基于OWTS的高压交联电缆短路故障定位方法

朱涛，杨斌，孙长群，何剑锋，李明贞，周承科,3

(1. 国网湖北省电力有限公司武汉供电分公司，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学 电气与自动化学院，湖北 武汉 430072；3. 格拉斯哥卡里多尼亚大学，苏格兰 格拉斯哥 G4 0BA，英国)

由于交联聚乙烯(crosslinked polyethylene, XLPE)电缆具有制造工艺简单、安装敷设容易、电气性能优良、传输容量大、运行维护方便、无漏油隐患等诸多优点，已成为城市变电站联络线的主要用材[1-3]。随着每年新增高压交联电缆投运量的持续快速增长，短路故障也随之增加，高压交联电缆的安全可靠运行对区域性电网稳定和大面积可靠供电的支撑作用日益明显。短路故障发生后需要快速准确故障定位，指导检修，快速恢复供电。

当前的离线故障测距方法依据测量原理主要有3种：①电桥法[4-5],其需先将一端电缆终端的故障相和非故障相短接，测试故障电缆端到故障点的线路电阻，并根据电阻率计算出故障距离的测距方法；或者通过测试电缆故障段与全长段的电压降的比值，再与线路全长长度相乘计算出故障距离。该方法一般用于测试故障点绝缘电阻在几十千欧以内的电缆故障，测量误差相对较大。②低压脉冲法[6-7]，其主要原理是在电缆一端通过仪器向被测电缆中输入低压脉冲信号，该脉冲沿电缆传播到线路波阻抗不匹配的位置(包括故障点、电缆终端和中间接头)后产生反射，并返回到测量端由仪器记录下来，记录反射信号和发射信号的时间差，从而测出故障距离，操作简单，测试精度高，但不能测试高阻故障和闪络性故障。③高压脉冲法[8-9]，其首先通过高压信号发生器向被测故障电缆中施加直流高压信号或冲击高压信号，将电缆故障点瞬间击穿，产生1个电压行波信号，该信号在被测电缆的测量端和故障点之间往返传播，在直流高压发生器的高压端通过线性分压器接收并换算出该电压行波信号往返1次的时间，再与脉冲信号的传播速度相乘来计算故障距离，缺点是测试时测距仪器与高压部分有直接的电气连接部分，安全性相对较差，且对测试设备的技术参数要求较高。

振荡波测试系统(oscillation wave test system, OWTS)技术在国内的发展已有10多年历史，振荡波耐压与振荡波局部放电试验装置也被广泛地应用到现场中以评估电缆的绝缘水平与缺陷情况[10]。国内外关于OWTS的研究比较丰富，文献[11]对比了振荡波与交流电压下多种缺陷的局部放电图谱，发现两者之间各项特征有相似性。文献[12]提出了基于希尔伯特黄变换对振荡波下不同局部放电信号的模式识别方法。文献[13]考虑局部放电的时频特征，提出了增加振荡波系统缺陷定位准确性的方法。上述研究证实了OWTS对高压交联电缆进行局部放电检测并实现缺陷定位的可行性。但目前还没有将OWTS用于短路故障定位的案例或报道。

短路击穿故障发生后，击穿通道电阻远小于击穿前的主绝缘电阻，其绝缘劣化特征较局放缺陷特征显著。根据电磁信号在电缆线路中的传播和耦合特性，本文对OWTS信号测量的电磁耦合法进行改进，使之更方便、准确地测量故障信号。通过对测试电缆施加振荡波电压信号，利用高频电流互感器(high frequency current transformer, HFCT)套接在电缆本体，测量待测电缆的故障行波反射电流信号，计算反射波信号到达时间，进而获取故障点位置，实现了故障点的精确定位，最后的仿真试验也验证了该故障定位方法的可行性。

1 振荡波测试系统的基本原理

目前，国内研究机构的振荡波测试方法多采用文献[14]推荐的脉冲电流法，能有效耦合出小容量试品中的局放信号，但对于大容量的长电缆试样耦合效率并不高，因此脉冲电流法应用于振荡波测试存在一定的局限性。本文对电磁耦合法进行改进，使其能够应用于高压交联电缆短路故障检测。

