电力电缆故障测距分析与应用

胡善福

摘 要：本文研究电力电缆故障测距问题，建立ATP-EMTP 的地下电力电缆模型，先建立地下电力电缆模型，电力电缆发生事故时，模拟电气讯号，并应用软件，实施小波变换的多重解析，对故障测距信号进行分析，并实地进行电力电缆故障测距，与资料比较验证研究结果的正确性。结果表明，部分放电的检测搭配小波变换可提高讯号的识别率，藉由理论基础应用在电缆的杂讯消除，以提供诊断设备劣化的准确性。藉由小波变换后能更容易观察出故障点波形，且可以缩短故障测距时的误差，可有效提升线上即时故障测距判断的准确性。

关键词：电力电缆；故障；测距

中图分类号：TM247 文献标识码： A

1 引言

为了维护城市整洁、美观与安全，大量的电力电缆埋设于地下。地下电力电缆可能会因供电中受到外力的破坏、虫害、绝缘劣化与人为施工不当等因素的影响而引起故障。由于电力电缆埋设于地面以下，难以及时侦测故障位置，使得维修时间延长，引起用户不满。因此，如何快速且准确侦测电力电缆故障点，成为尽快排除电缆故障，恢复供电的关键。

地下电力电缆故障测距方法很多，这些方法用于不同的故障情况，各有其优缺点。早期应用的是阻抗法，其缺点是只能用于低阻故障测距，此方法已很少使用。后来出现了行波法，行波法又可分低压脉冲反射法、脉冲电压法、脉冲电流法等，目前国内基本上只采用电流行波，即脉冲电流法进行故障测距。脉冲电流法是利用电流行波信号进行测量，使用线性电流耦合器，平行地放置在低压侧地线旁，不用与高压回路直接连接，安全性强、使用方便。

2 故障行波的传播

故障行波形成和传播的过程类似于雷电波的传播过程。波动方程可用行波电流、电压和导线参数的关系表示：

式（1）（2）中的L为电感，单位：H/KM（亨利/公里），i 和u 为距故障点x 处电流和电压，C 为单位长度电容，单位：F/KM（法拉/公里）；上式通解为如下公式：

当线路某点发生金属性故障时，两端的电压行波、电流行波、方向行波可用如下解析式表达：

ZC表示线路波阻抗，n表示行波从故障点运动到M、N母线的时间，“+”表示正向行波，“-”表示反向行波，-e（t）表故障分量网络中的附加电压源。m 、n表行波在M、N端的反射系数，m 、n中下标m、n分别代表线路的M端和N端。

3 电力电缆故障侦测实例

3.1 电力电缆故障侦测设备

应用脉冲电流法对故障电缆进行测距，主要设备有脉冲发生器和故障扫描指示器等。当故障发生时，工程车开至电缆埋设的地方，断开电缆，将脉冲发生器串接在故障电缆上，对故障电缆做测试。脉冲发生器与故障电缆连接图如图1所示。

3.2 电力电缆故障距离测量

本实验故障测试示意图如图2所示，使用脉冲电流法侦测故障位置，220V 电压由变压器升压后形成高压电源，此电源经二极管整流，对电容充电，电容电压升至一定值后放电产生脉冲电流。此脉冲电流经过电缆故障处将产生较高的脉冲电压，将这个脉冲电压予以采集、放大并计算出故障距离。实验采用的电力电缆型号为25kV AWG#1，故障类型为开路故障，从测试端至开路故障端的距离为78公尺。脉冲波送入故障电缆后，脉冲波电压约为6kV，故障扫描指示器显示，故障距离为78.92 公尺，由于电缆故障的复杂性和脉冲传递波速的衰减，实验存在一定测距误差。

4 应用EMTP模拟分析

4.1 电力电缆模型建立

EMTP / ATP提供了两套流水生产线路的参数计算副程序，“line constant”副程序，用于架空输电线的线路参数计算，“cable constant”副程序，用于地下电缆的流水生产线路参数计算。本研究依据ATPDraw内的电缆常数，使用“single core cable”建立电力电缆模型，表 1为25 kV XLPE电缆参数。

