電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究

1、鄭州大學碩士學位論文電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究姓名：白春濤申請學位級別：碩士專業(yè)：電力系統(tǒng)及其自動化指導教師：許珉20070501電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究摘要采用電力電纜供電具有安全、可靠、美化城市布局等優(yōu)點。隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力電纜在城市配電系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應用。隨著電纜應用數(shù)量的增多及運行時間的不斷增長，電力電纜發(fā)生故障越來越頻繁，給用電企業(yè)和用戶帶來巨大的損失。因此，快速準確的檢測電力電纜故障，找到故障位置，對于保證用戶的用電質(zhì)量具有十分重要的意義。目前在電力電纜故障測距中廣泛采用行波法，其優(yōu)點是定位的準確性在理論上不受故障類型的影響。但是由于線

2、芯絕緣介質(zhì)損耗引起的行波信號衰減，中間接頭等的反射和其他干擾等因素，直接實現(xiàn)自動測量較困難，一般是依靠操作人員在測距儀器的顯示屏上將故障信號的波形調(diào)整到合適的大小，再把光標分別移動到發(fā)射脈沖和反射脈沖的起始點，計算出故障距離。此方法用戶用起來常感不方便且定位精度與使用者的經(jīng)驗有關，智能化程度較低，故障定位時各種干擾和接頭的反射也給故障點的識別和定位帶來困難。本文提出了一種基于低壓脈沖反射法測量電力電纜故障的智能自動定位方法，該方法將故障反射波整形為矩形脈沖，通過設置門檻電壓來克服電纜中間接頭的反射，利用相關函數(shù)，對信號進行相關處理，消除其他各種干擾的影響，能自動計算電纜故障距離，自動判斷電纜的

3、低阻短路故障和開路故障。此方法在基于虛擬儀器的電纜故障測距儀上進行了軟件實現(xiàn)，針對電力電纜進行了實測試驗，實測結果驗證了該方法的有效性和正確性。設計了基于虛擬儀器的智能化電力電纜故障測距儀。采用普源科技公司的型儀器，配合電纜測試脈沖信號發(fā)生器和筆記本電腦組成測距系統(tǒng)的硬件。采用可視化編程語言，開發(fā)了基于虛擬儀器的數(shù)字化測距系統(tǒng)的人機使用界面。并編寫了包括儀器初始化、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)處理等模塊的軟件。整個系統(tǒng)結構合理、性能可靠、集成度高、安裝方便，充分體現(xiàn)了虛擬化的測量儀器的優(yōu)點。借助仿真平臺，建立了低壓脈沖法故障仿真模型，得到了電纜短路故障與開路故障低壓脈沖法故障波形圖。并

4、采用本文提出的測距算法對仿真波形進行處理，驗證了該方法的可行性。關鍵詞低壓脈沖反射法，自動故障定位，虛擬儀器，相關函數(shù)，仿真鄭州大學學碩：論文，鵬，仕，嬲，圮田：，皂力乜纜故障低壓脈沖自動測距方法研究咄玎百硒韶弘砸岱】鷸、，孕鶴蛐盯，曲刪，曲壩曲叼蜥伽￥刪，刪勰盯叫棚叫，腳。，幽也，咖砌，齜虹，電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究緒論研究的意義隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力電纜在城區(qū)配電網(wǎng)中得到了越來越廣泛的應用。同架空線相比，電力電纜具有供電可靠性高，不受地面和空間建筑物的影響，不受惡劣氣候和鳥類侵害，安全、隱蔽、耐用，維護工作量小，防潮，防腐和防損傷等優(yōu)點。城鎮(zhèn)市區(qū)人口稠密區(qū)、大型工廠、

5、發(fā)電廠、交通擁擠區(qū)、電網(wǎng)交叉區(qū)等地方要求供電占地面積較小，一般多采用電纜進行供叫”。隨著電纜應用數(shù)量的增多及運行時間和負荷的不斷增長等原因，電力電纜發(fā)生故障越來越頻繁。由于電纜線路大多敷設在電纜溝內(nèi)或埋入地下，一旦發(fā)生故障，尋找起來十分困難，往往要花費數(shù)小時，甚至幾天的時間。不僅浪費了大量的人力、物力，而且還會造成難以估量的停電損失。因此迅速、準確地確定電力電纜故障點，可以減少停電時間，提高供電可靠性，減少故障修復費用及停電帶來的損失。電纜發(fā)生故障后一般不能通過直觀法直接發(fā)現(xiàn)故障點，只能采用專用儀器測試才能判斷故障性質(zhì)和故障距離。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種實用的測距方法，其中以行波法應用最為廣泛，利用

