基于行波技术高压配电线路绝缘故障定位方法

中色非洲矿业有限公司 查琼睿

目前，高压配电线路出线走廊架设环境恶劣，长期裸露在外，导致故障频发。绝缘故障是高压配电线路常发的故障类型之一，其对高压配电网运行的稳定性与安全性会造成不良影响，如果不能对绝缘故障及时检测、定位、处理，不仅会降低高压配电线路使用寿命，而且严重情况下会引发线路放电、火灾等事故，导致高压配电网停运，为电力企业造成严重的经济损失，因此对高压配电线路绝缘故障定位较为有必要的。最初对线路绝缘故障定位采取的方式为人工方式，由技术人员凭借自身的经验，确定绝缘故障距离和位置，这种方式定位结果具有一定的主观性，因此定位准确性无法得到有效保障。

随着人工智能、互联网、信息技术等现代化技术的不断发展，自动化定位方式逐渐取代传统方式，但是国内关于线路绝缘故障智能定位研究起步比较晚，目前尚处于初步探索阶段，现行方法无法取得预期定位效果，不仅绝对误差比较大，而且耗时比较长，无法满足实际需求，为此提出基于行波技术的高压配电线路绝缘故障定位方法。

利用高速采集器对高压配电线路反射行波信号采集，并利用小波变换技术对原始反射行波信号降噪处理，通过提取反射行波特征识别到绝缘故障信号，根据故障信号行波速度与时间确定绝缘故障距离和位置，以此实现基于行波技术的高压配电线路绝缘故障定位。

1 高压配电线路行波采样、信号小波变换

1.1 高压配电线路行波采样

行波技术是利用行波法定位装置向测量目标发射脉冲源，脉冲源信号沿着高压配电线路向前传播，由高速采集器采集到传播介质反射回来的行波信号，通过对行波信号幅值、波形分析，识别到绝缘故障信号，再根据绝缘故障行波信号的传播速度、时间，对高压配电线路绝缘故障测距定位[1]。根据故障定位需求，此次采用OUFA-AET484行波法故障定位装置，该装置主要由脉冲源、高速采集器以及上位机组成。将定位装置固定安装在待测高压配电线路的一端，由脉冲源向配电线路发射电磁波[2]。

根据实际情况对脉冲源宽度参数设定，假设脉冲源宽度为z，如果脉冲宽度比较大，在一段时间内脉冲源发射的行波与反射波相遇，并相互重叠，则会导致高速采集器无法有效采集到反射波信号，无法辨别出高压配电线路反射波形；如果脉冲宽度比较小，脉冲源无法全面覆盖到待测线路上，则会出现测试盲区，同样也会影响到采样质量。因此在采样中将脉冲源宽度取值区间设定为100～150ns，具体数值需要根据高压配电线路的直径大小确定，配电线路直径越大，脉冲源宽度也要随着增大[3]。在其基础上对高速采集器的采样周期、频率以及范围等参数设定，将采集到的高压配电线路行波信号发送到上位机上，待后续对其滤波、故障信号识别、故障测距定位。

1.2 高压配电线路行波信号小波变换

考虑到在对高压配电线路行波信号采样过程中会受到变压器、高压电缆等外界因素干扰，导致采集的信号样本中会存在一部分除有效信号以外的噪声信号。噪声信号的存在会影响到后续线路信号波形分析精度，故采用小波变换技术对采集的行波信号样本进行滤波处理。根据以上分析，为了达到降噪的目的，实际就是抑制噪声信号u（t），尽可能突出有效高压配电线路反射行波信号w（t），降低噪声强度ε，因此首先利用小波变换技术对原始行波信号进行分解处理，得到连续小波序列，表示为：

式中：Ψ（v,k）为变换后的小波序列；v为小波伸缩因子；k为小波平移因子；Ψ为小波基函数；t为时间序列。利用上述公式对原始行波信号变换分解后，将行波反射信号分量与噪声信号分量保存在隔离系数中，利用阈值将各个隔离层中的信号分量进行比对，若信号分量大于阈值，则保存在该隔离系数中的信号分量为噪声，对其进行滤除；若未超过阈值，则信号分量为有效高压配电线路反射行波信号，对其保留。再将保存在隔离系数中的信号分量进行重构，重组反射行波信号，实现对高压配电线路行波信号降噪处理。

2 配电线路绝缘故障测距定位

接下来通过信号传导波形特征，识别到绝缘故障信号。以信号传导时间为横坐标，以高压配电线路信号值为纵坐标，建立高压配电线路行波图，将每个时间点对应的信号值映射到以上建立二维坐标系中。考虑到实际中高压配电线路行波传导线上传播并非无损耗传导，行波在不同的媒介间传递，由于电磁场的能量相互转换会产生损耗，因此高压配电线路行波符合衰减规律，其用公式表示为：，式中：y为高压配电线路行波衰减系数；W为脉冲源发射的行波信号幅值；G为行波传导空间的电场能量分布；S为高压配电线路波阻抗。

根据高压配电线路的电容与电感可以推导出线路的波阻抗，公式为：，式中：L为高压配电线路的电容；C为高压配电线路的电感。根据行波传导衰减规律，确定每个时间节点的行波信号值，其计算公式为：

式中：K（x,t）为在t时刻高压配电线路的行波信号值；x为高压配电线路行波传导距离；K-为以脉冲源为起点沿高压配送线路反方向传导的行波；v为高压配送线路反射行波速度；K+为以脉冲源为起点沿高压配送线路正方向传导的行波。

