一種高壓電纜在線故障測距方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電纜故障測距方法，尤其是涉及一種高壓電纜在線故障測距方 法。
【背景技術】
[0002] 電力電纜一般埋在地下，故障精確定位和修復比較困難，故障發(fā)生在電纜線路通 常會引起重大的經(jīng)濟損失。研究快速、精確的電纜故障測距方法有助于減少故障巡線時間， 盡快修復故障，減少因停電造成的經(jīng)濟損失，對保障城市電網(wǎng)的供電可靠性具有非常重要 的意義。
[0003] 電纜故障測距方法通常分為離線測距方法和在線測距方法，在線測距方法還不成 熟，目前普遍采用的是離線方式的故障測距儀。由于高壓電纜充電電流比較大且故障多為 高阻或閃絡性故障，實際中很難產(chǎn)生足夠高的電壓將故障點擊穿，并且高壓電纜一般采用 金屬護套層交叉互聯(lián)的接地方式，行波傳播到交叉互聯(lián)點和直接接地點，會因波阻抗不連 續(xù)，從而導致行波在交叉互聯(lián)電纜上傳播會產(chǎn)生復雜的折反射，造成故障點反射波難以識 另IJ。在直接接地點，外模量會被接地點攔截而流入大地，內(nèi)模量則完好無損地通過，即在直 接接地點，外模量行波不會給內(nèi)模量行波帶來干擾。在交叉互聯(lián)點，內(nèi)外模量會因行波的 折反射而發(fā)生相互轉換，由于內(nèi)、外模量波速不同，行波整體波速表現(xiàn)為內(nèi)外模量的混合波 速。對于直埋電纜，內(nèi)模量波速大于外模量波速，內(nèi)模量行波先到達測量點，外模量不會干 擾內(nèi)模量行波。對于架空敷設或隧道敷設的電纜，外模量行波波速大于內(nèi)模量波速，外模量 行波先到達測量點，會給內(nèi)模量行波波頭的識別帶來干擾，造成內(nèi)模量行波波頭難以識別。
[0004] 因此，離線方式的故障測距不適用于高壓電纜的故障測距，只適用于電壓等級在 35KV以下的中低壓電纜的故障測距。
[0005] 對于交叉互聯(lián)電纜的故障測距需要先確定故障段，解開交叉互聯(lián)點，才能進行故 障測距，耗費時間長，工作量大。隨著高壓輸電電纜的廣泛應用，研究適用于高壓電纜的在 線故障測距算法是非常有必要的。電纜故障時產(chǎn)生的暫態(tài)行波具有從低頻到高頻的連續(xù)頻 譜，由于不同頻率分量的行波傳播速度不同，衰減也不同，行波沿電纜線路傳播過程中會發(fā) 生色散。使得行波波頭趨于平緩，整體波速趨于下降，給行波測距中波頭的識別和波速的確 定帶來很大困難。由行波色散產(chǎn)生的誤差對于架空線路的故障測距而言尚可接受，而對于 頻變特性更強，測距精度要求更高的電纜線路而言卻是不可接受的。傳統(tǒng)的高壓電纜在線 測距算法一般都假設行波在電纜中的傳播速度為常數(shù)，沒有考慮電纜運行參數(shù)變化及行波 色散對行波波速的影響，測距精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種測距精度高、計 算方便、干擾少的高壓電纜在線故障測距方法。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：一種高壓電纜在線故障測距方法， 包括以下步驟：
[0008] (1)信號采集：在電纜始末端采集暫態(tài)行波電流信號；
[0009] (2)相模變換：將步驟（1)中的電流信號通過相模變換轉換成6個互相獨立的模 量電流信號ii~i6;
[0010] (3)暫態(tài)行波的分解與重構：選取步驟（2)中的模量電流信號i4進行小波包分解， 利用小波包分解系數(shù)求得各個頻帶的能量比，然后提取能量百分比>5 %的頻帶，重構暫態(tài) 行波；通過對暫態(tài)行波的分解與重構，有效降低了暫態(tài)行波的頻帶寬度，減小了暫態(tài)行波色 散對測距結果的影響。
[0011] (4)小波分析：對步驟（3)中重構后的暫態(tài)行波進行小波分析，確定初始暫態(tài)行波 到達電纜始端的時間tJP到達電纜末端的時間T 1;
[0012] (5)故障點距電纜始端的地理距離計算：根據(jù)步驟⑷中ν?\的大小判斷故障發(fā) 生的區(qū)域，如果故障發(fā)生在電纜前半段，則求出電纜末端第二個暫態(tài)行波波頭到達測量點 的時間Τ2，進而求出故障距離；如果故障發(fā)生在電纜后半段，則求出電纜始端第二個暫態(tài)行 波波頭到達測量點的時間t2，進而求出故障點距電纜始端的地理距離。
[0013] 所述的步驟⑵中模量電流信號ii~i 6的計算式如下：
[0015] 其中，ia、ib、i。分別為a相線芯電流、b相線芯電流、c相線芯電流，i A，iB，ic分別 為a相護套電流、b相護套電流、c相護套電流。
[0016] 所述的步驟⑶具體為：