6、行波法可以較準確的進行各種故障測距，減小了故障定點的工作量，有利于快速發(fā)現(xiàn)故障點和排除故障，及時恢復系統(tǒng)運行，減小由于電纜故障而帶來的經(jīng)濟損失。深入研究電纜故障測距技術，利用計算機、現(xiàn)代信號處理技術對行波法測距系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進行有效的處理，從而實現(xiàn)電纜故障的自動定位具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電力電纜的使用已經(jīng)有一百多年的歷史，隨著科學技術的進步，經(jīng)過國內(nèi)外學者幾十年的探討和研究，電纜故障測距技術也取得了長足的發(fā)展，向著測距精度高，自動化程度高，故障定位迅速的目標邁進。產(chǎn)生了多種故障測距方案。阻抗法阻抗法通過測量電纜線路單端或雙端電壓電流值，根據(jù)故障距離是故障電流塑型盔蘭三

7、蘭竺：三笙蘭電壓的函數(shù)列寫特定的故障測距方程，求得故障距離來實現(xiàn)故障定位。基于阻抗法原理的測距方案大致有經(jīng)典電橋法，單端電壓電流值算法和雙端電壓值算法。經(jīng)典電橋法【】的理論基礎為電纜線路的集中參數(shù)模型，即同種規(guī)格的電纜芯線電阻與長度成正比。將被測電纜故障相與非故障相短接，電橋兩臂分別接故障相與非故障相。調(diào)節(jié)電橋兩臂上的一個可調(diào)電阻器，使電橋平衡，利用比例關系和已知的電纜長度就能得出故障距離。電橋法的優(yōu)點是原理簡單，精度較高，但是它的適用范圍小，主要應用于電纜低阻故障測距，不能用于高阻和閃絡性故障，因為高阻和閃絡性故障流過檢流計的電流非常小，一般靈敏度的檢流計很難探測這樣小的電流。電橋法必須已知

8、電纜準確長度，當一條電纜線路內(nèi)由導體材料或截面不同的電纜組成時，還要進行換算。電橋法不能測量三相短路故障。單端電壓電流值算法的理論基礎為電纜線路的分布參數(shù)模型。將正弦高壓信號施加于帶高阻故障的電纜，使高阻故障點閃絡，此時故障點的高阻故障就變?yōu)殡娀‰娮?。根?jù)電弧是電阻性這一特性，流過故障點的電流和故障點兩端的電壓同相位，采集線路首端的電壓與電流后，基于分布參數(shù)線路理論就可以求出沿線路各點的電壓與電流，推導出定位方程，從而定位故障點【】。該方法基于嚴格的理論方程推導，現(xiàn)場工頻電場的干擾，電弧非純電阻性而是非線性等因素均影響其測距精度。雙端電壓值算法【，的原理為利用線路的長線方程，分別由兩端求得的故

9、障點電壓幅值應相等。采集兩端電壓信號，根據(jù)故障時沿線電壓的分布規(guī)律，使用搜索迭代法計算故障點位置。由于采用電壓幅值，故不要求雙端采集電壓信號的同步。理論上是可行的，仍然受測量系統(tǒng)固有誤差的影響。行波法行波法測距的理論基礎為電壓電流行波沿傳輸線傳播的波過程。以電纜線路的分布參數(shù)建立模型，根據(jù)行波在測量端與故障點之間的傳播時間及行波在傳輸線上的傳播速度經(jīng)簡單計算來確定故障位置?；谛胁ǚā镜臏y距方案有低壓脈沖反射法，脈沖電壓法，脈沖電流法，二次脈沖法。低壓脈沖反射法主要用于低阻短路和斷線故障測距【”。首先向故障電纜首端注入脈沖電壓信號（電壓信號可以選擇階躍電壓或脈沖電壓），通過測量入射電壓行波和反

