基于高速采样装置的电力电缆局放故障定位研究

摘要：电力系统作为支撑我国经济高速发展的关键设施，相关人员需要在日常运行中重视电力系统的维修与保养工作。在传统的故障检测与信号采集中，信号采样的频率有限，存在着无法准确定位故障的缺陷。而高速采样装置的出现，为电力电缆局放故障定位提供了新的研究方向，工作人员能够利用这种装置实现对电缆局放故障的精准定位，进而提升故障维修效率，保证电力系统的稳定运行。

关键词：电力电缆局部放电脉冲电流高速采样装置故障定位

中图分类号：TM247

ResearchonPartialDischargeFaultLocationofPowerCableBasedonHigh-SpeedSamplingDevice

WANGHaihaiYINTianshengLANXinYANGLiu

NanchangKechenElectricPowerTestResearchCo.，Ltd.，NanchangCity，JiangxiProvince，330000China

Abstract：AsakeyfacilitytosupporttherapiddevelopmentofChina'seconomy，thepowersystemrequiresrelevantpersonneltopayattentiontotherepairandmaintenanceofthepowersystemindailyoperation.Intraditionalfaultdetectionandsignalacquisition，thefrequencyofsignalsamplingislimited，anditisdifficulttolocatethefaultaccurately.Theemergenceofhigh-speedsamplingdeviceprovidesanewresearchdirectionforthefaultlocationofpartialdischargeofpowercables，andtheworkerscanusethisdevicetoachieveaccuratepositioningofcablepartialdischargefaults，soastoimprovetheefficiencyoffaultmaintenanceandensurethestableoperationofthepowersystem.

KeyWords：Powercable;Partialdischarge;High-speedsamplingdevices;Faultlocation

电力系统中电缆主要负责电力的运输工作，是连接变电站与用户的关键设施，因此确保电力电缆的正常运行是保证电力系统稳定性的关键。目前，人们为了提高地面空间的使用效率，通常会将电力电缆埋入地下，但是这种施工方式也导致了对电力电缆的故障定位较为困难。因此，相关人员需要对电力电缆局放故障的快速定位进行深入研究，而高速采样装置的出现，为电力电缆故障定位提供了新的思路。

1相关理论

1.1高速采样装置

高速采样装置可以分为数据处理以及数据采集两部分，在数据采集过程中需要以较高的速度对采样部分进行收集，而在数据处理过程中则需要先对数据进行存储，之后再根据系统要求对数据进行处理。通常情况下，高速采样装置由单片机、高速缓存、高速A/D转换器组成。一般来说，高速采集系统的任务是采集各种类型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后输入计算机处理，得到特定的数据结果。同时将计算得到的波形和数值进行显示，对各种物理量状态进行监控[1]。

1.2电力电缆内部局放故障的原因

在电力电缆正常运行过程中，如果电缆中的主绝缘存在气泡、杂质等情况，就相当于在电力电缆中出现一个杂质电容；当这部分电缆处于高压情况下，就会对主绝缘内部的电容进行不间断充电；如果杂质电容的整体电压达到最大值的时候，就会进行击穿放电。这种情况会随着电缆的运行而重复发生，时间一长就会导致电缆的绝缘装置发生碳化反应，进而导致电缆被击穿，从而出现接地故障，影响电力系统的正常运行。此外，在电力电缆中内部局放过程中每次放电都有相应数量的电荷通过电解质引起电极变化，而且这个过程很短，在油隙中一次放电时间也只有1µs，因此对故障进行定位比较困难。根据Maxwell电磁理论，如此短持续时间的放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射。

2脉冲电流法的基本原理

在电力电缆局放测试过程中，脉冲电流法是最为常见的一种测试方法，其基本原理如图1所示，主要是通过获得耦合阻抗，在耦合电容侧利用线圈对电力电缆中性点或者接地处进行测试，进而获得放电相位、放电量等信息，属于一种相对传统的定量测量方式。通常情况下可以将脉冲电流法分为窄频、宽频两种，其中窄频检测的频率在10～100kHz，而宽频检测频率在100～400kHz。这两种检测方法有着不同的应用场景，比如宽频检测具有信噪比低、脉冲分辨率高等特点，而窄频检测往往具有灵敏度高、抗干扰能力强等特点。而针对电力电缆的局放电流检测通常是用宽频检测的方式，主要是在电力电缆高线位的电芯中连接一个高频电缆互感器，之后就可以对电缆中的高频脉冲耦合到电路互感器中，并通过仪器对其进行检测[2]。

