电力电缆故障模拟装置培训系统设计

杨舍近,李 军,刘卫华,张亚平,王建军

(国网河南省电力公司漯河供电公司,河南 漯河 462000)

0 引言

输电线路担负着电力输送的重任,对电网安全有着重要影响。当输电线路出现故障时,电网的正常运行会受到严重影响。所以,对输电线路进行定位、找出其存在的问题至关重要。电力电缆的等级随着电力系统的建设而不断提高。作为电力系统中的重要组成部分,输电线路若发生故障,将会对电力系统的整体安全与稳定产生直接影响。如果不能及时发现线路故障,会导致大范围断电,给国家的经济带来无法估计的巨大损失。如何迅速、准确地发现线路的故障,降低线路维护成本,减少线路的停电损失,是当前电力工程师和研究人员十分关注的问题[1]。文献[2]提出基于保护层电流构建新型判据的培训系统。该系统基于电缆金属保护层首末2端的电流,构建1种新型判断依据,以实现电缆故障分类。该系统结合测量电缆交叉互联方式,确定电流相位,将统一金属护层回路首末两端的接地电流相位差绝对值作为新的特征量,从而完成培训系统设计。文献[3]提出了基于半波傅氏算法的培训系统,通过分析故障相原因,对单相接地故障特征进行深入分析,并结合半波傅氏算法设计培训流程。然而,上述2种方法功能单一,不能突破空间限制,无法真实重现电力电缆故障环境。

为此,本文设计了电力电缆故障模拟装置培训系统。该系统在硬件部分设计了线路、旋钮部件、绝缘底板,通过电力电缆故障判别、故障模拟装置培训流程实现了系统软件设计,通过硬件与软件之间的相互配合保证电力电缆故障模拟装置培训的顺利进行。

1 系统硬件结构设计

电力电缆故障模拟装置培训系统主要针对电力电缆的电气测试、故障检测与查找,并对电缆工程人员的工作任务进行了反向开发。通过分析电力电缆在输电线路上的常用故障数据,系统得出了影响这些数据指标的主要因素。通过故障模拟装置呈现上述主要因素,可使各种故障现象真实再现,从而灵活控制模拟装置。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图Fig.1 System hardware structure diagram

由图1可知,所有的系统资源都被储存在远程网络服务器中。使用者只要装备耳机、立体声、打印机等计算机外设,就可以在局域网或因特网上使用培训系统[4]。

1.1 线路设计

模拟装置培训系统的线路设计主要有线路敷设环境模型和线路仿真计算模型2个部分。其中,线路敷设环境模型主要是对不同线路的路径、趋势和周边环境进行仿真。线路仿真计算模型则主要是对电缆故障进行粗测和定位[5]。根据实际设备的设计思路,系统采用电缆1和电缆2分别表示一条电缆的前后2段。线路设计部分包括电缆类型、长度、电压等级、中间连接器数目、故障点类型等参数。针对不同的检测方式,电源模块的类型也不相同。这与供电线路的故障位置相对应[6]。在试验条件相同时,为避免在模拟过程中出现固定的平滑波形,系统在模拟过程中增加了噪声干扰模块。系统运行过程中对操作模块进行实时监测,可以实现线路幅度和尺寸的变化。

1.2 旋钮部件

旋钮部件主要用于多选一的场合。在选择多种类型时,例如万用表的齿轮、线路重合模式等,先要确定旋钮的数据库模式[7]。为此,可以使多个比特字段分别与多个选项相对应。在界面交互过程中,旋钮部件可以很容易地根据使用者所点击的位置场域前景进行选择。旋钮部件结构如图2所示。

图2 旋钮部件结构示意图Fig.2 Schematic diagram of knob component structure

图2中,综重、单重、三重以及停用的数目与1位字段相对应,总共有4位字段。其中的每位字段都有2种前景。第一种前景在互动过程中使用,呈现形式为文字。人机交互中重合闸的选择主要运用第二种前景。在屏幕上显示的前景为第二种,由符号决策形式展示[8-9]。

若位域为1,重合闸的位置能被符号决策所展示;若位域为0,符号决策则能呈现透明效果。因此,当把所有前景合并到一起时,也就是图2的右上方,则不会显示具有0位域值的重合闸位置图,而会显示具有1位域值的重合闸位置图。随着重合闸旋钮部件的制作完成,前景交互可通过点击文字识别的前景完成[10]。与此同时,当用户作出选择时,旋钮部件也会发生变化。

