摘要：電力系統(tǒng)作為支撐我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)施，相關(guān)人員需要在日常運(yùn)行中重視電力系統(tǒng)的維修與保養(yǎng)工作。在傳統(tǒng)的故障檢測與信號(hào)采集中，信號(hào)采樣的頻率有限，存在著無法準(zhǔn)確定位故障的缺陷。而高速采樣裝置的出現(xiàn)，為電力電纜局放故障定位提供了新的研究方向，工作人員能夠利用這種裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜局放故障的精準(zhǔn)定位，進(jìn)而提升故障維修效率，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電力電纜局部放電脈沖電流高速采樣裝置故障定位

中圖分類號(hào)：TM247

ResearchonPartialDischargeFaultLocationofPowerCableBasedonHigh-SpeedSamplingDevice

WANGHaihaiYINTianshengLANXinYANGLiu

NanchangKechenElectricPowerTestResearchCo.，Ltd.，NanchangCity，JiangxiProvince，330000China

Abstract：AsakeyfacilitytosupporttherapiddevelopmentofChina'seconomy，thepowersystemrequiresrelevantpersonneltopayattentiontotherepairandmaintenanceofthepowersystemindailyoperation.Intraditionalfaultdetectionandsignalacquisition，thefrequencyofsignalsamplingislimited，anditisdifficulttolocatethefaultaccurately.Theemergenceofhigh-speedsamplingdeviceprovidesanewresearchdirectionforthefaultlocationofpartialdischargeofpowercables，andtheworkerscanusethisdevicetoachieveaccuratepositioningofcablepartialdischargefaults，soastoimprovetheefficiencyoffaultmaintenanceandensurethestableoperationofthepowersystem.

KeyWords：Powercable;Partialdischarge;High-speedsamplingdevices;Faultlocation

電力系統(tǒng)中電纜主要負(fù)責(zé)電力的運(yùn)輸工作，是連接變電站與用戶的關(guān)鍵設(shè)施，因此確保電力電纜的正常運(yùn)行是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。目前，人們?yōu)榱颂岣叩孛婵臻g的使用效率，通常會(huì)將電力電纜埋入地下，但是這種施工方式也導(dǎo)致了對(duì)電力電纜的故障定位較為困難。因此，相關(guān)人員需要對(duì)電力電纜局放故障的快速定位進(jìn)行深入研究，而高速采樣裝置的出現(xiàn)，為電力電纜故障定位提供了新的思路。

1相關(guān)理論

1.1高速采樣裝置

高速采樣裝置可以分為數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)采集兩部分，在數(shù)據(jù)采集過程中需要以較高的速度對(duì)采樣部分進(jìn)行收集，而在數(shù)據(jù)處理過程中則需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，之后再根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通常情況下，高速采樣裝置由單片機(jī)、高速緩存、高速A/D轉(zhuǎn)換器組成。一般來說，高速采集系統(tǒng)的任務(wù)是采集各種類型傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)處理，得到特定的數(shù)據(jù)結(jié)果。同時(shí)將計(jì)算得到的波形和數(shù)值進(jìn)行顯示，對(duì)各種物理量狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[1]。

1.2電力電纜內(nèi)部局放故障的原因

在電力電纜正常運(yùn)行過程中，如果電纜中的主絕緣存在氣泡、雜質(zhì)等情況，就相當(dāng)于在電力電纜中出現(xiàn)一個(gè)雜質(zhì)電容；當(dāng)這部分電纜處于高壓情況下，就會(huì)對(duì)主絕緣內(nèi)部的電容進(jìn)行不間斷充電；如果雜質(zhì)電容的整體電壓達(dá)到最大值的時(shí)候，就會(huì)進(jìn)行擊穿放電。這種情況會(huì)隨著電纜的運(yùn)行而重復(fù)發(fā)生，時(shí)間一長就會(huì)導(dǎo)致電纜的絕緣裝置發(fā)生碳化反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致電纜被擊穿，從而出現(xiàn)接地故障，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，在電力電纜中內(nèi)部局放過程中每次放電都有相應(yīng)數(shù)量的電荷通過電解質(zhì)引起電極變化，而且這個(gè)過程很短，在油隙中一次放電時(shí)間也只有1μs，因此對(duì)故障進(jìn)行定位比較困難。根據(jù)Maxwell電磁理論，如此短持續(xù)時(shí)間的放電脈沖會(huì)產(chǎn)生高頻的電磁信號(hào)向外輻射。

