基于OWTS的高壓交聯(lián)電纜短路故障定位方法

朱濤，楊斌，孫長群，何劍鋒，李明貞，周承科,3

(1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電分公司，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072；3. 格拉斯哥卡里多尼亞大學，蘇格蘭 格拉斯哥 G4 0BA，英國)

由于交聯(lián)聚乙烯(crosslinked polyethylene, XLPE)電纜具有制造工藝簡單、安裝敷設容易、電氣性能優(yōu)良、傳輸容量大、運行維護方便、無漏油隱患等諸多優(yōu)點，已成為城市變電站聯(lián)絡線的主要用材[1-3]。隨著每年新增高壓交聯(lián)電纜投運量的持續(xù)快速增長，短路故障也隨之增加，高壓交聯(lián)電纜的安全可靠運行對區(qū)域性電網(wǎng)穩(wěn)定和大面積可靠供電的支撐作用日益明顯。短路故障發(fā)生后需要快速準確故障定位，指導檢修，快速恢復供電。

當前的離線故障測距方法依據(jù)測量原理主要有3種：①電橋法[4-5],其需先將一端電纜終端的故障相和非故障相短接，測試故障電纜端到故障點的線路電阻，并根據(jù)電阻率計算出故障距離的測距方法；或者通過測試電纜故障段與全長段的電壓降的比值，再與線路全長長度相乘計算出故障距離。該方法一般用于測試故障點絕緣電阻在幾十千歐以內(nèi)的電纜故障，測量誤差相對較大。②低壓脈沖法[6-7]，其主要原理是在電纜一端通過儀器向被測電纜中輸入低壓脈沖信號，該脈沖沿電纜傳播到線路波阻抗不匹配的位置(包括故障點、電纜終端和中間接頭)后產(chǎn)生反射，并返回到測量端由儀器記錄下來，記錄反射信號和發(fā)射信號的時間差，從而測出故障距離，操作簡單，測試精度高，但不能測試高阻故障和閃絡性故障。③高壓脈沖法[8-9]，其首先通過高壓信號發(fā)生器向被測故障電纜中施加直流高壓信號或沖擊高壓信號，將電纜故障點瞬間擊穿，產(chǎn)生1個電壓行波信號，該信號在被測電纜的測量端和故障點之間往返傳播，在直流高壓發(fā)生器的高壓端通過線性分壓器接收并換算出該電壓行波信號往返1次的時間，再與脈沖信號的傳播速度相乘來計算故障距離，缺點是測試時測距儀器與高壓部分有直接的電氣連接部分，安全性相對較差，且對測試設備的技術參數(shù)要求較高。

振蕩波測試系統(tǒng)(oscillation wave test system, OWTS)技術在國內(nèi)的發(fā)展已有10多年歷史，振蕩波耐壓與振蕩波局部放電試驗裝置也被廣泛地應用到現(xiàn)場中以評估電纜的絕緣水平與缺陷情況[10]。國內(nèi)外關于OWTS的研究比較豐富，文獻[11]對比了振蕩波與交流電壓下多種缺陷的局部放電圖譜，發(fā)現(xiàn)兩者之間各項特征有相似性。文獻[12]提出了基于希爾伯特黃變換對振蕩波下不同局部放電信號的模式識別方法。文獻[13]考慮局部放電的時頻特征，提出了增加振蕩波系統(tǒng)缺陷定位準確性的方法。上述研究證實了OWTS對高壓交聯(lián)電纜進行局部放電檢測并實現(xiàn)缺陷定位的可行性。但目前還沒有將OWTS用于短路故障定位的案例或報道。

短路擊穿故障發(fā)生后，擊穿通道電阻遠小于擊穿前的主絕緣電阻，其絕緣劣化特征較局放缺陷特征顯著。根據(jù)電磁信號在電纜線路中的傳播和耦合特性，本文對OWTS信號測量的電磁耦合法進行改進，使之更方便、準確地測量故障信號。通過對測試電纜施加振蕩波電壓信號，利用高頻電流互感器(high frequency current transformer, HFCT)套接在電纜本體，測量待測電纜的故障行波反射電流信號，計算反射波信號到達時間，進而獲取故障點位置，實現(xiàn)了故障點的精確定位，最后的仿真試驗也驗證了該故障定位方法的可行性。

1 振蕩波測試系統(tǒng)的基本原理

目前，國內(nèi)研究機構的振蕩波測試方法多采用文獻[14]推薦的脈沖電流法，能有效耦合出小容量試品中的局放信號，但對于大容量的長電纜試樣耦合效率并不高，因此脈沖電流法應用于振蕩波測試存在一定的局限性。本文對電磁耦合法進行改進，使其能夠應用于高壓交聯(lián)電纜短路故障檢測。