3对电力电缆局放的定位

根据实验结果显示，在电力电缆中局部放电的位置大多处于电缆的中间部位，所以利用超高频法以及超声波法也可以对中间段的放电故障进行检测，但是由于目前许多电力电缆都被埋藏在地下、电缆沟道以及水下等位置，因此在出现局部放电故障时，需要对故障部位进行快速估算，在估算到大致位置之后，再利用上述方式进行精确定位。对电力电缆的估算可以使用麦克斯韦方程进行，可以在估算位置中对局部放电的信号进行假设，将其作为平面电磁波，并对其进行定位。利用这种算法的定位原理如图2所示。

在对大概位置进行估算时，需要从当前数据库中选择相应数据，之后再结合下述公式进行计算，具体公式如下：

在式（1）中：U和U1的计算值为矢量，在实际测试过程中这个值为标量，因此需要在计算过程中计算K值，具体值需要根据现场环境来确定；Z为到局放点的距离；U为局放点幅值；S为1#和2#HFCT间的电缆长度。

4电力线缆的波过程

4.1电缆线路的波过程与波动方程

在电缆运行过程中一旦出现故障，其信号就会呈现高频分量状态，在这个状态下电力电缆的波长很短，其脉冲的宽度通常会在1s以下，而且行波的整体速度也较小。所以在实际研究过程中，人们通常会将电缆看成一条长线，这就导致在分析过程中无法利用有效的参数电路模型对其进行分析，只能利用分布参数线路模型进行表示，具体如图3所示。

在上述线路图中，R0、L0、C0、G0分别代表了电缆线路规定长度内的电感、电容以及电阻、漏电导等参数，在得知这些参数之后，再结合基尔霍夫定律，就能够有效推出有损耗均匀传输线路的方程，通常情况下这个方程式得出的结果较为精准。如果在得出的信号参数中每个频率的衰减都有所不同，在电缆线路传输过程中就会出现失真的情况，进而发生色散情况[3]。

4.2行波的反射与透射

当人们将两种不同波阻抗的线路进行连接时，在电缆的连接处经常出现抗阻不够匹配的情况，而且如果电缆线路中出现了低阻故障或者断线情况时，还会导致故障位置的电缆特性发生变化，进而导致阻抗完全不匹配。在这种情况下，如果行波运动过程中遇到阻抗不够匹配时，就会出现反射情况，最终导致行波出现回路。同时，当电力电缆出现低阻故障，而且电阻大于0的情况下，还会出现行波的透射情况，就是在电力线路中，一小部分行波在经过故障点之后持续前行。在这两个现象中，行波在反射时其反射系数为延长线上的某点电压与入射波电压的比值，而透射系数则是入射电压与透射电压的比值。

5仿真模型的建立

为了对电力电缆中的局放故障进行精准定位，还需要构建一个仿真模型。目前，在仿真模型建立时可以选择ATP（EMTP的改进版）、PSCAD／EMTDC、MATLAB。本文选用ATP工具来构建仿真模型，主要是因为这个工具能够自行构建元件模型，能够更加符合电缆局放故障分析，但是这个工具的数据分析结果有限，没有MATLAB工具中强大的计算能力。而没有选择MATLAB工具的主要原因是这个工具中没有适合电缆计算的模型。因此，为了得到更加准确的仿真结果，本文利用ATP工具进行仿真模拟，利用MATLAB6.5工具对相应的数据进行计算。在电缆仿真分析过程中，由于电缆的截面参数较多，且整体结构比较复杂，因此需要对其进行有效分析[4]。

本研究选择常见的220kV电缆作为研究对象，其主要构成为聚氯乙烯护套、铜芯交联聚乙烯绝缘，以及细钢丝。根据数据中的电缆数据可知，该电缆的绝缘厚度在10.5mm，保护套在2.6mm，截面积为300mm2，对其故障时的状态信息进行分析，并且对电缆故障时的行波特性进行总结，因此在进行计算时需要构建一个有效的电缆系统。在本文构建的仿真模型中，有1个负荷端与3个电源端，在每个端点位置都安装变压器，而且电缆的中性点设置为接地状态，以便更好的模拟真实的电缆运行状态。之后，分别使用两个独立的电缆系统模型对电缆的故障状态进行模拟，其中将设置故障点为S，之后改变电缆的总体长度，之后再对其进行仿真模拟。在实际电缆施工中，由于电缆的材料的抗阻性能有所不同，因此在满足同一个故障要求时，设置了一个故障模块，以便对故障类型进行模拟。