10、射電壓行波的時間差來進行測距，測距公式為工：即為故障距離，為入射行波和反射行波之間的時間差，為行波在電纜中的傳播速度。低壓脈沖反射法的優(yōu)點是原理簡單、直觀，不需要詳細的電纜原皇壟皇壟墊壁堡量壁鯊皇墊翌翌立生翌塞始資料，根據(jù)反射脈沖的極性可以分辨故障類型，還可以根據(jù)脈沖反射波識別電纜接頭與分接點的位置。缺點是不能用于測量高阻與閃絡故障。脈沖電壓法又稱閃測法，針對高阻和閃絡性故障，利用直流高壓或脈沖高壓信號擊穿電纜故障點，由放電電壓脈沖在觀察點與故障點之間往返一次的時間來進行測距。脈沖電壓法的優(yōu)點是不需要將高阻與閃絡性故障燒穿，直接利用故障短時擊穿產(chǎn)生的瞬間脈沖信號進行測距，測試速度快，測量過程簡

11、單易行，已經(jīng)成為測量電纜高阻和閃絡性故障的重要方法。缺點是安全性差，儀器與高壓回路有電耦合，易發(fā)生高壓信號竄入，損壞儀器，危及人身安全。用該方法測距時，高壓電容對脈沖信號呈短路狀態(tài)，需要串入電阻或者電感以便產(chǎn)生電壓信號，這樣就降低了高壓電容放電時加在電纜上的電壓，使故障點不容易擊穿。故障放電時，分壓器禍合的電壓波形變化不尖銳，不易分辨。脈沖電流法【堤在脈沖電壓法的基礎上發(fā)展起來的，采用線性電流耦合器采集電纜中的電流行波信號。測試時將電纜故障點用高電壓擊穿，使用儀器采集并記錄下故障點擊穿產(chǎn)生的電流行波信號，通過分析判斷電流行波信號在測量端與故障點往返次所需時間來計算故障距離。由于通過線性電流耦合

12、器測量電流脈沖信號，無需電容與電纜間串連阻抗，與高壓回路無直接電氣連接，因此保證了儀器和測量人員的安全，已經(jīng)成為高阻和閃絡性故障測距的主流方法，但是這種方法存在盲區(qū)，有時波形不夠明顯，需要靠人為判斷，儀器誤差較大。二次脈沖法（）原理是由回波儀釋放一個發(fā)射脈沖，在高阻或間歇性電纜故障點不能被反射，儀器將顯示整個電纜長度的波形存儲起來，稱此波形圖為“完好軌跡”。設備高壓電容器放電，使電纜故障點發(fā)生閃絡，故障點的電弧表現(xiàn)為阻值非常低的電阻。同時回波儀被觸發(fā)送出第二個發(fā)射脈沖（低壓脈沖，這個加在高壓信號上的脈沖將從故障點反射。帶自動數(shù)據(jù)處理的回波儀存儲該故障點反射波形，并將完好軌跡和故障軌跡進行疊加，

13、兩條軌跡將有一個清楚的發(fā)散點。這個發(fā)散點就是故障點的反射波形點。二次脈沖法的優(yōu)點是，可以避開故障點閃絡時引起強烈的電磁干擾；低壓脈沖寬度可以調(diào)節(jié)；較長線路也能記錄到清晰的信號波形，提高測量精度。缺點是：所用儀器較多；由于故障點電阻要降到很小的數(shù)值，如果故障點受潮嚴重，故障點擊穿過程較長，測試時間相應增加，故障點維持低阻狀態(tài)的時間不確定，施加二次脈沖的控制有難度【。其他測距方法隨著科技的不斷進步和對電纜故障測距研究的深入，國內(nèi)外學者提出許多采用先進的技術手段進行故障測距和診斷的新方法。日本學者采用脈沖電流法，由光纖電流互感器感應出故障時產(chǎn)生的浪涌電流莖型盔主??；蘭竺絲苧信號，利用采集速度為的快速

