楊振宇，羅 毅，李東生，曾 博，李 剛

（國網(wǎng)青海省電力公司海北供電公司，青海 海晏 812200）

0 引 言

在我國的配電系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展中，地埋電纜的占比越來越多，采用地下敷設(shè)電纜的方式，可以降低桿塔和架空線的占地面積。根據(jù)電力有關(guān)部門的統(tǒng)計，雖然地埋電纜可以降低倒桿、斷線和雷擊等事故的發(fā)生率，但是電纜線深埋在地底，發(fā)生故障時，不能直接確定纜線的故障位置，增加了電纜的故障處理難度，并對電網(wǎng)維修技術(shù)人員的現(xiàn)場作業(yè)提出了新的要求[1]。造成地埋電纜故障、失效的原因較多，主要可以劃分為人為原因和自然原因2 個類別。人為原因主要有外力破壞、地埋電纜附件質(zhì)量不合格，纜線敷設(shè)施工質(zhì)量差等；自然原因主要有電纜的使用年限已達(dá)5 ～8 年（設(shè)計年限）。一旦地埋電纜的使用受到外部環(huán)境的影響，就會導(dǎo)致地埋電纜的主要絕緣性能降低，從而誘發(fā)纜線電、熱等事?lián)舸╊惞蔥2]。為提供用戶更加優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)，避免由于地埋電纜故障造成的電網(wǎng)輸電異?，F(xiàn)象，應(yīng)設(shè)計可靠的方法，進(jìn)行地埋電纜故障的精確定位。研究現(xiàn)有的故障定位方法，大部分方法在使用中存在一定的局限性，無法滿足地埋電纜故障檢測與診斷定位需求[3]。針對此方面的問題，提出了低壓脈沖法，為落實此方面的工作，文章引進(jìn)低壓脈沖法，設(shè)計了一種針對電網(wǎng)地埋電纜的全新故障定位方法，實現(xiàn)對地埋電纜運行中失效現(xiàn)象與故障的及時、精確診斷，保障電網(wǎng)輸電的連續(xù)性與可靠性。

1 基于低壓脈沖法的地埋電纜故障檢測行波參數(shù)設(shè)計

為滿足地埋電纜故障定位檢測需求，引進(jìn)低壓脈沖法，設(shè)計基于低壓脈沖法的地埋電纜故障檢測方案，具體如圖1 所示[4]。

圖1 基于低壓脈沖法的地埋電纜故障檢測方案設(shè)計

當(dāng)電網(wǎng)供能時，地埋電纜上的電壓與電流會以波浪的形式傳播[5]。正常情況下，其波形是余弦波，但是發(fā)生故障時，波形會發(fā)生突變，突變的波形中蘊含著大量的故障信息。因此，如何有效地提取與應(yīng)用電網(wǎng)中各種故障信息，是電網(wǎng)可靠、準(zhǔn)確、連續(xù)及穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。檢測過程中，使用脈沖發(fā)生器發(fā)射行波，行波傳輸時，會發(fā)生折射與反射現(xiàn)象，此種現(xiàn)象通常會出現(xiàn)在波阻抗改變的位置[6]。為更精準(zhǔn)地感知電纜線故障，需要設(shè)計低壓脈沖法中的折射波與反射波，具體公式為

式中：se表示低壓脈沖法中的折射波；sr表示低壓脈沖法中的反射波；s表示波形系數(shù)；R1表示線路1 對應(yīng)的波阻抗；R2表示線路2 對應(yīng)的波阻抗；α表示折射系數(shù)；β表示反射系數(shù)。計算中，如R1=R2，此時α取值為1，β取值為0，折射波與反射波相同，不形成反射關(guān)系，無明顯的故障表現(xiàn)形式；如R1＞R2，此時α取值小于1，β取值小于0，折射波小于反射波，存在負(fù)反射關(guān)系，此時R2段存在故障表現(xiàn)形式；如R1＜R2，此時α的取值大于1，β取值大于0，折射波大于反射波，存在正反射關(guān)系，此時R1段存在故障表現(xiàn)形式。按照式（1）和式（2）方法，完成基于低壓脈沖法的地埋電纜故障檢測行波參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)對地埋電纜不同區(qū)段故障的檢測與識別。

2 地埋電纜故障檢測信號濾波處理與故障點測距定位

在電網(wǎng)地埋電纜測距過程中，不可避免地會采集大量的噪聲，噪聲的強弱與脈沖發(fā)生器自身的干擾有關(guān)，噪聲過大，不僅會遮蔽反射信號中的起始信號，而且會造成測量數(shù)據(jù)誤差較大，增加了故障定位的難度[7]。因此，有必要采取一定的技術(shù)手段對地埋電纜故障檢測信號進(jìn)行濾波處理，去除信號中的噪聲信號，保留有用信號，排除相關(guān)因素對于故障定位結(jié)果的干擾。

在不同的尺度下，地埋電纜故障檢測信號中的突變點信息在相同的位置上會保留一些細(xì)節(jié)，而噪音則隨尺度的增大而降低?；谠撛瓌t，可以分析地埋電纜故障檢測信號中的多尺度相關(guān)性，消除噪音成分，保存細(xì)節(jié)，再進(jìn)行信號的重建，得到經(jīng)過濾波處理后的信號[8]。該過程計算公式為

式中：C表示濾波處理后的地埋電纜故障檢測信號；W表示信號最大尺度；f表示處理過程中的小波系數(shù)；n表示尺寸數(shù)；l表示相關(guān)系數(shù)；i表示重構(gòu)次數(shù)。完成對信號的處理后，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)射行波信號的脈沖極性，可以初步判斷電網(wǎng)地埋電纜的故障類型。在此基礎(chǔ)上，記錄發(fā)生器發(fā)射行波信號的往返時間，進(jìn)行故障點測距。該過程的計算公式為

