的第2个反向行波浪涌之间的时延计算得出输电电缆故障点的距离，其中正向行波与反向行波分别是测量点暂态电压与暂态电流关于输电电缆波阻抗的线性组合。但是由于以下几个方面的原因，目前国内电力系统只采用故障时的电流行波信号进行输电电缆故障测距：第一，输电电缆故障时的暂态电压行波信号不容易获取；第二，输电电缆的波阻抗也不容易准确获得；第三，当变电站的母线上出线回路数比较多时，电力系统可靠性相对比较稳定，输电电缆发生故障时对电力系统的电压变化影响很小，也就是说输电电缆发生故障时的暂态电压行波信号比较弱，异常现象不太明显，但是故障时的暂态电流行波信号却比较强，故障时的现象比较明显。

那么现在就以同一条母线上任一条非故障的电缆作为参考电缆，通过比较由故障电缆的暂态电流和该条参考电缆的暂态电流形成的反向行波浪涌与其对应的正向行波浪涌的极性，就可以识别出来自输电电缆故障方向的行波浪涌，并且消除来自参考电缆远端母线的反射波和各种行波信号扰动的影响。