14、技術實現(xiàn)測距，其原理【刀為：當電纜發(fā)生故障時，故障點產(chǎn)生浪涌電流向電纜兩端傳播，當浪涌電流到達測試端時，對應時刻分別為和島，傳播時間差一乞，設故障點到測試端的距離為工，式中為電纜總長，為浪涌電流在電纜中的傳播速度。由于浪涌電流是一個短暫的過程，該系統(tǒng)采用了光磁傳感器測量，采用采樣率為的高速轉(zhuǎn)換器對浪涌波形進行采樣，形成數(shù)據(jù)，以便更精確地確定浪涌電流到達的時間差。浪涌電流在電纜傳播過程中，由于頻率不同衰減不同，發(fā)生色散現(xiàn)象，因此浪涌波形發(fā)生畸變，上升時間也產(chǎn)生延遲。浪涌電流達到比較值之前的延遲時間，對傳統(tǒng)方法來說，是產(chǎn)生故障測距誤差的一個重要原因。然而，在該處理方法中，未達到比較值的電流波形也被

15、記錄在預觸發(fā)存儲器中，這樣就可以分辨浪涌波形中的上升點，避免發(fā)生測距誤差。波形可以保存為數(shù)據(jù)文件，以便以后的分析和處理。該系統(tǒng)在電纜在線故障測距領域取得重大進展，精度離實際要求相差不大，能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障，減少停電損失。缺點是浪涌電流在傳播過程中的色散現(xiàn)象以及外界的電磁干擾，會使測距出錯。浪涌電流的速度取經(jīng)驗值無疑也將影響測距精度。美國學者為了克服高壓脈沖法有可能對電纜的健全部分進一步造成危害的缺陷，也提出了在線故障測距方法射。出發(fā)點是將環(huán)形線開路或在線路末端設置開路點，利用故障時產(chǎn)生的浪涌電壓或電流在開路點發(fā)生正或負的全反射，通過設于開路點附近的傳感器得到脈沖信號，測出其脈沖問隔時間實現(xiàn)測距。

16、日本的藤倉電線公司研制出帶全球定位系統(tǒng)（）的故障測距系統(tǒng)【。在該系統(tǒng)中，同樣采用故障浪涌到達電纜兩端的時間差來定位的。同步衛(wèi)星裝配有高準確度的原子時鐘，保證了時間、位置等信息的高度準確性。當故障點產(chǎn)生浪涌電流，向電纜兩端傳播，到達兩端時，被安裝在電纜兩端的光磁傳感器檢測到，再通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，傳送到波形處理器，達到一定幅值的計數(shù)值被波形處理器記錄下來，接收器把與數(shù)據(jù)對應的時刻值送交處理，然后通過和電話線傳送到主站。英國學者提出了利用基于脈沖電流法的實時專家系統(tǒng)，矧來實現(xiàn)電纜的故障定位。專家系統(tǒng)，即用計算機來模擬專家思維，解決某一領域內(nèi)的重大問題。電纜故障測距專家系統(tǒng)將專家知識庫作為電

17、腦的基本數(shù)據(jù)庫，用一套規(guī)則來維護和更新該知識庫。知識庫可以從以往的故障事件中提取，并可以在實際應用中進行修改。專家系統(tǒng)有良好的人機界面，能夠給出所作決策的論據(jù)。電力電縫故障低壓脈沖自動測距方法研究數(shù)字信號處理在電纜故障測距中的應用除了設計更完善的電纜故障測距方案，制造和采用更精密的測量及其他硬件設備外，對采樣數(shù)據(jù)進行科學有效的處理，從軟件的角度提高故障測距精度也是眾多學者研究的熱點課題。出現(xiàn)了小波分析法哪能】，曲線擬合法剛，相關法【】等數(shù)據(jù)處理算法。行波法電纜故障測距的關鍵是暫態(tài)故障特征的提取，即放電脈沖與反射脈沖的準確定位。小波分析中的多尺度分析思想，具有可調(diào)的時頻窗，即時頻局部化特征，被譽