1.1 脈沖電流法

振蕩波電壓源利用試品電纜電容Ccable和諧振電感Lreson共同組成串聯(lián)諧振電路，其結構如圖1所示。

圖1 振蕩波系統(tǒng)結構Fig.1 Oscillatory wave test system structure

開始階段，斷開開關，直流電源直接作用在試品電纜兩端，對電容器進行充電，充電電壓為振蕩波的初始振蕩峰值；充電完成后開關閉合，直流電源通過限流電阻R1接地，試品電纜電容Ccable與諧振電感Lreson構成串聯(lián)諧振回路，試品電纜兩端承受阻尼振蕩電壓，其振蕩頻率f由Lreson和Ccable共同決定。

當振蕩電壓超過缺陷處局部放電起始電壓，電纜內(nèi)部將產(chǎn)生局部放電，局放信號沿電纜線芯和金屬護層軸向傳播，需要特定的傳感器將信號耦合出來。文獻[14]推薦采用電容分壓器作為耦合電容，串聯(lián)接入檢測阻抗Ztest耦合出電纜中的局部放電信號。Ztest通常由耦合電抗Lcoup與分壓電阻Rdivi構成，電容分壓器可等效為耦合電容Ccoup，Zeq和Ccable分別為電纜的等效阻抗與對地等效電容，測試回路的等效電路如圖2所示。

圖2 脈沖電流法等效測試回路Fig.2 Equivalent test circuit of pulse current method

在檢測阻抗支路上，耦合電容Ccoup與耦合電感Lcoup構成串聯(lián)諧振回路，諧振頻率f0如式(1)所示，當局部放電中心頻率fp與回路諧振頻率接近時，即f0≈fp，該支路阻抗最小，大部分局放電流能夠從該支路通過。為提高該方法的測量精度，通常希望耦合電容Ccoup不小于試品電纜電容Ccable。

(1)

1.2 改進電磁耦合法

HFCT感應回路中的局部放電信號是一種比較常用的手段。HFCT基于Rogowski(羅氏)線圈原理[15]制成，其本質(zhì)是一種I/U轉(zhuǎn)換器型的電流傳感器，其結構如圖3所示，等效電路如圖4所示。

圖3 HFCT結構Fig.3 Structure of HFCT

圖4 HFCT等效電路Fig.4 Equivalent circuit of HFCT

圖4中，Req,cable為電纜線的等效電阻；Req,Rog為線圈的等效電阻；LRog為線圈自感；CRog是線圈等效雜散電容；RRog為線圈積分電阻；uout和uin分別為HFCT的輸出、輸入電壓；iout和iin分別為HFCT的輸出、輸入電流。

HFCT的傳輸系數(shù)

(2)

HFCT的傳輸阻抗

(3)

HFCT較少應用于OWTS，為了方便測試，一般將HFCT套接在電纜金屬護層接地線上，如圖5所示。

圖5 HFCT套接在金屬護層接地處Fig.5 HFCT is connected to the grounding of metal sheath

當HFCT套接在地線回路中，回路中的諧振電流將被感應出來，同時地線中存在較大的噪聲干擾，以至測試出來的信號信噪比不高。

由于脈沖信號通過試品電纜終端線芯注入，該信號在電纜故障或缺陷處產(chǎn)生的電流信號將沿電纜線路反射回電纜末端(HFCT)位置。若使電纜金屬護層一端直接接地、另一端懸空，如圖6所示，則在金屬護層懸空端脈沖電流的入射波和反射波方向相反，金屬護層上的信號可被抵消。

圖6 HFCT套接在電纜本體末端Fig.6 HFCT is connected to the end of cable body

2 振蕩波測試分析及故障定位判據(jù)

2.1 高壓交聯(lián)電纜短路故障仿真及分析

本文利用PSCAD軟件，仿真了1條典型結構下的110 kV電纜線路，其電纜橫截面為800 mm2，具體結構參數(shù)如圖7所示和見表1。

圖7 典型高壓單芯電纜結構Fig.7 Typical structure of a single core HV cable

表1 電纜的橫截面結構參數(shù)
Tab.1 Structural parameters of cable cross-section

序號結構外半徑/mm1導體線芯(銅)17.02導體屏蔽(半導電尼龍帶)18.43主絕緣(超凈化交聯(lián)聚乙烯材料)34.44絕緣屏蔽(超光滑半導電屏蔽料)39.45金屬護層(波紋鋁)43.96外護套(聚乙烯)48.6