1.3 绝缘底板

电力电缆故障模拟装置培训系统的绝缘底板如图3所示。由图3可知,开关电源电缆连接到故障控制面板,并为其供电;通过电性连接故障控制面板到电推杆底部,为系统提供正、负电源。电推杆支架可用于固定在绝缘衬底上的电推杆,以免其发生位移,且便于电推杆与正电源连接时的推出,以及与负电源连接时的缩回。尼龙转接棒的第一转接器安装在电推杆的顶部,起到隔离绝缘电推杆和高压带电线的作用,且不锈钢排的第一转接器与尼龙转接棒的第二转接器相连。当电推杆工作时,不锈钢排的第二转接器与弹簧卡接触。弹簧卡固定在绝缘底板上,并与不锈钢排直接进行有效接触。

2 系统软件部分设计

2.1 电力电缆故障判别

电力电缆故障判别是系统设计的重要内容,维修人员根据系统基本信息判断电力电缆故障类型。基于此,本文分析电力电缆传输过程中的全部信号,包括阻抗、导纳、电容和导线自感。

阻抗计算式为:

RZ=R+ωφ

(1)

式中:RZ为阻抗,Ω;R为电阻,Ω;ω为角频率,rad/s;φ为电感,H。

导纳的计算式为:

Y=G+ωC

(2)

式中:Y为导纳,S;G为电导,S/m;C为电容,F。

C的计算式为:

(3)

式中:β为介电常数,F/m;d为电缆外径,mm;r为电缆内径,mm。

导线自感的计算式为:

(4)

式中:σ为自感,H;k0为相对磁导率,H/m;kr为真空磁导率,H/m。

基于以上数据,本文分别假设2条电缆的波阻抗为Rz1与Rz2,并在节点A处连接这2条电缆。由此得到的电压波形折射系数为:

(5)

反射系数为:

(6)

当2条电缆的波阻抗发生变化后,波形折射系数和反射系数的取值范围可确定在实数[0,2]和[-1,1]范围内。一旦某条电缆出现故障,电缆的阻抗将会发生改变,导致λ1和λ2也发生改变。通过式(1)～式(4)可确定各项模拟参数。在检测故障时,电压由行波电压和折反射电压叠加得到。因此,本文通过分析阻抗值来模拟故障。基于此,模拟的故障类型主要包括断路故障、短路故障、低阻故障和高阻故障。

①断路故障。

断路故障发生时,阻抗接近无穷大,反射系数为1,出现了全反射情况。此时,反射电压和入射电压的极性一致[11]。

②短路故障和低阻故障。

当电缆故障点的绝缘电阻下降到电缆的特性阻抗时,导频保持甚至直流电阻为零的故障被称为低阻故障。短路故障是低阻故障的极端表现。该故障的阻抗为0、反射系数为-1,是一种反极性全反射状态。

③高阻故障。

通过改变阻抗值的方法,在故障位置并联1个电阻Rf,以模拟高阻故障。

为了区分低阻和高阻故障,本文采用并联模型计算负载阻抗。计算式为:

(7)

式中:Rz0为初始阻抗,Ω。

系统电压反射系数为:

(8)

式中:ε为不同阻抗比值。

当ε≥ 0时,并联电阻的阻抗与入射电阻阻抗极性正好相反。此情况下的故障可判定为高阻故障;反之,判定为无故障。

故障模拟装置培训系统如图4所示。

图4 故障模拟装置培训系统示意图Fig.4 Schematic diagram of fault simulation device training system

2.2 故障模拟装置培训流程设计

故障模拟装置培训流程是系统的核心部分。在模拟系统的工作过程中,该流程负责任务管理、调度、数据处理以及数据交换。在故障模拟装置培训过程中,系统利用消息的处理机制,以广播的形式向各模块进行通知。故障模拟装置培训流程如图5所示。

图5 故障模拟装置培训流程图Fig.5 Training flowchart of fault simulation device

由图5可知,故障模拟装置培训流程的详细内容如下。

①消息循环。

系统监控包括故障数据库、规则库、虚拟试验设备在内的各功能模块的故障信息,对获取的全部信息进行消息循环处理。该处理过程需要根据定制的循环周期进行消息循环。

②故障数据同步。

系统采用了故障数据同步通道,实现了各模块之间的数据传输,并在不同的应用层面实现了信息同步。同时,系统还具有多个报文通道,能够在同一时间内将故障数据进行传输,从而达到故障数据的同步[12]。

