基于小波变换的高压电缆混合线路故障定位方法及验证试验

2021-03-13曹俊平王成珠李乃一周路遥王振国

浙江电力 2021年2期

曹俊平，黄勃，王成珠，李乃一，周路遥，江航，王振国

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司温州供电公司，浙江温州 325000；3.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州 310009）

0 引言

随着电力系统的迅速发展，输电线路在原有高压电缆线路、架空线路的基础上发展为高压电缆-架空线混合线路，且应用越来越广泛。混合线路中电缆段故障多为永久性故障，重合闸成功概率较小，且会造成电缆设备再次受到故障大电流的冲击，恶化了设备的绝缘状态和运行条件；而架空段故障多为瞬时放电，重合闸成功概率较大，可快速恢复供电。混合线路不同区段故障的运维策略存在较大差异[1-2]，因此，快速、准确地进行混合线路区间定位及故障测距对保证电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义。

输电线路故障测距方法根据其原理不同主要分为阻抗法和行波法[3]。阻抗法是根据计算故障回路的阻抗来获得测距装置安装处与故障点的距离；行波法主要利用故障时产生的电压、电流行波信号，根据行波在测量点与故障点往返一次的时间差（单端法）或初始行波到达线路两端的时间差（双端法）测量故障距离。与阻抗法相比，行波法具有受故障类型、过渡电阻、两侧系统阻抗、负荷电流影响小等优点，但需要高速采样，对数据处理及分析提出了较高的要求。随着对行波理论研究的深入和小波分析工具的应用，行波测距装置得到了大量的实际应用[4]。高压电缆-架空线混合线路具有阻抗不连续的特点，对阻抗法而言不再是均匀传输线的模式；对行波法而言同样存在波阻抗差异较大而导致的波速不一致等问题。国内外对于单独的电缆或架空线故障定位方法研究较多，已提出了多种故障定位原理和算法[5-8]，但对两种线路的混合系统研究较少。

本文提出一种基于小波原理的混合线路故障定位方法，开展了110 kV 高压电缆线路区间内和区间外故障模拟试验，以验证该故障定位方法的可行性和有效性。

1 混合线路故障定位原理

1.1 混合线路故障区间判断

根据高压电缆混合线路的结构特点和电气特性[9-11]，在架空线路段与电缆线路段分界点处及电缆末端分别监测工频跳闸时刻的故障暂态电流方向，监测终端配置分布如图1 所示。当故障点位于架空线路段内时，电缆段两端的故障电流同方向流向架空线路故障点；当故障点位于电缆线路段内时，电缆段两端的故障电流相向流向电缆线路故障点，故通过监测电缆线路两端暂态电流方向可判断故障点是否位于电缆段区间内。判断原则为：若高压电缆线路两端监测点的故障暂态电流波头极性相反，则说明故障发生在电缆段区间内；若高压电缆线路两端监测点故障暂态波头电流极性相同，则说明故障发生在架空段，即电缆段区间外。

图1 监测终端配置分布

1.2 电缆区间故障精确定位

当高压电缆线路发生故障时，导体对地击穿瞬间，产生的故障冲击电流将以行波的形式流经电缆接地引下线，并向两端传播[12-14]。因此，可通过高频TA（电流互感器）监测采集电缆两端接地引下线的行波电流信号，利用双端行波定位原理实现故障的精确定位。当行波电流到达测试两端时，对应的时刻分别为t1 和t2，则传播时间差为δt，行波定位原理见图2，因此故障点到测试端的距离可以由下式计算得到：

式中：L 为电缆总长；v 为行波信号在电缆中的传播速度，交联聚乙烯绝缘高压电缆波速度为170 m/μs。

图2 行波定位原理

然而混合线路发生故障时的行波信号是一种突变且非平稳的高频暂态信号，其中包含从各个阻抗不连续点反射的行波波头，难以准确分辨行波信号的突变点[15-16]。经多次仿真研究，本文选用Db6 小波对原始行波信号进行5 层分解，将其分解为多个低频逼近分量和高频干扰分量，舍弃高频干扰分量，根据小波系数的模极大值点得到行波信号的突变点，实现故障的精确定位。小波变换原理如图3 所示，其中D*为低频逼近分量，G*为高频干扰分量，下标数字为小波变换的次数。

图3 小波变换原理

定义函数ψ（t）为小波母函数，若满足平方可积和容许性条件，即：

由母小波经伸缩和平移而张成的一系列子函数，即小波基函数为：

式中：a 为尺度因子；τ 为时移因子。

平方可积空间L2（R）中任意函数在小波基下按式（4）进行分解，即：

由式（4）可见，连续小波是一种相似性比较运算，尺度的增大或缩小导致母小波被拉长或压缩，波动频率随之改变，再与被分析信号比较相似程度，得到被分析信号在该频段空间上的映射值，即小波系数。

小波变换能够对行波信号的奇异性进行检测[17-18]，小波变换f（t）是在尺度s 上经θs（t）平滑后的一阶倒数，当行波信号变换最强烈时，f（t）出现极大值，即小波系数的模极大值点对应行波信号的突变点，从而实现故障的精确定位。