6故障定位的实现

6.1利用小波进行故障点测算

小波变换这一理念起源于20世纪80年代，其具有良好的应变特性，而且可以对电缆中的突变信号进行全面分析，并将故障时的电缆参数进行统计。同时，利用小波变化对电缆故障点进行测算也具有较高的分辨率，在电缆的高频部分整体分辨率正常，因此可以有效应用在电缆局部放电故障检测中。

小波变换分析方式主要是指这一种窗口面积可以随意改变，其形状也可以随着模型计算进行调整，并且可以在局部的时间和频率进行分析的方式。在电缆的低频部分，这种分析方法的整体分辨率较高，而且时间分辨率较低；而在电缆的高频部分则时间分辨率较高、整体分辨率较低。因此，这种分析方式也可以被称为数学显微镜。正是因为小波分析的适用性，所以能够对电缆故障位置进行连续的分析[5]。

6.2小波基的选择

在电缆故障信号检测过程中，一个有效的小波变换可以制作成小波行数上的投影，所以在故障检测过程中可以应用合适的小波函数簇对信号特征进行分析，而如果小波函数簇的选择不够合理，就可能导致整体的故障检测结果不够精准。因此，如何选择正确的小波函数簇就显得十分重要。但是目前人们对于小波函数簇的选择还没有一个统一的标准，因此在实际故障分析过程中，工作人员需要根据信号分析的整体效果来判断小波函数簇选择的合理性。同时，由于小波函数簇并不唯一而且不够规则，所以每个小波函数簇之间的差异也很大。此外，小波变换作为一种可以在基波变形的情况下对信号进行处理的分析方式，能够在基波信号不同尺寸的情况下进行分析，所以在选择小基波时，如果尺度没有合理尺度，也会对整体的分析效果产生影响。通常情况下，工作人员会凭借自身的工作经验对小波进行选择，而对于数字信号往往选择Haar或Daubechies小波作为小波基。

6.3仿真案例

根据上述的仿真模型，为对结果的准确性和适用性进行验算，工作人员将数据录入MATLAB工具中对其进行处理，以此来对电缆中的局部放电情况进行分析。根据电缆的实际情况，测得电缆中的实际电阻抗性为20Ω；利用仿真算式对电缆的各项参数进行计算；之后再考虑到电缆在传输过程中出现的损耗情况，计算出R0为32.125Ω、L0为0.18H、C0为8.125ps、G0为8.542ps；最后根据电缆的运行频率，计算得出仿真的步长约为1s。

在实际测量过程中，将电缆系统的5km位置设置为电缆放电故障；之后结合电流互感器中的数据显示对其进行分解，分解层数为3层；然后再对其高频位置的小波系数进行重构，并得出重构信号；根据重构信号利用仿真模型对结果进行测算，得到测算的结果为5031km的位置，误差仅为0.1%。结果证明，利用MATLAB以及ATP工具进行仿真测算具有较高的准确性。

7结语

综上所述，在电力电缆运行过程中，经常出现局部放电故障会对电力系统造成严重危害，不仅会影响电力输送的稳定性，还会对电气设备的使用寿命造成影响。因此，目前许多研究人员都致力于对电力电缆局放故障定位研究。本文基于高速采样装置，构建了一个新的故障测试定位系统，该系统利用MATLAB以及ATP工具进行仿真测算。根据实验结果，利用这种方式得到的故障距离数据距离真实数值误差仅在1%左右，具有良好的应用效果。

参考文献

[1]袁博洋，钟建伟，杨永超，等.基于FPGA和AD9481的宽频带电力电缆局部放电采集系统设计[J].机电工程技术，2023，52（9）：192-196，219.

[2]冯新宇，柴侨峥，付志伟，等.改进EWT算法的高压电缆局部放电故障定位方法[J].黑龙江科技大学学报，2023，33（2）：259-265.

[3]田永贵，苏磊，邓林志，等.基于IT降噪与CNN的电缆终端故障诊断方法[J].电气自动化，2023，45（3）：17-19.

[4]张金亮.基于人工智能的电缆故障精确定位与实现技术[D].济南：山东大学，2023.

[5]肖小龙，郭佳豪，郭茂森，等.基于改进GCC算法的交流配电电缆局部放电在线定位方法研究[J].机械与电子，2024，42（3）：26-31，39.