1.1 脉冲电流法

振荡波电压源利用试品电缆电容Ccable和谐振电感Lreson共同组成串联谐振电路，其结构如图1所示。

图1 振荡波系统结构Fig.1 Oscillatory wave test system structure

开始阶段，断开开关，直流电源直接作用在试品电缆两端，对电容器进行充电，充电电压为振荡波的初始振荡峰值；充电完成后开关闭合，直流电源通过限流电阻R1接地，试品电缆电容Ccable与谐振电感Lreson构成串联谐振回路，试品电缆两端承受阻尼振荡电压，其振荡频率f由Lreson和Ccable共同决定。

当振荡电压超过缺陷处局部放电起始电压，电缆内部将产生局部放电，局放信号沿电缆线芯和金属护层轴向传播，需要特定的传感器将信号耦合出来。文献[14]推荐采用电容分压器作为耦合电容，串联接入检测阻抗Ztest耦合出电缆中的局部放电信号。Ztest通常由耦合电抗Lcoup与分压电阻Rdivi构成，电容分压器可等效为耦合电容Ccoup，Zeq和Ccable分别为电缆的等效阻抗与对地等效电容，测试回路的等效电路如图2所示。

图2 脉冲电流法等效测试回路Fig.2 Equivalent test circuit of pulse current method

在检测阻抗支路上，耦合电容Ccoup与耦合电感Lcoup构成串联谐振回路，谐振频率f0如式(1)所示，当局部放电中心频率fp与回路谐振频率接近时，即f0≈fp，该支路阻抗最小，大部分局放电流能够从该支路通过。为提高该方法的测量精度，通常希望耦合电容Ccoup不小于试品电缆电容Ccable。

(1)

1.2 改进电磁耦合法

HFCT感应回路中的局部放电信号是一种比较常用的手段。HFCT基于Rogowski(罗氏)线圈原理[15]制成，其本质是一种I/U转换器型的电流传感器，其结构如图3所示，等效电路如图4所示。

图3 HFCT结构Fig.3 Structure of HFCT

图4 HFCT等效电路Fig.4 Equivalent circuit of HFCT

图4中，Req,cable为电缆线的等效电阻；Req,Rog为线圈的等效电阻；LRog为线圈自感；CRog是线圈等效杂散电容；RRog为线圈积分电阻；uout和uin分别为HFCT的输出、输入电压；iout和iin分别为HFCT的输出、输入电流。

HFCT的传输系数

(2)

HFCT的传输阻抗

(3)

HFCT较少应用于OWTS，为了方便测试，一般将HFCT套接在电缆金属护层接地线上，如图5所示。

图5 HFCT套接在金属护层接地处Fig.5 HFCT is connected to the grounding of metal sheath

当HFCT套接在地线回路中，回路中的谐振电流将被感应出来，同时地线中存在较大的噪声干扰，以至测试出来的信号信噪比不高。

由于脉冲信号通过试品电缆终端线芯注入，该信号在电缆故障或缺陷处产生的电流信号将沿电缆线路反射回电缆末端(HFCT)位置。若使电缆金属护层一端直接接地、另一端悬空，如图6所示，则在金属护层悬空端脉冲电流的入射波和反射波方向相反，金属护层上的信号可被抵消。

图6 HFCT套接在电缆本体末端Fig.6 HFCT is connected to the end of cable body

2 振荡波测试分析及故障定位判据

2.1 高压交联电缆短路故障仿真及分析

本文利用PSCAD软件，仿真了1条典型结构下的110 kV电缆线路，其电缆横截面为800 mm2，具体结构参数如图7所示和见表1。

图7 典型高压单芯电缆结构Fig.7 Typical structure of a single core HV cable

表1 电缆的横截面结构参数
Tab.1 Structural parameters of cable cross-section

序号结构外半径/mm1导体线芯(铜)17.02导体屏蔽(半导电尼龙带)18.43主绝缘(超净化交联聚乙烯材料)34.44绝缘屏蔽(超光滑半导电屏蔽料)39.45金属护层(波纹铝)43.96外护套(聚乙烯)48.6

