基于行波的电力电缆故障测距方法

基于行波的电力电缆故障测距方法
Study of Fault Locatio n Method by T raveling Waves fo r Pow er Cables
熊元新,刘　兵
(武汉大学电气工程学院,武汉430072)
摘　要　在比较了行波测距法与阻抗测距法,并发现在电力电缆故障测距中行波测距法优于阻抗基础上,综合分析了各类行波故障测距方法的优缺点及近几年国内外行波故障测距方法的特点,构想了行波法今后发展的方向和小波分析在电力电缆行波测距方法中的应用。

Abstract T his paper comprehensively analy ses the charac-teristic of all kinds o f fault lo catio n by tr aveling w aves of-fered in China and in other count ries in recent y ears .Based on compar ing fault location by tr aveling w aves and by impedance fo r pow er cables and believing that t he for mer is better t han the later ,this paper compr ehensiv ely analy ses the merit a nd sho rtco ming o f all kinds o f fa ult lo catio n by tr aveling wav es and co nceives its dev elo ping o rientat ion.A t the same time,this paper analyses w avelets apply ing in lo-ca ting the fault with tr aveling wav es.T he co mprehensively conclusio n pr o vides theo ry to science w or ker s w ho want to resear ch and pro duce equipment for fault lo catio n.关键词　电力电缆　行波　故障测距
Key words pow er ca bles tr avelling w aves fault lo ca tio n 中图分类号　T M 247 文献标识码　A
0　引　言
电力电缆具有安全、可靠、美化城市与厂矿布局等优点,获得了越来越广泛的应用。

但由于各种因素的影响,在运行中,电力电缆也会发生故障。

快速切除故障并排除故障对提高电力系统供电可靠性和稳定性具有决定性作用。

为此,目前选择行波法进行电力电缆的故障定位是一种较好的方法。

本文综合论述了国内外电力电缆行波测距方法,为研制测距仪器的科研工作者提供理论依据。

1　行波测距方法原理与分类
行波测距法,即利用测量行波的传播时间以确定故障位置。

根据是否离线的需要,行波法可分为离线和在线测距法。

根据行波的种类和测量方式的不
同,基于行波法的测距方法分为A,B,C 型[1]
,以及利用由重合闸产生的暂态行波在测量点与故障点之间传播时间和由测量点感受到的故障开断初始行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延实现单端输电线路故障测距的新方法。

其中后两种方法是近几年随着国内外学者对行波法研究的深入而产生的。

离
线行波测距法又可分为脉冲和闪络法。

2　几种行波测距方法分析
2.1　A 型测距法
本方法利用故障点产生的行波,根据行波在测量点和故障点之间往返一次的时间和行波波速确定故障点的距离,原理简单,所用装置少,不受过渡电阻及对端负荷阻抗的影响,理论上可达到较高精度。

近年来,国内外许多学者就此展开了大量的研究工
作,包括暂态电流行波测距法[2～4]
及电压行波测距法[5]。

相比较,以下原因采用暂态电流行波测距的较多:1)不易获得暂态电压信号;2)不易准确获得波阻抗;3)当母线上出线较多时,暂态电压信号比较弱,而暂态电流信号却很强。

目前,A 型法最大的问题是如何区分是故障点反射的行波还是从对端母线反射的行波。

方法有二:1)比较故障线路暂态电流与参考线路暂态电流形成的反向行波浪涌与其对应的正向行波浪涌的极性来
识别有用行波浪涌[3]
;2)基于同一根线不同点反射行波的极性来区分[5]。

后者的前提显然是母线上除了接有故障线路外还接有其它线路。

由于不同的故障类型在三相线路中产生不同的行波,有效区分故障类型,再利用最合适的方法来测距故障非常有用[6]。

利用此方法可判断线路闪络位置。

1)离线测距
A 型测距法离线故障测距有脉冲电压和脉冲电流法两种。

脉冲电压法又称闪测法,它利用直流高压或脉冲高压信号击穿电缆故障点,由放电电压脉冲在观察点与故障之间往返一次时间来测距,适用于高阻和闪络性故障。

该法不需将高阻与闪络性故障击穿,直接利用故障击穿产生瞬间脉冲信号,测试速度快。

但缺点有三:i)安全性差。

仪器容易窜入高压信号而损坏;ii)需串一阻抗以产生电压信号,且降低了电容放电时加在故障电缆上的电压;iii)故障放电,特别是冲闪测试时,分压器耦合电压波形变化不易分辨。

・
8・ Jan.2002 H IGH VOLT AGE ENGINEERING Vo l.28No.1
国家自然科学基金(59977016)“251人才”配套费资助
脉冲电流法通过线性电流耦合器测量电流脉冲信号,无需电容与电缆间的串联阻抗,脉冲电流波形较易分辨。