③消息识别。

报文由报文广播信道提取,并向相应的模拟服务器发送。模拟服务器的识别主要通过报文标识符来完成。每个报文都具有多种属性。但报文识别码唯一。

在设计各功能模块时,系统应采用双向通信的方法。系统不仅可以接收报文广播信道的修正和报文的相关功能设置,还可以将相关用户或管理者的运行记录传输给报文广播信道,以进行处理。

3 仿真试验

3.1 试验装置

系统在仿真试验装置中使用四芯的动力电缆。其中:三芯的电缆线主要用于模拟高压电缆线芯;一芯的电缆线主要用于模拟高压电缆外壳。高压电缆、导体、绝缘层在此装置中均有设置。脉冲通过高压电缆输入系统,再由外导体直接接地,并在距离装置20 m的位置处设置1个三挡的电压转换开关,由此形成接地故障。在该装置下,系统进行断路故障、高阻故障、低阻故障以及短路故障分析。

对于数据采集,电力电缆故障仿真过程使用万用表测量故障电缆相应信息。电缆信息资料如下:直流耐压20 kV;交流耐压15 kV;电缆长度1 500 m;中间头1个;电缆行波速度160 m/s;电缆等效电感1.2 H;电缆等效电容3.2 F;电缆等效电阻3.2 Ω。

系统实时跟踪故障点脉冲信号,记录并显示断路故障、短路故障、低阻故障和高阻故障的测试波形。

3.2 仿真指标确定

以220 V电压为例,本文分析断路故障、短路故障、低阻故障和高阻故障类型下的故障电压。不同类型的故障电压如表1所示。

表1 不同类型的故障电压Tab.1 Different types of fault voltages /V

由表1可知:整个电路由于短路的发生会处于某处断开状态,断路部分的电压为电源电压;当短路发生后,电压与阻抗电压一致,表示电压损耗百分值,阻抗电压数值一般为4.5%～6%;当发生高阻故障时,故障电压约为正常电压的5倍左右;当发生低阻故障时,故障电压约为正常电压的4.7%～13.7%。

3.3 仿真结果与分析

本文分别使用基于保护层电流构建新型判据的培训系统、基于半波傅氏算法的培训系统和基于阻抗分析的电力电缆故障模拟装置培训系统,对比分析不同类型的故障电压。

3种系统不同类型故障电压对比分析如图6所示。由图6(a)可知,使用基于保护层电流构建新型判据的培训系统、基于半波傅氏算法的培训系统故障电压分别由172 V、200 V上升到208 V、210 V,与实际断路故障数据不一致。使用基于阻抗分析的电力电缆故障模拟装置培训系统,其故障电压为220 V,与实际断路故障数据一致。

图6 3种系统不同类型故障电压对比分析Fig.6 Comparison analysis of three systems with different types of fault voltage

由图6(b)可知,使用基于保护层电流构建新型判据的培训系统、基于半波傅氏算法的培训系统,均在时间为3 min时与实际短路故障数据一致,而其余最大误差均为1.2 V。使用基于阻抗分析的电力电缆故障模拟装置培训系统,与实际短路故障数据一致,误差为0。

由图6(c)可知,使用基于保护层电流构建新型判据的培训系统,在时间为4 min时,与实际低阻故障数据存在1.9 V的误差。使用基于半波傅氏算法的培训系统,在时间为2 min时,与实际低阻故障数据存在3.7 V的误差。使用基于阻抗分析的电力电缆故障模拟装置培训系统,与实际低阻故障数据一致,误差为0。

由图6(d)可知,使用基于保护层电流构建新型判据的培训系统、基于半波傅氏算法的培训系统,均在时间为3 min时,与实际高阻故障数据相差最大,最大误差分别为13 V和22 V。使用基于阻抗分析的电力电缆故障模拟装置培训系统,只有在时间为4 min时,与实际高阻故障数据存在1 V的误差,其余均一致。

4 结论

传统电力电缆故障模拟装置训练系统无法正确反映现场的实际状况。为提高故障电压模拟的精准度,本文设计了电力电缆故障模拟装置培训系统。

①所设计系统改造了电缆故障仿真培训设备的内部接线模式,模拟了不同线路路径及周围环境。系统设计的绝缘底板可安全模拟的故障类型包括电缆断线故障、高阻故障、低阻故障及短路故障,并可通过分析阻抗值来判定故障情况。

②仿真试验中,相比对照方法,所设计系统模拟得到的断路故障、短路故障、低阻故障与高阻故障的数据均与实际各故障数据一致。这说明所设计系统能够有效提高电力电缆故障模拟装置的培训效果,使故障电压模拟的精度更高。

③所设计系统具有实际可行性与可靠性,能够为电力电缆的故障检测、分析与处理提供支持。