电缆故障在线检测研究

任艳霞++朱超

文章编号：2095-6835（2016）13-0088-02

摘 要：简要分析了电缆故障中最常见的单相接地故障的电流波形，围绕行波法故障定位阐述了故障电流的行波传播特征，并介绍了基于行波法的电力电缆故障测距算法。所得结论可为电力电缆故障的在线诊断提供借鉴。

关键词：电力电缆；在线诊断；暂态行波；测距算法

中图分类号：TM762.2+5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.088

根据电缆故障点绝缘电阻的不同，可将故障分为开路故障、低阻故障和高阻故障，而高阻故障又分为泄漏性故障和闪络性故障。在这些常见的故障中，发生频率最高的是单相接地故障。本文以单相接地故障为基本研究内容，分析了基于行波法的电力电缆故障测距算法。

1 单相接地故障波形分析

中性点接地方式有很多种，主要有以下3种，即中性点直接接地系统、中性点经小电阻接地系统和中性点不接地系统。对于前两种情况，由于故障发生时的电流比较大，所以，比较容易从电流中获得暂态信息。而对于后一种情况，由于故障电流比较小，经过衰减的故障电流中所携带的暂态信息到达测量端后不易被识别。

利用PSCAD仿真软件对直接接地和不接地系统进行模拟实验，可以得到故障波形的具体特征。小电阻接地故障的波形类似于直接接地，而通过消弧线圈接地故障的波形类似于不接地故障。

设置A相接地故障，结合仿真实验，得到了电流波形特征，具体如图1所示。

由图1可知，在直接接地和不接地方式下，故障电流信号中的高频信息能够提供大量的暂态特征，对故障测距有积极的作用。直接接地系统故障回路的低阻抗使高频幅值维持在比较低的水平，所以，扩大局部环节能够轻易识别出行波在故障点和测量端反射波头的情况。在中性点不直接接地系统中，由于不直接接地系统故障回路的阻抗高，导致稳态故障电流变小，高频信息非常明显。但是，因为高频信息本身的幅值比较小，一旦过渡电阻的阻值过大，它的幅值就会更小，实际的干扰信息会掩盖这些高频信息，所以，必须对信号进行必要的处理，从而得到有效的故障暂态信号。

2 故障电流行波传播特性

2.1 行波传播特性分析

电缆中共有6个模量，其中，a模、b模、c模是从电缆的屏蔽层注入的，d模、e模、f模是从电缆的导体注入的。在单相接地故障中，对行波的分析主要是对d模的分析。当发生相间短路故障时，对行波的研究则主要依靠对e模和f模的研究。为了让行波传播速度保持同步，研究中只能选用高频率的信号作为分析对象。在现实数据应用采样中选用低频率信号作为研究对象，同时，还要满足高频率信号的高衰减系数的研究信号频率不能过高的要求。通过对各种因素的综合考虑，本文研究对象可以选择的高频信号范围是几十至几百千赫兹。

衰减常数和相位常数与多种因素密切相关，比如电缆结构参数、长度等。对于低频率的行波，它可以实现较长距离的传送，而且衰减系数也小。例如，1×104 Hz的行波传播6 000 m后只衰减了1/10，但是，当行波为1×106 Hz时，其只传送了200 m就出现了同样的衰减量。

2.2 电流行波的频谱分析

为了研究相关分析的科学性和高频信号选择的可靠性，可以分析电流行波的频谱，对比、分析不同频率分量对应幅值的结果可以知晓相关研究的正确性。

在分析不接地故障的电流波形时，具体的研究对象为发生故障时的电流波形片段，其信号电流波形结果如图2所示。图2中涉及到了对工频成分和故障行波复合信号的分析。考虑到采样定理，可以将分析信号频率的最大值确定在这个范围：|ωk|≤1/2Δt.其中，Δt代表的是采样间隔，Δω=1/T代表的是频率的精细度，T代表的是采样周期。在此，只分析最高频率即可。当Δt为1/2 μs时，通过计算得到频率最大值为1×106 Hz。提高采样频率可以研究更高的频率。

3 基于行波法的电力电缆故障测距算法分析

一旦电力电缆发生故障，就会出现在输电线路上传播的故障行波。该行波有在故障点和两端母线处反射、透射的特性。故障波和干扰波可以根据故障行波的暂态特性区分开，结合小波分析计算出故障行波到达检测点的时间及其折反射波抵达检测点的时间，从而测定故障距离。

具体算法可以参照图3.其中，t1、t2和t3分别代表的是故障发生时行波抵达A端母线的时间点、B端母线反射波抵达A端母线的时间点和故障点反射波抵达A端母线的时间点。使用小波变换可以得到最初的连续2个小波变换模极大值之间的时延和相对极性，进而计算出故障距离。

将第一个模极大值点所对应的入射行波波头到达的时间记为tl，第二个模极大值点所对应的来自于对端母线或者是故障点的反射波波头到达的时间记为t2或者t3，则模极大值之间的时延为：

Δt =tl-t2. （1）

Δt =t3-t1. （2）

如果使用来自对端B母线的反射行波，那么，故障距离x为：

x=L-v×Δt/2. （3）

如果使用来自故障点F的反射波，那么，故障距离x为：

x= v×Δt/2. （4）

式（3）（4）中：L为被检测电缆线路的全长；v为行波线模分量的传播速度。

4 结论

本文建立在对单相接地故障电流波形分析的基础上，以行波法故障定位为中心，利用小波变换等变换域处理方法，通过对行波电流突变点的检测分析出突变点的时间特征，从而完成电力电缆故障的在线检测。

参考文献

[1]齐建平.内蒙古500 kV输电线路行波故障测距算法研究[D].北京：华北电力大学，2013.

[2]鹿洪刚.电力电缆故障在线测距仿真研究[D].北京：中国电力科学研究院，2005.

[3]杨建国.小波分析及其工程应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]任艳霞.电力电缆故障诊断与监测[D].北京：北京交通大学，2008.

〔编辑：白洁〕