仿真設置的電力系統(tǒng)結構如圖1所示，試品電纜的接線方式如圖6所示，調(diào)整OWTS參數(shù)使之產(chǎn)生振蕩波電壓信號曲線如圖8所示，電纜線路全長500 m，故障點位置設置在距離首端400 m處，則在HFCT上測量到的波形信號如圖9所示。

圖8 振蕩波電壓波形Fig.8 Voltage waveform of oscillatory wave

圖9 HFCT檢測到的電流信號波形Fig.9 Current waveform detected by HFCT

根據(jù)如圖9所示的脈沖波到達測試端的時間，可計算出故障發(fā)生后的位置，即

(4)

式中：x為故障點距離測試端的距離；t1為測試端的脈沖波到達時間；v0為脈沖波在電纜中的傳播速度。高壓電纜中的傳播速度

(5)

式中：L0為電纜單位長度的電感；C0為電纜單位長度電容；μ為電纜磁導率；ε為電纜的介電常數(shù)。對于任一確定的電纜，L0、C0、μ、ε均為常數(shù)，對于仿真中的電纜，μ=4π×10-7H/m，ε=3.63×10-11F/m，則可計算出脈沖波在該電纜中的傳播速度v0=1.48×108m/s。在如圖6所示的測試電纜回路中，振蕩波從首端入射，并在故障點發(fā)射，則行波傳輸距離為800 m，如圖9的5.41 μs處位置。

2.2 高壓交聯(lián)電纜短路故障定位判據(jù)

由于短路故障的擊穿通道有別于產(chǎn)生局部放電的絕緣劣化狀態(tài)，短路通道的阻抗遠遠小于電纜主絕緣阻抗，在通道中也會產(chǎn)生回路電流，以至于在遠小于振蕩波周期的測試時間范圍內(nèi)檢測到的電流呈現(xiàn)一致性的上升或下降的趨勢，且該電流在數(shù)值上遠大于故障行波電流，如圖9所示。故在故障定位的實際應用中可采用雙端定位的方法，即在線路兩端裝HFCT并同時測量故障波形。在長度為l的電纜線路故障定位應用中，脈沖波到達電纜線路首末端的時間可用式(6)和式(7)表示，到達時間差可用式(8)表示，則故障距離可用式(9)表示，即故障定位的判據(jù)。其中，x表示故障點距離測試端的距離，t1為首端(末端)的故障行波電流信號到達時間，t2為末端(首端)的故障行波電流信號到達時間，v0為故障行波電流信號在電纜中的傳播速度，即

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為識別出HFCT采集到電流信號的到達時間，本文采用小波包多尺度分析的方法進行信號處理。小波包多尺度分析是將頻帶進行多層次劃分，在低頻和高頻部分分別進行二進制分解，提高了時頻分辨率，使提取的信號特征更加集中。小波包多尺度分析是按照不同的尺度因子j(j=1，2，3，…，N)把整個空間分解為多個子空間的正交和，具體步驟如下。

步驟1，構建所述泄漏電流反射波信號的尺度函數(shù)Vj和小波函數(shù)Wj，并根據(jù)Vj和Wj按照頻帶將所述泄漏電流反射波信號進行正交分解，得到多尺度小波分解函數(shù)

Dj=Vj⊕Wj.

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步驟2，根據(jù)Dj構建空間多尺度方程，通過所述多尺度方程對所述故障行波電流信號按頻帶進行分解，并根據(jù)分解后的結果對所述泄漏電流反射波信號進行重構，其空間多尺度方程為：

(11)

式中：h(k)為小波包的高通濾波器組；g(k)為小波包的低通濾波器組。小波包多尺度分析將整個信號按頻帶分解，每一層分為2j(j=1,2,3,…，N)個頻帶。其中，每一層的子頻帶都包含信號的所有信息，只是每層信號的分辨率不同。隨著尺度增大，分解頻帶個數(shù)越多，分辨率越高，各頻帶包含的頻率越細致，濾波效果越好。如果尺度過大，故障信號中的有用信號也有可能被剔除。小波包多尺度分解重構的過程就是將故障信號進行濾波的過程，每一層中各頻帶信號進行重新分配，只包含相應頻帶中的信號。多尺度分解重構使信號的特征提取出來，特征更加明顯。當小波基固定時，隨著尺度的增大，小波包分解重構后的初始行波波頭寬度隨著尺度的增大而變大。但以db1小波基為基底的小波包分解重構信號，其初始行波波頭寬度在不同尺度下是不變的。本文就是以db1小波基為基底的小波包進行分解重構信號。