2脈沖電流法的基本原理

在電力電纜局放測試過程中，脈沖電流法是最為常見的一種測試方法，其基本原理如圖1所示，主要是通過獲得耦合阻抗，在耦合電容側(cè)利用線圈對(duì)電力電纜中性點(diǎn)或者接地處進(jìn)行測試，進(jìn)而獲得放電相位、放電量等信息，屬于一種相對(duì)傳統(tǒng)的定量測量方式。通常情況下可以將脈沖電流法分為窄頻、寬頻兩種，其中窄頻檢測的頻率在10～100kHz，而寬頻檢測頻率在100～400kHz。這兩種檢測方法有著不同的應(yīng)用場景，比如寬頻檢測具有信噪比低、脈沖分辨率高等特點(diǎn)，而窄頻檢測往往具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。而針對(duì)電力電纜的局放電流檢測通常是用寬頻檢測的方式，主要是在電力電纜高線位的電芯中連接一個(gè)高頻電纜互感器，之后就可以對(duì)電纜中的高頻脈沖耦合到電路互感器中，并通過儀器對(duì)其進(jìn)行檢測[2]。

3對(duì)電力電纜局放的定位

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在電力電纜中局部放電的位置大多處于電纜的中間部位，所以利用超高頻法以及超聲波法也可以對(duì)中間段的放電故障進(jìn)行檢測，但是由于目前許多電力電纜都被埋藏在地下、電纜溝道以及水下等位置，因此在出現(xiàn)局部放電故障時(shí)，需要對(duì)故障部位進(jìn)行快速估算，在估算到大致位置之后，再利用上述方式進(jìn)行精確定位。對(duì)電力電纜的估算可以使用麥克斯韋方程進(jìn)行，可以在估算位置中對(duì)局部放電的信號(hào)進(jìn)行假設(shè)，將其作為平面電磁波，并對(duì)其進(jìn)行定位。利用這種算法的定位原理如圖2所示。

在對(duì)大概位置進(jìn)行估算時(shí)，需要從當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)數(shù)據(jù)，之后再結(jié)合下述公式進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：

在式（1）中：U和U1的計(jì)算值為矢量，在實(shí)際測試過程中這個(gè)值為標(biāo)量，因此需要在計(jì)算過程中計(jì)算K值，具體值需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境來確定；Z為到局放點(diǎn)的距離；U為局放點(diǎn)幅值；S為1#和2#HFCT間的電纜長度。

4電力線纜的波過程

4.1電纜線路的波過程與波動(dòng)方程

在電纜運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)故障，其信號(hào)就會(huì)呈現(xiàn)高頻分量狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下電力電纜的波長很短，其脈沖的寬度通常會(huì)在1s以下，而且行波的整體速度也較小。所以在實(shí)際研究過程中，人們通常會(huì)將電纜看成一條長線，這就導(dǎo)致在分析過程中無法利用有效的參數(shù)電路模型對(duì)其進(jìn)行分析，只能利用分布參數(shù)線路模型進(jìn)行表示，具體如圖3所示。

在上述線路圖中，R0、L0、C0、G0分別代表了電纜線路規(guī)定長度內(nèi)的電感、電容以及電阻、漏電導(dǎo)等參數(shù)，在得知這些參數(shù)之后，再結(jié)合基爾霍夫定律，就能夠有效推出有損耗均勻傳輸線路的方程，通常情況下這個(gè)方程式得出的結(jié)果較為精準(zhǔn)。如果在得出的信號(hào)參數(shù)中每個(gè)頻率的衰減都有所不同，在電纜線路傳輸過程中就會(huì)出現(xiàn)失真的情況，進(jìn)而發(fā)生色散情況[3]。