18、為數(shù)學“顯微鏡”。小波具有自動“聚焦”性能，因此在處理非平穩(wěn)暫態(tài)信號等領域具有它獨特的優(yōu)勢。文獻【】是在脈沖電流測試法的基礎上，針對測距系統(tǒng)采集的行波信號引入小波變換，把錄波數(shù)據(jù)進行尺度小波分解與重構，再對重構信號進行尺度小波分解，在分解各尺度上檢測模極大值，以確定放電脈沖和反射脈沖的起始點和砭，然后由下式計算故障距離：。掣式中墨和指離散采樣點，指采樣頻率，是脈沖傳播速度。小波分析方法一般可以較好地確定反射波起始點，但是如果反射波上升沿較緩，奇異性較弱時，使用小波方法確定起始點也會帶來較大誤差，分解層數(shù)和母小波的選取等都會對測距結果產(chǎn)生影響，有可能會出現(xiàn)測距誤差較大，甚至出現(xiàn)反射波起始點不能確

19、定的情況。針對低壓脈沖法故障測距中，由于電纜本身存在著損耗，導致反射波波形發(fā)生畸變，上升沿變緩，寬度增加，不利于反射波起始點的正確識別問題。文獻提出利用二次曲線擬合方法確定反射波起始點，即對反射脈沖上升沿的中間段數(shù)據(jù)做二次曲線擬合，確定其視在起始點，通過視在波速建立電纜故障點與反射波視在起始點間的聯(lián)系，結果表明可以提高測距精度。相關法也是檢測反射波起始點的常用方法，因為電纜故障定位中反射脈沖是電纜入射脈沖的響應，在均勻無損傳輸線的條件下兩者之間只是存在時間延時，而其它特性完全相同，即兩者是完全相關的，利用這一特性可以在采集的波形中找出反射脈沖的起始點。實際電纜為有損耗傳輸線，從現(xiàn)場測量結果可以

20、看出反射波相對于入射波來說波形發(fā)生了明顯畸變，由于高頻分量的衰減導致反射脈沖上升沿變緩、寬度變大，入射波和反射波的相關性大大降低，因此采用相關法會產(chǎn)生較大誤差。鄭州大學學碩論文本文研究內(nèi)容及所做的工作通過閱讀大量國內(nèi)外文獻了解了當前電纜故障測距研究的現(xiàn)狀。為了實現(xiàn)電纜故障測距的精確性和縮短測距過程所需的時間，專家學者從軟件和硬件不同的角度進行了探索，產(chǎn)生了各種研究性的成果，但是大多仍處于理論研究階段，或者由于技術水平和生產(chǎn)成本的限制，一些采用先進技術的測距方案在相當長的時間內(nèi)不能真正大面積推廣。目前現(xiàn)場廣泛采用行波法測距方案。實際的故障測距儀器，由于線芯絕緣介質(zhì)損耗引起的行波信號衰減，中間接頭

21、等的反射和其他干擾等因素，直接實現(xiàn)自動測量較困難，一股是依靠操作人員確定放電脈沖和反射脈沖的起始點。具體的方法是在測距儀器的顯示屏上將故障信號的波形調(diào)整到合適的大小，再把光標分別移動到放電脈沖和反射脈沖的起始點，計算出故障距離。此方法用戶用起來常感不方便且定位精度與使用者的經(jīng)驗有關。本文針對低壓脈沖反射法提出一種自動故障測量方法，在基于虛擬儀器嗍的故障測距儀上采用軟件抗干擾方法處理采集的波形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障自動定位及故障類型的自動判斷。本文所做的主要工作：（）研究和學習行波法測距的理論基礎即電纜傳輸線的波過程，建立電纜線路分布參數(shù)模型的基礎上，分析了行波的反射和透射現(xiàn)象。對行波法測距的實用方案進

22、行了分析。（）針對低壓脈沖反射法測距系統(tǒng)采集的波形，存在中間接頭干擾，高頻分量干擾和其他干擾，采用將發(fā)射波與反射波整形，設最門檻電壓及信號的相關運算等一系列軟件抗干擾方法，消除中間接頭反射，高頻分量和其他干擾對測距精度的影響。實現(xiàn)了故障自動定位和故障性質(zhì)的自動判斷。針對電力電纜進行了實測試驗，實測結果驗證了該方法的有效性和正確性。（）設計了基于虛擬儀器的智能化電力電纜故障測距儀。硬件部分采用普源科技出品的型儀器，配合電纜測試脈沖信號發(fā)生器和筆記本電腦，并采用高性能可充電電池為外接獨立電源可連續(xù)工作。軟件部分采用為可視化編程語言，結合電力電纜故障測距的特點，設計了基于虛擬儀器的數(shù)字化測距系統(tǒng)的人