2)在线测距
A行波测距法最宜配电网中高阻故障和局部放电在线测量。

脉冲电流法[7]由光纤电流互感器感应故障浪涌电流信号,用16MHz快速A/D技术实现测距。

目前只能作不带分支出线电缆的在线故障测距。

开环或末端开路测距法[8]目的是克服高压脉冲法损害电缆的健全部分,它将环行线路开路或在线路末端设置开路点,利用附近设置的传感器测出故障浪涌电压或电流在开路点发生的正或负全反射的脉冲信号的间隔时间实现测距。

综合实时专家系统测距法[9]在脉冲电流法基础上引入实时专家系统,故提高了测量准确性及增加了设备投资。

2.2　B型测距法
该法用故障产生的第一个行波波头信号,借助通信通道实现测距,优点是行波第一次到达两端的信息不受故障点透射波的影响,准确确定行波到达时间。

引入小波分析更利于时间准确确定。

B型法较A型法需要更多的装置。

因GPS装置费用大,故本法可用于很重要的电力电缆。

2.3　C型测距法
该法据向离线的故障线路发射的高压高频或直流脉冲到故障点往返时间来测距,原理简单、精度较高、应用广泛。

该法具有低压脉冲反射法和二次脉冲法两种。

低压脉冲反射法由故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差测距,简单、直观、不需知道电缆的准确长度等原始技术资料,根据脉冲反射波可识别电缆接头与分支点的位置,但不适于测量高阻与闪络性故障。

二次脉冲法[11]是先利用冲击高压与直流高压击穿故障点,在闪络维持低阻状态时间(可达500 ms)内发射低压脉冲,检测脉冲往返时间以测距。

优点是可避开故障点闪络时引起强烈的电磁干扰;低压脉冲宽度可调节;长电缆也能记录到清晰的信号波形,提高测量准确度。

缺点是仪器较多;由于故障点电阻需要降到很低,如故障点绝缘受潮严重,故障点击穿过程较长,测试时间相应增加;故障点维持低阻状态的时间不确定,施加二次低压脉冲的控制有一定的困难。

2.4　利用线路故障开断暂态行波测距
利用测量点感受到的故障开断初始行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延测距。

优点是不受对端不连续点反射波的影响,所用设备较少,可反射瞬时故障。

但存在继保不动作,故不适用的问题;在一定条件下此法还受对端故障开断行波的影响;目前只能记录故障暂态行波及重合闸暂态行波。

3　几种行波测距法的比较
比较按下述几方面进行:
需用仪器:A型最少,只用一个高采样率采集器即可;B型需高稳定性通信通道;C型需附加脉冲发生器。

处理信息过程:A型需有效区分故障点反射还是对端母线反射来的行波,以及连于同一母线上的其它线路上传播并透射到此线路上的行波;
B、C型无上述问题;测量区域:故障点离脉冲发出点较近时,C型存在一定的盲区;A型也存在一定的盲区,但可望利用对端母线反射的行波或信号模量消除;B型无盲区问题,但线路两端基准时间要高度同步;!行波信号源与故障发生时刻的影响:电压过零附近故障时,暂态行波十分微弱,此时A和B型测距方法将失效;C型利用断路器动作产生的测距不受影响,但实际故障记录表明,线路的绝大多数故障都发生在电压峰值前～40°角以内,电压过零时的故障十分罕见,且此问题有望借助其它测距法(如阻抗法)消除;∀外界干扰:C型使用电力电缆载波通道,高压脉冲信号的强度不能太高,因此故障点反射脉冲往往很难与干扰相区别,B型增加了通道线,抗干扰工作也相应增加。

综上所述,目前A、B、C型都有使用价值。

A型中离线测距技术和C型测距法都已成熟,但仍需提高准确度和降低使用难度。

宜以A型法为主,其它有关测距法为辅开发低价格,高可靠性的在线实时故障测距装置。

4　准确测定行波到达时间的方法研究
4.1　相关分析定点法
设x(n)为发射脉冲数据序列,y(m)为采集数据序列,相关函数为S(j)={s1,s2,∧,s j}。