[0017] (301)采用小波包分析法將模量電流信號i4分解為低頻近似部分和高頻細節(jié)部 分，再將所述的低頻近似部分和高頻細節(jié)部分分解成第二層低頻部分與高頻部分，經(jīng)過i 層分解，模量電流信號i4.就被分解在21個不同的頻帶，利用小波包分解系數(shù)計算各個頻帶 能量的大小，各個頻帶的能量計算式如下：
[0019] 其中，i為小波包分解的層數(shù)，N為行波信號的采樣點數(shù)。djj = 0, 1，2-4-1, k = 1，2,…N)表示第i層、第j個節(jié)點的小波包分解系數(shù)；
[0020] 對于交叉互聯(lián)電纜，選用模量電流信號i4作為行波測距信號，可以最大限度消除 內(nèi)外模量交叉透射給行波測距帶來的干擾問題。
[0021] (302)對第i層每個頻帶的能量進行歸一化處理，可得各個頻帶能量所占的百分 比η ^，其計算式如下：
[0023] (303)提取η的頻帶，重構故障暫態(tài)行波。通過提取故障暫態(tài)行波中能量百 分比大于5%的頻帶進行暫態(tài)行波的重構，這樣可以去除能量百分比較低、對測距結果影響 很小的頻帶，有效降低了暫態(tài)行波的頻帶寬度，減小了行波色散對測距結果的影響，提高了 故障測距精度；
[0024] 所述的步驟（5)具體為：若^1\，則說明故障發(fā)生在電纜前半段，求出電纜末端第 二個暫態(tài)行波波頭到達測量點的時間Τ2，進一步求出故障點距電纜始端的地理距離Lf，L f計算式如下：
[0026] 其中，L為電纜的地理長度；
[0027] 若^>1\，則說明故障發(fā)生在電纜后半段，求出電纜始端第二個暫態(tài)行波波頭到達 測量點的時間t2，進一步求出故障點距電纜始端的地理距離Lf，Lf計算式如下：
[0029] 其中，L為電纜的地理長度。
[0030] 所述的故障點距電纜始端的距離Lf的計算式推導過程如下：實際中電纜一般采用 蛇形敷設，電纜的實際長度與地理長度并不相等，設電纜的實際長度為1、地理長度為L，假 設兩者之間的關系近似為：1= λ L，λ為電纜實際長度1與地理長度L之間的比例系數(shù)， [0031] ①當故障發(fā)生在電纜前半段時，暫態(tài)行波在電纜中的波速為：
[0033] 故障點距電纜始端的實際距離為：
[0035] 根據(jù)式（1)和式（2)求得故障點距電纜始端的地理距離Lf為：
[0037] ②故障發(fā)生在電纜后半段時，暫態(tài)行波在電纜中的波速為：
[0039] 故障點距電纜始端的實際距離為：
[0041] 根據(jù)式⑶和式⑷求得故障點距電纜始端的地理距離Lf為：
[0043] 該計算方法不受電纜波速變化的影響在線行波測距算法，算法考慮到了電纜的蛇 形敷設，采用該算法進行暫態(tài)行波測距所需的已知條件僅為電纜的地理長度，計算方便；
[0044] 1電纜模量電流信號的計算
[0045] 三相單芯電力電纜是由導電線芯和金屬護套組成的六導體系統(tǒng)，該六導體系統(tǒng)之 間存在著耦合，為了在電纜系統(tǒng)中采用暫態(tài)行波方法測距，必須將電纜的電壓、電流信號通 過相模變換矩陣轉換成互相獨立的模量信號進行分析，采用擴展Clark矩陣對電纜系統(tǒng)進 行相模變換。由于外模量以金屬護套層和大地為回路，傳播特性不穩(wěn)定，衰減系數(shù)大，因此 我們主要研究電纜內(nèi)模量電流的傳輸特性。模量電流信號i 6的在擴展Clark矩陣變 換下的計算式如下：
[0047] 其中，ia、ib、i。分別為a相線芯電流、b相線芯電流、c相線芯電流，i A，iB，ie分別 為a相護套電流、b相護套電流、c相護套電流，ip i2、i3為外模量電流信號，i 4、i5、i6為內(nèi) 模量電流信號。
[0048] 2內(nèi)模量與外模量波速干擾的解決方法
[0049] 對于交叉互聯(lián)電纜，由于金屬護套層的交叉換位連接，在互聯(lián)點前后，波阻抗不連 續(xù)。對互聯(lián)點前的波阻抗矩陣Zi的行、列進行相應的換位即可得到互聯(lián)點后的波阻抗矩陣 Z2，即Z2= PZ，。對于圖3所示的換位情況，變換位矩陣P為：
[0051] 其中阻抗矩陣的排列順序為：a相線芯，b相線芯，c相線芯，a相金屬護套，b相金 屬護套，c相金屬護套。
[0052] 通過計算可得某220kv隧道敷設的電纜，采用圖3的交叉互聯(lián)方式，在頻率為ΙΚΗζ 時的波阻抗矩陣為：
[0054] 互聯(lián)點后的波阻抗矩陣Z2= PZ，，根據(jù)ZpZ2可得電流暫態(tài)行波的折射系數(shù)矩陣 ^和反射系數(shù)矩陣β i。電流暫態(tài)行波在模量域的折反射關系滿足：

[0056] 其中：1。"和I ^分別為由6個模量電流組成的入射模量電流矩陣和折射模量電流 矩陣。由上式可得：
[0057] 所以電流暫態(tài)行波在模量域的折射系數(shù)矩陣為： ，通過MATLAB計算可 得：
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