步驟3，采用分段三次Hermite多項式對重構的泄漏電流反射波信號進行插值，并將正反向泄漏電流反射波信號進行分離，得到泄漏電流反射波信號的極大值包絡線和極小值包絡線；設{(tk，xk)}(k=0，1,…,N)有N+1個點，其中，a=t0

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式中：Hj(j=1,…,4)表示Hermite基函數(shù)。將重構后的信號進行正反向波的分離，利用分段三次Hermite多項式插值擬合正反向行波得到極大值包絡線和極小值包絡線。通過對所述故障行波電流信號按包頻帶進行正交分解，并進行重構，可以對所述故障行波電流信號進行濾波處理，并對每一層中各頻帶進行重新分配，只包含相應頻帶的信號，這樣信號的特征更加明顯，再通過插值提取極值包絡線，從而準確得到故障行波電流信號的到達時間。

為分析該故障定位方法的誤差，本文將故障點位置分別設置在距離線路首端測量點50～450 m處，使用上述仿真和故障定位方法，測量到的行波到達時間與定位結果見表2。

表2 故障定位結果
Tab.2 Fault location results

故障位置/mt1/μst2/μsΔt/μs計算距離/m誤差/%500.683.382.7050.200.401001.353.382.0399.780.201502.033.381.35150.100.082002.703.380.68199.680.162503.413.38-0.03247.780.893004.053.38-0.67299.580.143504.733.38-1.35349.900.034005.413.38-2.03400.230.094506.083.38-2.70449.800.04

從表2可知，故障點位置分別在50～450 m處，故障行波到達首末兩端測量點的時間，計算得到的故障距離及故障定位的誤差。故障行波反射信號到達測試首端的到達時間與故障點位置有關，而在首端產(chǎn)生的脈沖信號到達測試電纜末端的到達時間只與電纜長度有關，仿真結果均為3.38 μs，表明該仿真計算方法結果穩(wěn)定。故障點位置的計算距離與故障點設置距離的誤差不超過5 m (1%)。以上結果表明，基于OWTS的短路故障定位有較高的定位精度，理論上的定位誤差不超過1%，利用HFCT套接在電纜本體有較好的電流檢測效果。

2.3 基于OWTS的高壓交聯(lián)電纜短路故障試驗驗證

選取武漢供電公司電纜工區(qū)的一條110 kV試驗電纜，電纜線芯截面1 000 mm2，線路全長215 m，模擬故障點位置設置在距離線路首端100 m處位置，試品電纜的接線方式如圖6所示，現(xiàn)場檢測與故障定位流程如圖10所示。

圖10 試驗電纜線路現(xiàn)場檢測與故障定位流程Fig.10 Process of the on-site testing and fault location for the test cable

首先將測試電纜與OWTS連接，高壓直流發(fā)生器緩慢升壓到15 kV后，對測試電纜施加交流振蕩波電壓，在測試電纜的首端記錄HFCT采集到的信號波形，最后根據(jù)行波的到達時間即可計算出故障點距離。

在HFCT上測量到的電流波形如圖11所示。

圖11 試驗電纜上檢測到的電流信號波形Fig.11 Current waveform detected on the test cable

從圖11可以明顯看出， 暫態(tài)行波信號疊加在故障通道電流之上，盡管試驗環(huán)境內(nèi)存在一定程度的噪聲干擾，基于小波包多尺度分析的信號處理方法能夠清晰的分辨出振蕩波反射波首波到達時間為1.35 μs，并且與行波到達時間的仿真計算結果一致，從而驗證了該基于OWTS的高壓交聯(lián)電纜短路故障定位方法的可行性。

3 結論

本文根據(jù)OWTS原理，提出了1種高壓交聯(lián)電纜的短路故障定位方法，并根據(jù)電磁信號在電纜線路中的傳播和耦合特性，改進了信號測量的電磁耦合法，使之更準確地測量故障信號。在對一段長500 m的高壓電纜故障定位的仿真結果表明，基OWTS的短路故障定位有較高的定位精度，理論上的定位誤差不超過1%，利用HFCT套接在電纜本體有較好的電流檢測效果。本文選取了一條110 kV試驗電纜對故障定位方法進行了驗證，結果表明，基于小波包多尺度分析的信號處理方法能夠清晰地分辨出振蕩波反射波首波到達時間，并且與行波到達時間的仿真計算結果一致，該故障定位方法是可行有效的。