其中s j=
∑m
i=1
x(i)y(j+i-1),j=1,2,∧,n-m-1,当y(m)中出现反射脉冲的数据序列时,相关函数达到极值。

由于不同频率的行波在电缆中传播速度和衰减不同,决定了第一个行波和故障点反射波在波形上存在一定差异,有时误差会很大。

4.2　小波分析定点法
若函数f(x)(f(x)∈R)在某处间断或某阶导数不连续,则称该函数在此处有奇异点。

行波到来时,波头就是一个突变点。

某点的奇异度常用其奇异
・
9
・
2002年1月 高电压技术 第28卷第1期
性指数Lipischitz a来刻划。

设0≤a≤1,在点x0若存在常数K,对x0的领域x,使得 f(x)-f(x0) ≤K x-x0 a成立,则称函数f(x)在点x0是Lipischitz a。

如果a=1,则函数f(x)在x0可微,称函数f(x)没有奇异性。

如果a=0,则函数f(x)在x0间断。

a越大,奇异函数f(x)接近规则;a越小,奇异函数f(x)在x0点变化越尖锐。

函数(或信号)的奇异度可通过小波变换模极大值在不同尺度的数值计算。

函数f(x)∈L2(R)与其小波变换满足 W s f(x) ≤K(2j)a。

当s为2j且W2j f(x0)是小波变换模极大值时,可得W2j f(x0)=K(2j)a,从而Lipischiz a可由下式来计算:
a=log2(W2M+1f(x0)/W2M f(x0)),M∈Z
分析认为小波分析方法定点有其很大的优越性。

但小波种类很多,采用哪种小波确定行波到来时间更准确,有待进一步研究。

5　结　论
a.行波测距法优于阻抗测距法,随着在线故障测距的开发利用,行波法尤显优越。

b.A型行波测距法处于主导地位,但有其固有的缺陷,如故障发生在电压过零点附近,很难测出故障点距离,需运用其它测距方法来补充。

c.小波分析法在测定行波到来时间上有其理论优势,其应用有待进一步研究。

参考文献
1　葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术.西安:
西安交通大学出版社,1996
2　Paithanka r Y G and Sant M T.A new a lg or ithm fo r r e-laying and fault location based on aut ocor r elation of tr av elling wav es.Electric Po wer Systems R esea rch,8 (1984/1985)179
3　陈　平,徐丙垠,葛耀中.一种利用暂态电流行波的输电线路故障测距方法.电力系统自动化,1999,23(14):29 4　M ag nago F H and A bur A.F ault locatio n using w av elets.IEEE T r ans,1998,13(4):1475
5　Bo Z Q,W eller G,R edfer n M A.A ccur ate fault lo ca-tion technique for distr ibution sy stem using fault-g en-er ated hig h-fr equency t ransient v oltag e sig nals.IEE P ro wer G ener T r ans D istr ib,1999,146(1):73
6　覃　剑,陈祥训,郑健超.不同故障类型情况下行波传播特点的研究.电网技术,1999,23(1):54
7　W ig gins C M,T hom as D E.A nov el concept for U R D cable fault location.I EEE T rans PW RD,1994,9(1)
8　Ino ue N,T sunekage T,Sakai S.O n-line fault location sy st em for66kV underg ro und cables w ith fast0/E and fast A/D technique.I EEE T rans PW RD,1995,9(1)
9　K uan K K.R eal-time ex per t sy st em for fault location o n hig h vo ltag e underg r ound dist ribution cables.IEE P ro c C,1992,39(3)
10　徐丙垠.利用暂态行波的输电线路故障测距技术.西安:西安交通大学出版社,1991
11　范　毅.电缆故障定位方法的研究和装置的研制.武汉:武汉水利电力大学,2000
(收稿日期　2001-10-19)
熊元新　1962年生,硕士,副教授,从事信号分析与处理的研究与教学工作,电话:(027)87647364。

刘　兵　1976年生,硕士,从事电力系统继电保护的研究。

(上接第7页)
U0(s)/I(s)=GM s/D
其中,D=L RC0C1s3+(RrC0C1+L C0+L C1)s2+ (R C1+r C0-rC1)s+1
用M ATLAB仿真计算所得传递函数的结果如图5。

可知在前述特性参数下,f l为1.7659Hz,f H 高达2.6396M Hz,且在频率范围内灵敏度S≈0.0093V/A,比图2回路大为提高。

对额定电流400 A的电网空载电流为10A时,测量电路的u c为0.093V,满载400A时,u c为3.72V。

这样的电压范围可直接经模数转换器实现检测装置的自动化、智能化。

待测电流范围变化时,需适当改变特性参数,再设计Rog ow ski线圈及选择其它器件。

4　结　语
基于Ro gow ski线圈的大电流测量电路有非常宽的频率范围,相位偏移几乎为零,灵敏度可在很大的范围内调节,完全可根据不同的需要配置不同的特征参数,
以适应测量要求。

图5　Rog ow ski线圈与电子积分器组成的测量
电路对应的对数幅频及相频特性曲线
(下转第14页)
・
10
・
Jan.2002 H IGH　VOLT AGE　ENGINEERING Vo l.28No.1。