4.2行波的反射與透射

當(dāng)人們將兩種不同波阻抗的線路進(jìn)行連接時(shí)，在電纜的連接處經(jīng)常出現(xiàn)抗阻不夠匹配的情況，而且如果電纜線路中出現(xiàn)了低阻故障或者斷線情況時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致故障位置的電纜特性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致阻抗完全不匹配。在這種情況下，如果行波運(yùn)動(dòng)過程中遇到阻抗不夠匹配時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)反射情況，最終導(dǎo)致行波出現(xiàn)回路。同時(shí)，當(dāng)電力電纜出現(xiàn)低阻故障，而且電阻大于0的情況下，還會(huì)出現(xiàn)行波的透射情況，就是在電力線路中，一小部分行波在經(jīng)過故障點(diǎn)之后持續(xù)前行。在這兩個(gè)現(xiàn)象中，行波在反射時(shí)其反射系數(shù)為延長線上的某點(diǎn)電壓與入射波電壓的比值，而透射系數(shù)則是入射電壓與透射電壓的比值。

5仿真模型的建立

為了對(duì)電力電纜中的局放故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位，還需要構(gòu)建一個(gè)仿真模型。目前，在仿真模型建立時(shí)可以選擇ATP（EMTP的改進(jìn)版）、PSCAD／EMTDC、MATLAB。本文選用ATP工具來構(gòu)建仿真模型，主要是因?yàn)檫@個(gè)工具能夠自行構(gòu)建元件模型，能夠更加符合電纜局放故障分析，但是這個(gè)工具的數(shù)據(jù)分析結(jié)果有限，沒有MATLAB工具中強(qiáng)大的計(jì)算能力。而沒有選擇MATLAB工具的主要原因是這個(gè)工具中沒有適合電纜計(jì)算的模型。因此，為了得到更加準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，本文利用ATP工具進(jìn)行仿真模擬，利用MATLAB6.5工具對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在電纜仿真分析過程中，由于電纜的截面參數(shù)較多，且整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此需要對(duì)其進(jìn)行有效分析[4]。

本研究選擇常見的220kV電纜作為研究對(duì)象，其主要構(gòu)成為聚氯乙烯護(hù)套、銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣，以及細(xì)鋼絲。根據(jù)數(shù)據(jù)中的電纜數(shù)據(jù)可知，該電纜的絕緣厚度在10.5mm，保護(hù)套在2.6mm，截面積為300mm2，對(duì)其故障時(shí)的狀態(tài)信息進(jìn)行分析，并且對(duì)電纜故障時(shí)的行波特性進(jìn)行總結(jié)，因此在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要構(gòu)建一個(gè)有效的電纜系統(tǒng)。在本文構(gòu)建的仿真模型中，有1個(gè)負(fù)荷端與3個(gè)電源端，在每個(gè)端點(diǎn)位置都安裝變壓器，而且電纜的中性點(diǎn)設(shè)置為接地狀態(tài)，以便更好的模擬真實(shí)的電纜運(yùn)行狀態(tài)。之后，分別使用兩個(gè)獨(dú)立的電纜系統(tǒng)模型對(duì)電纜的故障狀態(tài)進(jìn)行模擬，其中將設(shè)置故障點(diǎn)為S，之后改變電纜的總體長度，之后再對(duì)其進(jìn)行仿真模擬。在實(shí)際電纜施工中，由于電纜的材料的抗阻性能有所不同，因此在滿足同一個(gè)故障要求時(shí)，設(shè)置了一個(gè)故障模塊，以便對(duì)故障類型進(jìn)行模擬。

6故障定位的實(shí)現(xiàn)

6.1利用小波進(jìn)行故障點(diǎn)測算

小波變換這一理念起源于20世紀(jì)80年代，其具有良好的應(yīng)變特性，而且可以對(duì)電纜中的突變信號(hào)進(jìn)行全面分析，并將故障時(shí)的電纜參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，利用小波變化對(duì)電纜故障點(diǎn)進(jìn)行測算也具有較高的分辨率，在電纜的高頻部分整體分辨率正常，因此可以有效應(yīng)用在電纜局部放電故障檢測中。

小波變換分析方式主要是指這一種窗口面積可以隨意改變，其形狀也可以隨著模型計(jì)算進(jìn)行調(diào)整，并且可以在局部的時(shí)間和頻率進(jìn)行分析的方式。在電纜的低頻部分，這種分析方法的整體分辨率較高，而且時(shí)間分辨率較低；而在電纜的高頻部分則時(shí)間分辨率較高、整體分辨率較低。因此，這種分析方式也可以被稱為數(shù)學(xué)顯微鏡。正是因?yàn)樾〔ǚ治龅倪m用性，所以能夠?qū)﹄娎|故障位置進(jìn)行連續(xù)的分析[5]。