23、機使用界面。并編寫了包括儀器初始化、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)處理等模塊的軟件。（）基于仿真平臺，對低壓脈沖反射法的原理進行了仿真研究，并對仿真波形采用上述軟件抗干擾方法進行處理，驗證上述方法的可行性。電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究電纜線路行波測距理論分析引言目前現(xiàn)場廣泛采用行波法進行電力電纜故障測距。行波法測距的理論基礎為電壓電流行波沿傳輸線傳播的波過程。因此本章介紹電壓、電流波在電纜線路里傳播的行波理論，以便更深入的理解基于電壓、電流波傳播原理的電纜故障測距技術。電纜的長線模型與等效電路電力電纜屬于傳輸線的一種，傳輸線本身的長度，遠遠長于它所傳播的電波的波長五（即，）時，此

24、時傳輸線稱為長線。由于脈沖電壓行波中含有大量的高頻分量（脈沖電壓行波寬度越窄，上升沿越陡，則高頻分量越大），這些高頻分量的波長相對于電纜長度來說很小。傳輸電纜隨著所傳送行波的電壓和頻率的升高，芯線和外皮間的位移電流和漏電流就越來越不可忽略。另外，芯線中的電流不僅會因?qū)Ь€有直流電阻麗在導線上產(chǎn)生電壓降，而且還會產(chǎn)生交變磁場，此磁場又會感生出自感電動勢一；。因此，行波在電纜中的傳輸過程不能簡單地講用集中參數(shù)模型對電纜的暫態(tài)行波過程進行分析，而是應該把電纜近似看成由許許多多的電阻、電導、電容和電感元件（等效元件）按圖聯(lián)接方式組成。這些元件的參數(shù)稱為電纜傳輸線路的分布參數(shù)。由這些等效元件聯(lián)接構成的模型

25、即為電纜分布參數(shù)模型，它是集中參數(shù)元件構成的極限情況。每一段處于工作狀態(tài)的電纜傳輸線路（等效長線）的等效電路，如圖所示。圖電纜的等效電路簽叢盔蘭三：蘭里圭絲蘭由于電阻、電導、電容和電感這些參數(shù)是分布在傳輸線上的，因此用單位長度上傳輸線的參數(shù)表示，即：勵單位長度具有的電阻，其單位為。厶單位長度具有的電感，其單位為。單位長度導線之間的電容，其單位為。函單位長度導線之間的電導，其單位為。和的存在導致波形發(fā)生衰減，當，、時，稱為無損線。厶和是惰性元件，所以從傳輸線一端施加電壓后另一端不能立即得到電壓。因為厶中不能立即產(chǎn)生電流，電容上的電壓也不能立即建立，而要經(jīng)過一定時間使厶中的電流和上的電壓建立起來，

26、最后使另一端得到電壓。所以，電波從一端傳播到另一端將會有一定的延時，也就是說電波在電纜中傳播有一定的速度。電纜線路上傳播的電壓、電流波以一定的速度運動，把運動方向與規(guī)定方向一致的行波，稱為正向行波；把運動方向與規(guī)定方向相反的行波稱為反向行波。假定一電纜線路，如圖所示，規(guī)定距離坐標的方向從端到端，則線路上向著端運動的行波即為正向行波，而向著端運動的行波即為反向行波】。一人人圖正向波與反向波電纜的傳輸特性參數(shù)電纜的波速度行波在電力電纜中傳播時，從一端傳到另一端需要一定的時間，電纜長度與傳播時間之比，稱為波速度礦。設電纜的兩個端點，之間的距離為，行波從端傳播到端的時間為，則行波的傳播速度為：經(jīng)分析可