仿真设置的电力系统结构如图1所示，试品电缆的接线方式如图6所示，调整OWTS参数使之产生振荡波电压信号曲线如图8所示，电缆线路全长500 m，故障点位置设置在距离首端400 m处，则在HFCT上测量到的波形信号如图9所示。

图8 振荡波电压波形Fig.8 Voltage waveform of oscillatory wave

图9 HFCT检测到的电流信号波形Fig.9 Current waveform detected by HFCT

根据如图9所示的脉冲波到达测试端的时间，可计算出故障发生后的位置，即

(4)

式中：x为故障点距离测试端的距离；t1为测试端的脉冲波到达时间；v0为脉冲波在电缆中的传播速度。高压电缆中的传播速度

(5)

式中：L0为电缆单位长度的电感；C0为电缆单位长度电容；μ为电缆磁导率；ε为电缆的介电常数。对于任一确定的电缆，L0、C0、μ、ε均为常数，对于仿真中的电缆，μ=4π×10-7H/m，ε=3.63×10-11F/m，则可计算出脉冲波在该电缆中的传播速度v0=1.48×108m/s。在如图6所示的测试电缆回路中，振荡波从首端入射，并在故障点发射，则行波传输距离为800 m，如图9的5.41 μs处位置。

2.2 高压交联电缆短路故障定位判据

由于短路故障的击穿通道有别于产生局部放电的绝缘劣化状态，短路通道的阻抗远远小于电缆主绝缘阻抗，在通道中也会产生回路电流，以至于在远小于振荡波周期的测试时间范围内检测到的电流呈现一致性的上升或下降的趋势，且该电流在数值上远大于故障行波电流，如图9所示。故在故障定位的实际应用中可采用双端定位的方法，即在线路两端装HFCT并同时测量故障波形。在长度为l的电缆线路故障定位应用中，脉冲波到达电缆线路首末端的时间可用式(6)和式(7)表示，到达时间差可用式(8)表示，则故障距离可用式(9)表示，即故障定位的判据。其中，x表示故障点距离测试端的距离，t1为首端(末端)的故障行波电流信号到达时间，t2为末端(首端)的故障行波电流信号到达时间，v0为故障行波电流信号在电缆中的传播速度，即

(6)

(7)

(8)

(9)

为识别出HFCT采集到电流信号的到达时间，本文采用小波包多尺度分析的方法进行信号处理。小波包多尺度分析是将频带进行多层次划分，在低频和高频部分分别进行二进制分解，提高了时频分辨率，使提取的信号特征更加集中。小波包多尺度分析是按照不同的尺度因子j(j=1，2，3，…，N)把整个空间分解为多个子空间的正交和，具体步骤如下。

步骤1，构建所述泄漏电流反射波信号的尺度函数Vj和小波函数Wj，并根据Vj和Wj按照频带将所述泄漏电流反射波信号进行正交分解，得到多尺度小波分解函数

Dj=Vj⊕Wj.

(10)

步骤2，根据Dj构建空间多尺度方程，通过所述多尺度方程对所述故障行波电流信号按频带进行分解，并根据分解后的结果对所述泄漏电流反射波信号进行重构，其空间多尺度方程为：

(11)

式中：h(k)为小波包的高通滤波器组；g(k)为小波包的低通滤波器组。小波包多尺度分析将整个信号按频带分解，每一层分为2j(j=1,2,3,…，N)个频带。其中，每一层的子频带都包含信号的所有信息，只是每层信号的分辨率不同。随着尺度增大，分解频带个数越多，分辨率越高，各频带包含的频率越细致，滤波效果越好。如果尺度过大，故障信号中的有用信号也有可能被剔除。小波包多尺度分解重构的过程就是将故障信号进行滤波的过程，每一层中各频带信号进行重新分配，只包含相应频带中的信号。多尺度分解重构使信号的特征提取出来，特征更加明显。当小波基固定时，随着尺度的增大，小波包分解重构后的初始行波波头宽度随着尺度的增大而变大。但以db1小波基为基底的小波包分解重构信号，其初始行波波头宽度在不同尺度下是不变的。本文就是以db1小波基为基底的小波包进行分解重构信号。