式中：S表示故障點與測距位置的距離（故障點測距結(jié)果）；v表示脈沖發(fā)生器發(fā)射行波信號在測試環(huán)境中的傳播速度；t表示發(fā)生器發(fā)射行波信號的往返時間。按照式（4）方式，實現(xiàn)地埋電纜故障檢測信號濾波處理與故障點測距定位，完成基于低壓脈沖法的故障定位方法設(shè)計。

3 對比實驗

對電力市場的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，造成電網(wǎng)運行故障的原因較多，地埋電纜故障是電網(wǎng)運行中最為常見的故障形式之一。為避免地埋電纜失效所造成的電網(wǎng)輸電異常，在開展了大量研究后，提出了將低壓脈沖法作為支撐，進(jìn)行地埋電纜的故障診斷與處理。根據(jù)已有的實踐經(jīng)驗可知，低壓脈沖方法在應(yīng)用中將行波作為參照，可以在不需要人為操作、貫標(biāo)、移動的情況下，精確地定位和判定故障。該技術(shù)不但有很高的精度，還能獲得諸如電纜故障定位等裝備的支持，從而提高地埋電纜的實用性。

完成上述設(shè)計后，為實現(xiàn)對該方法的故障定位效果檢驗，以某220 kV 的地埋電纜作為研究對象，進(jìn)行電網(wǎng)地埋電纜故障的模擬與定位。實驗前，分析電網(wǎng)地埋電纜的線路簡圖，具體如圖2 所示。

圖2 電網(wǎng)地埋電纜線路簡圖

為避免實驗中相關(guān)因素對實驗結(jié)果造成影響，實驗前，分析電網(wǎng)地埋電纜線路的技術(shù)參數(shù)，相關(guān)內(nèi)容如表1 所示。

表1 電網(wǎng)地埋電纜線路技術(shù)參數(shù)

根據(jù)實驗的相關(guān)需求可知，電網(wǎng)地埋電纜的埋地深度為0.8 m，為滿足低壓脈沖法的檢測需求，設(shè)計脈沖的探針間距為0.5 m、探針長度為0.1 m，將低壓脈沖發(fā)生器按照規(guī)范放置在被測電纜與大地之間，設(shè)計脈沖發(fā)生器發(fā)射的電壓脈沖為5 kV 與3 kV，在此種條件下，電網(wǎng)地埋電纜的對地電阻分別為0.15 MΩ 與0.12 MΩ。

完成實驗準(zhǔn)備工作后，使用文章設(shè)計的方法，定位地埋電纜的故障點。定位過程中，為確保故障診斷的精確性，進(jìn)行地埋電纜故障檢測行波參數(shù)的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，采集脈沖發(fā)生器發(fā)射與返回的信號，進(jìn)行電網(wǎng)地埋電纜故障檢測信號濾波處理，最后通過返回信號進(jìn)行故障點的測距，實現(xiàn)對故障點的精確定位。

設(shè)基于CEEMD-PSD 算法的故障定位方法為傳統(tǒng)方法1、基于Hilbert-Huang 變換的故障定位方法為傳統(tǒng)方法2。在已知電纜線故障點與測距位置距離的前提下，使用傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2 與文章設(shè)計方法進(jìn)行電網(wǎng)地埋電纜的故障定位，將3 種方法的測距結(jié)果與實際故障距離進(jìn)行比對，記錄故障定位誤差，相關(guān)結(jié)果如表2 所示。

表2 3 種方法下的電網(wǎng)地埋電纜故障定位誤差 單位：m

從表2 所示的實驗結(jié)果可以看出，隨著故障點與測距位置距離的增加，3 種方法對地埋電纜故障定位的偏差呈現(xiàn)對應(yīng)的增加趨勢。在使用文章設(shè)計方法進(jìn)行故障定位時，只有故障點與測距位置的距離大于8 000 m 時，定位偏差才相對較大，而傳統(tǒng)方法對故障點的定位偏差均較大。因此，相比傳統(tǒng)方法，文章設(shè)計的基于低壓脈沖法的定位方法應(yīng)用效果良好，按照規(guī)范進(jìn)行電網(wǎng)地埋電纜故障點的定位，可以有效控制定位結(jié)果的偏差，通過此種方式，實現(xiàn)對地貌電纜故障的精準(zhǔn)排查，降低由于電纜失效造成的電網(wǎng)異常事故發(fā)生次數(shù)。

4 結(jié) 論

目前，我國地埋電纜絕緣性能劣化現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重影響了其正常工作運行。通常情況下，電力電纜被埋置在地下通道、溝渠等處，長期使用會導(dǎo)致其絕緣性能下降，同時地下環(huán)境粉塵污染較大、環(huán)境濕氣較重，容易引起地埋電纜與環(huán)境之間的化學(xué)反應(yīng)，再加上機車碾壓、高空墜落等外部因素的影響，也將極大地增加地埋電纜的失效概率。為避免地埋電纜故障誘發(fā)電網(wǎng)連鎖事故，文章引進(jìn)低壓脈沖法，通過地埋電纜故障檢測行波參數(shù)設(shè)計、電網(wǎng)地埋電纜故障檢測信號濾波處理、故障點測距與精確定位，設(shè)計了一種針對電網(wǎng)地埋電纜的全新故障定位方法。通過對比測試實驗證實，文章設(shè)計的方法可以有效控制定位結(jié)果的偏差，實現(xiàn)對線纜故障的精準(zhǔn)排查。