基于小波原理的混合线路故障定位方法运用故障暂态电流的极性来判断故障区间，并运用小波分析技术提取行波到达时刻，优化系统算法结构，实现故障的精确定位。

2 混合线路故障定位方法验证试验

在110 kV 高压电缆状态仿真试验平台上对混合线路进行故障精确定位模拟试验，该混合线路仿真试验平台由升压装置、电缆段和架空导线段构成，结构示意见图4。其中，电缆段由有中间接头和无中间接头两段电缆组成，两段电缆通过约5 m 长的铜排连接，铜排连接段用以模拟架空线路区间故障；电缆段由高压电缆本体、GIS（气体绝缘组合封闭电器）终端、户外终端及中间接头构成，中间接头位于电缆线路中间位置，电缆试验回路长50 m，高压电缆型号为YJLW03 64/1101×800 mm2，有中间接头高压电缆段用以模拟区间内故障，接地方式采用一端直接接地、一端保护接地，在电缆两端配置信号采集模块。

信号采集模块由工频采集模块和行波采集模块两部分组成。前者主要用于监测线路的工频电流，安装在电缆本体上；后者主要用于实时监测电缆线路的绝缘隐患放电行波以及故障行波，在直接接地端安装在对应的接地缆上，在保护接地处安装在电缆本体上。另外，采用快速响应的宽频行波电流传感器，其频率响应范围达到10 kHz～2 MHz，频响快，不失真，且响应速度小于2 ns，可有效提取接地线上的绝缘损伤放电信号[19-20]。同时，采用高精度同步时钟，具有20 ns 级精度的GPS（全球定位系统）时钟对时，可有效提高定位精度。

对混合线路架空段及电缆段进行故障模拟试验[21-22]，故障设置方式如下。

（1）混合线路架空段故障模拟试验

在连接铜排处设置尖端缺陷，升压时对地放电，模拟高压电缆区间外故障。尖端缺陷现场设置如图5 所示，金属尖端一端靠近连接铜排，另一端通过铜线与接地网连接，连接铜排外部包覆金属扩径线，使外部电场均匀，易于控制模拟故障时的击穿放电电压。

（2）混合线路电缆段故障模拟试验

图4 混合线路试验平台结构示意图

图5 架空段-尖端放电故障现场设置

图6 电缆段-中间接头绝缘缺陷现场设置

在高压电缆中间接头设置绝缘缺陷，升压时击穿放电，模拟高压电缆区间内故障。中间接头绝缘缺陷现场设置如图6 所示，在安装后的中间接头橡胶件中间位置打一个深度约20 mm 的孔洞，植入铜丝后末端引出至橡胶件外表面，再恢复橡胶件外表面铜网屏蔽，铜网接于接地网。

利用110 kV 高压电缆状态仿真试验平台开展验证试验，在含有中间接头的电缆段终端安装工频采集模块和行波采集模块，先后分别开展架空线段和电缆段的故障模拟试验，验证混合线路故障精确定位方法的可行性。

3 试验结果与分析

3.1 混合线路故障区间定位

（1）混合线路架空段故障模拟试验

逐步升高试验电压直至连接铜排发生放电，记录电缆两侧终端处采集模块监测到的故障工频暂态电流波形，试验结果如图7 所示。

图7 混合线路架空段故障模拟试验结果

由图7（c）起始波头放大图可知，架空线段故障模拟试验的工频暂态故障电流起始波头极性相同，根据故障区间判断规则可知，故障位于高压电缆线路区间外，与设置于架空段模拟故障一致，故该方法可正确判断高压电缆线路区间外故障。

（2）混合线路电缆段故障模拟试验

逐步升高试验电压直至高压电缆中间接头击穿，记录电缆两侧终端处采集模块监测到的故障工频暂态电流波形，试验结果如图8 所示。

图8 混合线路电缆段故障模拟试验结果

由图8（c）起始波头放大图可知，电缆段故障模拟试验的工频暂态故障电流起始波头极性相反，根据故障区间判断规则可知，故障位于高压电缆线路区间内，与设置于高压电缆段内故障一致，故该方法可正确判断高压电缆线路区间内故障。

3.2 混合线路电缆段故障精确定位

通过监测故障点产生的行波传输到电缆两侧终端行波采集模块的时间差与行波在电缆中传播的速度关系，分析计算故障点距离监测终端的距离位置，从而定位故障点。

分别进行两次电缆段中间接头故障模拟试验，逐步升高试验电压直至高压电缆中间接头击穿，记录电缆两侧终端处采集模块监测到的故障工频暂态电流波形，经小波分析，第一次和第二次故障模拟试验行波采集模块监测得到的行波波形波头分别如图9、图10 所示。

图9 第一次电缆段故障行波电流监测波形

图10 第二次电缆段故障行波电流监测波形

依据故障点精确定位计算公式（1），得到两次电缆段中间接头故障精确定位计算结果分别为15.8 m 和20.9 m，与模拟试验设置的中间接头故障点距离测试端25 m 的偏差分别为9.2 m 和4.1 m，详见表1；受模拟试验高压电缆线路长度限制，故障定位计算结果偏差较大，同时，该方法的定位精度主要取决于行波电流传感器采集精度和同步时钟精度。由试验结果可见，基于小波理论的双端故障定位方法可实现高压电缆线路区间内故障的精确定位，定位精度偏差在9.2 m 之内，对长度达几公里的高压电缆线路而言，该故障定位精度可有效指导现场故障点查找，提升抢修效率。