利用以上公式将线路行波信号值映射到二维坐标系中，生成高压配电线路行波图，根据行波图确定高压配电线路行波信号幅值。根据实际情况设定故障信号识别阈值，如果行波信号幅值大于阈值，则表示该时刻高压配电线路行波信号发生跳变，信号波动异常，此时线路发生绝缘故障，对应的行波信号为故障信号；反之，则表示高压配电线路处于正常运行状态，检测信号为正常信号。

提取到异常信号，根据异常信号传导速度、时间，确定高压配电线路绝缘故障点距离，其计算公式为：H=v|t1-t2|，式中：H为高压配电线路绝缘故障距离；t1为发射脉冲时间；t2为反射脉冲时间。以此定位到绝缘故障的具体位置，进而完成基于行波技术的高压配电线路绝缘故障定位。

3 试验论证

3.1 试验准备与设计

为验证所提方法的可行性与可靠性，选择某高压配电线路为试验对象，该高压配电线路总长为7000m，线路数量为7条，线缆直径为3.5m，线路使用时间比较长，部分区域已经出现明显老化现象，绝缘故障率较高，符合实验需求，利用本文设计方法对该高压配电线路绝缘故障定位。选择两种传统方法作为对比，分别为基于机器视觉和基于改进决策树，用传统方法1与传统方法2表示。

根据该高压配电线路实际情况，试验准备了一台行波法定位装置，将脉冲源宽度设定为110ns，脉冲信号发射频率设定为2.15Hz，高速采集器采样频率设定为2.15Hz，采样周期设定为0.05s，采样范围设定为500us。本次实验共采集到100份信号样本，按照上述流程对信号小波变换、故障信号识别、故障测距定位，具体定位结果描述如下。

配电线路1，故障电流波形幅度为3.46V，测距值为456.15m；配电线路2，故障电流波形幅度为5.26V，测距值为604.86m；配电线路3，故障电流波形幅度为6.24V，测距值为286.25m；配电线路4，故障电流波形幅度为4.52V，测距值为395.84m；配电线路5，故障电流波形幅度为3.86V，测距值为529.71m；配电线路6，故障电流波形幅度为4.48V，测距值为764.56m；配电线路7，故障电流波形幅度为5.25V，测距值为128.99m。本文设计方法基本可以完成高压配电线路绝缘故障定位任务，以下对具体的故障定位效果进行对比分析。

3.2 试验结果与讨论

试验以定位绝对误差为三种方法性能评价指标，绝对误差越大，高压配电线路绝缘故障定位精度越低，其计算公式为：，式中：F为高压配电线路绝缘故障定位绝对误差；c为绝缘故障测距值；s为实际绝缘故障距离。本次试验以干扰频率为变量，在对高压配电线路绝缘故障定位过程中，使用AOIH干扰设备对行波进行干扰，每种干扰水平下采集1个故障样本，利用上述公式计算出不同干扰水平下绝缘故障定位绝对误差，使用电子表格对试验数据记录，具体数据见表1。

表1 三种方法绝对误差对比（%）

从表1可看出，设计方法定位绝对误差相对比较小，虽然三种方法定位绝对误差值均随着干扰水平的增加而不断增长，但设计方法绝对误差增长幅度比较小，当行波干扰水平达到7.15Hz时，设计方法绝对误差仅为0.19%，数值较小，基本可忽略不计，绝缘故障定位结果基本与实际一致，设计方法可以将绝对误差控制在1%以内，说明设计方法可实现对高压配电线路绝缘故障高精度定位；而两种传统方法绝对误差均随着行波干扰水平的提升而大幅度增长，当行波干扰水平达到7.15Hz时，传统方法1与传统方法2绝对误差分别为21.46%、20.36%，远远高于设计方法，因此证明在定位精度方面设计方法更佳。

为进一步验证设计方法的适用性，对三种方法定位耗时进行对比。试验以故障点距离为变量，记录不同故障点距离情况下三种方法故障定位耗时，根据记录的数据绘制三种方法绝缘故障定位耗时对比图如图1所示。

图1 三种方法绝缘故障定位耗时对比图

从图1可以看出，设计方法绝缘故障定位耗时相对比较短，虽然三种方法定位耗时均随着故障点距离的增加而不断延长，但是设计方法相对于两种传统方法定位耗时更短一些，时间延长比例比较小，当对800m故障点定位时设计方法耗时仅2.56s，比传统方法1提前将近6s，以传统方法2提前将近9s，设计方法定位速度更快一些。因此，本次试验证明了无论是在精度方面还是在速度方面，设计方法均表现出明显的优势，相比较两种传统方法更适用于高压配电线路绝缘故障定位，具有良好的定位效果。

4 结语

针对传统方法存在的不足与缺陷，将行波技术应用到高压配电线路绝缘故障定位中，设计了一套全新的定位方法，有效降低了绝缘故障定位绝对误差，以及提高了故障定位效率，实现了对传统方法的优化与创新。本次研究为高压配电线路绝缘故障定位提供了参考依据，有助于提高高压配电线路绝缘故障定位工作的智能化与自动化，提高绝缘故障定位技术水平。但是本文研究方法尚在实际中得到大量操作与实践，在某些方面可能存在一些不足之处，今后会在方法优化设计方法展开进一步研究，为高压配电线路绝缘故障定位提供有力的理论支撑。