6.2小波基的選擇

在電纜故障信號(hào)檢測過程中，一個(gè)有效的小波變換可以制作成小波行數(shù)上的投影，所以在故障檢測過程中可以應(yīng)用合適的小波函數(shù)簇對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行分析，而如果小波函數(shù)簇的選擇不夠合理，就可能導(dǎo)致整體的故障檢測結(jié)果不夠精準(zhǔn)。因此，如何選擇正確的小波函數(shù)簇就顯得十分重要。但是目前人們對(duì)于小波函數(shù)簇的選擇還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此在實(shí)際故障分析過程中，工作人員需要根據(jù)信號(hào)分析的整體效果來判斷小波函數(shù)簇選擇的合理性。同時(shí)，由于小波函數(shù)簇并不唯一而且不夠規(guī)則，所以每個(gè)小波函數(shù)簇之間的差異也很大。此外，小波變換作為一種可以在基波變形的情況下對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的分析方式，能夠在基波信號(hào)不同尺寸的情況下進(jìn)行分析，所以在選擇小基波時(shí)，如果尺度沒有合理尺度，也會(huì)對(duì)整體的分析效果產(chǎn)生影響。通常情況下，工作人員會(huì)憑借自身的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)小波進(jìn)行選擇，而對(duì)于數(shù)字信號(hào)往往選擇Haar或Daubechies小波作為小波基。

6.3仿真案例

根據(jù)上述的仿真模型，為對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性進(jìn)行驗(yàn)算，工作人員將數(shù)據(jù)錄入MATLAB工具中對(duì)其進(jìn)行處理，以此來對(duì)電纜中的局部放電情況進(jìn)行分析。根據(jù)電纜的實(shí)際情況，測得電纜中的實(shí)際電阻抗性為20Ω；利用仿真算式對(duì)電纜的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；之后再考慮到電纜在傳輸過程中出現(xiàn)的損耗情況，計(jì)算出R0為32.125Ω、L0為0.18H、C0為8.125ps、G0為8.542ps；最后根據(jù)電纜的運(yùn)行頻率，計(jì)算得出仿真的步長約為1s。

在實(shí)際測量過程中，將電纜系統(tǒng)的5km位置設(shè)置為電纜放電故障；之后結(jié)合電流互感器中的數(shù)據(jù)顯示對(duì)其進(jìn)行分解，分解層數(shù)為3層；然后再對(duì)其高頻位置的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，并得出重構(gòu)信號(hào)；根據(jù)重構(gòu)信號(hào)利用仿真模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行測算，得到測算的結(jié)果為5031km的位置，誤差僅為0.1%。結(jié)果證明，利用MATLAB以及ATP工具進(jìn)行仿真測算具有較高的準(zhǔn)確性。

7結(jié)語

綜上所述，在電力電纜運(yùn)行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)局部放電故障會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，不僅會(huì)影響電力輸送的穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的使用壽命造成影響。因此，目前許多研究人員都致力于對(duì)電力電纜局放故障定位研究。本文基于高速采樣裝置，構(gòu)建了一個(gè)新的故障測試定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用MATLAB以及ATP工具進(jìn)行仿真測算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用這種方式得到的故障距離數(shù)據(jù)距離真實(shí)數(shù)值誤差僅在1%左右，具有良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1]袁博洋，鐘建偉，楊永超，等.基于FPGA和AD9481的寬頻帶電力電纜局部放電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2023，52（9）：192-196，219.

[2]馮新宇，柴僑崢，付志偉，等.改進(jìn)EWT算法的高壓電纜局部放電故障定位方法[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，33（2）：259-265.

[3]田永貴，蘇磊，鄧林志，等.基于IT降噪與CNN的電纜終端故障診斷方法[J].電氣自動(dòng)化，2023，45（3）：17-19.

[4]張金亮.基于人工智能的電纜故障精確定位與實(shí)現(xiàn)技術(shù)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2023.

[5]肖小龍，郭佳豪，郭茂森，等.基于改進(jìn)GCC算法的交流配電電纜局部放電在線定位方法研究[J].機(jī)械與電子，2024，42（3）：26-31，39.