步骤3，采用分段三次Hermite多项式对重构的泄漏电流反射波信号进行插值，并将正反向泄漏电流反射波信号进行分离，得到泄漏电流反射波信号的极大值包络线和极小值包络线；设{(tk，xk)}(k=0，1,…,N)有N+1个点，其中，a=t0

(12)

式中：Hj(j=1,…,4)表示Hermite基函数。将重构后的信号进行正反向波的分离，利用分段三次Hermite多项式插值拟合正反向行波得到极大值包络线和极小值包络线。通过对所述故障行波电流信号按包频带进行正交分解，并进行重构，可以对所述故障行波电流信号进行滤波处理，并对每一层中各频带进行重新分配，只包含相应频带的信号，这样信号的特征更加明显，再通过插值提取极值包络线，从而准确得到故障行波电流信号的到达时间。

为分析该故障定位方法的误差，本文将故障点位置分别设置在距离线路首端测量点50～450 m处，使用上述仿真和故障定位方法，测量到的行波到达时间与定位结果见表2。

表2 故障定位结果
Tab.2 Fault location results

故障位置/mt1/μst2/μsΔt/μs计算距离/m误差/%500.683.382.7050.200.401001.353.382.0399.780.201502.033.381.35150.100.082002.703.380.68199.680.162503.413.38-0.03247.780.893004.053.38-0.67299.580.143504.733.38-1.35349.900.034005.413.38-2.03400.230.094506.083.38-2.70449.800.04

从表2可知，故障点位置分别在50～450 m处，故障行波到达首末两端测量点的时间，计算得到的故障距离及故障定位的误差。故障行波反射信号到达测试首端的到达时间与故障点位置有关，而在首端产生的脉冲信号到达测试电缆末端的到达时间只与电缆长度有关，仿真结果均为3.38 μs，表明该仿真计算方法结果稳定。故障点位置的计算距离与故障点设置距离的误差不超过5 m (1%)。以上结果表明，基于OWTS的短路故障定位有较高的定位精度，理论上的定位误差不超过1%，利用HFCT套接在电缆本体有较好的电流检测效果。

2.3 基于OWTS的高压交联电缆短路故障试验验证

选取武汉供电公司电缆工区的一条110 kV试验电缆，电缆线芯截面1 000 mm2，线路全长215 m，模拟故障点位置设置在距离线路首端100 m处位置，试品电缆的接线方式如图6所示，现场检测与故障定位流程如图10所示。

图10 试验电缆线路现场检测与故障定位流程Fig.10 Process of the on-site testing and fault location for the test cable

首先将测试电缆与OWTS连接，高压直流发生器缓慢升压到15 kV后，对测试电缆施加交流振荡波电压，在测试电缆的首端记录HFCT采集到的信号波形，最后根据行波的到达时间即可计算出故障点距离。

在HFCT上测量到的电流波形如图11所示。

图11 试验电缆上检测到的电流信号波形Fig.11 Current waveform detected on the test cable

从图11可以明显看出， 暂态行波信号叠加在故障通道电流之上，尽管试验环境内存在一定程度的噪声干扰，基于小波包多尺度分析的信号处理方法能够清晰的分辨出振荡波反射波首波到达时间为1.35 μs，并且与行波到达时间的仿真计算结果一致，从而验证了该基于OWTS的高压交联电缆短路故障定位方法的可行性。

3 结论

本文根据OWTS原理，提出了1种高压交联电缆的短路故障定位方法，并根据电磁信号在电缆线路中的传播和耦合特性，改进了信号测量的电磁耦合法，使之更准确地测量故障信号。在对一段长500 m的高压电缆故障定位的仿真结果表明，基OWTS的短路故障定位有较高的定位精度，理论上的定位误差不超过1%，利用HFCT套接在电缆本体有较好的电流检测效果。本文选取了一条110 kV试验电缆对故障定位方法进行了验证，结果表明，基于小波包多尺度分析的信号处理方法能够清晰地分辨出振荡波反射波首波到达时间，并且与行波到达时间的仿真计算结果一致，该故障定位方法是可行有效的。