4.2 模拟电力电缆开路故障

模拟实际故障，电力电缆25kV的级是AWG#1，设定测试端至开路故障的距离为78公尺，而测试端的输入脉冲电源峰值为-6KV，波头时间为1.2s，波尾时间为50s，如图 3所示。

脉冲波被送入故障电缆的测试端，当脉冲波到达电缆故障位置，会因阻抗不匹配产生反射现象。发生开路故障时，故障电阻可视为无穷大，此时电流反射系数i 1，脉冲波被反极性地反射回测试端。如图4为发生开路故障时的模拟波形图，由图可知输入脉波到达故障位置，会产生反极性的脉冲波返回，计算脉冲波往返的时间差，并得出故障位置为 （2.1s -1.1s ） 160.42 106/2=80.21m 。

4.3 模拟短路故障

对短路低阻故障（故障电阻小于10?）进行模拟，电力电缆25kV的级AWG#1长?是3000公尺，测试端至短路故障位置为1000公尺，故障电阻为1欧姆。从测试端处输入脉冲波，当脉冲波到达故障位置，因阻抗不匹配发生反射现象，产生短路低阻故障时可视为故障电阻为零，此时电流反射系数 i 1 ，脉波被正极性地返回测试端。如图5为发生短路低阻故障时的模拟波形图，由图知输入脉波到达故障位置，产生正极性的脉波返回，计算脉波来回的时间差，并得出故障位置为 （25.2μs-12.6μs） 160.42 106 /2=1010 .65m。

但若故障电阻大于10，此时输入脉波到达故障位置，透射波会持续往前传送至电缆末端，造成误判，如图6所示。所以当遇此情况时，需利用直流高压闪络法或送入电压?高的脉冲波解决问题。

5 应用小波进行故障侦测分析

将模拟发生的开路故障和短路故障波形，用小波变换分别进行分解：

5.1 开路故障

经EMTP 模拟分析后，将模拟的开路故障波形用小波进行分析，而小波的母小波又可分类为Haar、Daubechies、Symlets、Coiflet、Morlet、Meyer 等。本文采用Daubechies （db2）小波，应用小波五层分解进行分析。如图7所示，五层中较常用第一层（d1）或第二层（d2），因原始信号s分解至d1 或d2 时高频部分的突变较为明显，因此本研究采用d1层波形。EMTP 模拟的故障波形取样频?为20MHz，用小波计算故障距离时需再多乘步距0.05s，所以故障距离为（41.54-22.08） 0.05s 160.42 106 /2=78.04m。

5.2 短路低阻故障

将之前EMTP模拟的短路低阻故障波形进行分析，应用db2小波变换进行多层分解，同样分解五层，如图8所示，采用五层中的d1，如图9所示， 经EMTP模拟的短路低阻故障波形取样频?为2MHz，用小波计算故障距离时需乘步距0.5 s，所以故障距离为 （51.72-2 91） 0.5 s 160.42 106/2= 995 m。

5.3 结果探讨

从模拟发生开路、短路故障波形经小波分解的结果得知，若加入适当的小波变换多层分解，可使突变高频的部分较为明显，使误差减小，经小波分析后其结果比较如表 2所示。

6 小结

针对XLPE 25kV级AWG#1电力电缆，现场用脉冲产生器与故障扫描指示产生器进行测试，测量出故障距离。再利用EMTP 建立电缆模型，模拟现场故障，同样测量出故障距离。短路故障又可分为低阻故障与高阻故障，其中因高阻故障反射系数较小，因此可能会造成误判，所以需采用直流高压闪络法或送入电压?高的脉波来解决问题。经现场测量与模拟分析比较，EMTP 模拟后，测量故障距离仍有些误差，因此利用小波变换多层分解，能得到?准确的结果。此方法可使误差控制在1 m内，准确度和精度比国内同类方法提高了4倍。

参考文献：

[1] 杨艳伟.基地低压脉冲法的电缆故障测距的研究[D].郑州大学，2014.

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[4] RA Guinee，A Novel Pulse Echo Correlation Tester for Transmission Line Fault Location and Identification Using Pseudorandom Binary Sequences[J].IEEE Conference on Industrial Electronics，2008 （5）.

[5] 陈方人.行波测距在电力线路故障查找中的应用[J].电网技术，2011 （4）.

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（本文审稿 李正发）