27、知，電纜中行波的波速度可表示為：電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究阽赤去其中：一光的傳播速度，；一介質(zhì)相對導磁系數(shù)；一介質(zhì)相對介電系數(shù)?？梢?，電纜的波速度只與電纜的絕緣介質(zhì)的性質(zhì)有關，而與導體芯線的材料及截面積無關，對于不同導體材料制成的電纜，只要絕緣介質(zhì)相同的，其波速度是不變的。表示出不同絕緣介質(zhì)的電纜中脈沖波速度的參考值。表電纜中脈沖波速度參考值電纜的波阻抗電纜作為傳輸線用于連接電源和負載，對于終端匹配的電纜，其輸入端的電壓與電流之比就是電源的集中阻抗。當電壓波從電纜始端向前運動時，對分布電容不斷充電產(chǎn)生伴隨的向前運動的電流波，對電壓、電流之間的關系，用波阻抗（也稱特性阻抗）來描述。經(jīng)分

28、析可得：壓厶、除了與電纜所用介質(zhì)材料、介電系數(shù)與導磁系數(shù)有關外，還與電纜芯線的截面積和芯線與外皮之間的距離有關。所以，不同規(guī)格和種類的電纜，其波阻抗也不同。電纜芯線的截面積越大，波阻抗值越小。一般電力電纜的波阻抗值在之間。塑型丈蘭三蘭鎏圭笙苧對于正向電壓波以與電流波之間，滿足關系：。“。對于反向電壓波以與電流波之間，則有：沙由上可看出，正向電壓、電流波同極性，而反向電壓、電流波反極性。假設電壓行波極性為正，則線路上電流行波的流動方向就是電壓行波的流動方向。電纜的波阻抗與電纜本身的結構與絕緣介質(zhì)及導體材料有關，而與電纜的長度無關，即使很小一段電纜，它的波阻抗也處處相等。波阻抗是電纜中一對正向或反

29、向電壓、電流波之間的幅值之比，而不是任一點電壓、電流瞬問幅值之比，因為電纜任一點電壓、電流的瞬時值，是通過該點的許多個正向與反向電壓、電流行波相迭加而形成的。行波波動方程與正弦穩(wěn)態(tài)解行波波動方程計氕仃坡措電纜線路傳猜酮圾短程時，米用甩纜線蟠明分碲參毅模型，則貓線各點電壓“和電流既是時間的函數(shù)，又是空間工的函數(shù)。設電纜上某一點到始端的距離為，利用節(jié)點電流方程，節(jié)點電壓方程“。在膏處有如下的電壓電流方程組：鏟塞。礎螞出妻塞踟州甜罷出妄宴糾盤戧講（：）略去上式中的二階無窮?。ǎ╉棽⒄砗蟮茫阂讳z氟厶卜“（）?？媾革虬?，一籌娟罷急，對無損耗線，上式可以化簡為：電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究一窘

30、厶蠆：一面“蠆一爭厶霧一萬。“薩式（）即為電壓電流對應的波動方程，其通解為：“（而）甜（“一）（，）（）（。（）一站一訂，、，一，力甜一上乙土磊石訂對于式（）的表達式的理解【】：以“（）為例，礦（）表示是變量的函數(shù)，其定義為：當時，礦一工訂；當時，礦（），假定當時，線路上位置為五的這一點的電壓函數(shù)為心，如圖所示，當時，變，時，具有相同電壓值甜。的點必定滿足：一互：厶一量一號乞一詈圖前行電壓波傳播示意圖也就是說要求為常數(shù)，得到，可以看出是速度。對于固定的電壓值來說，它在導線上的橫坐標是以速度向石正方向移動的，因此“（）可以理解為一個以速度向正方向移動的電壓波。同樣“一）可以看成是一個以速度向工負

31、方向移動的電壓波。礦、“一分別被稱為前行電壓波、反行電壓波。同理、一被稱為前行電流波、反行電流波。波動方程正弦穩(wěn)態(tài)解任意行波在電纜中的傳播均滿足波動方程，設電纜始端輸入為角頻率為的一鄭州大學學碩論文正弦時剮函數(shù)電壓，即入射電壓為正弦波，可得：詈咖響陪劬力氏”魂【缸一警，毗吧）一警汲娟）該方程的一般解為：海二爹其中互為傳輸線的特性阻抗：為傳播系數(shù)：（），（）（）乙糌叫口由（）式可以看出傳輸線上任一點的電壓和電流是由兩個分量構成的，方向以始端指向終端為參考方向，這兩個分量分別稱為入射分量和反射分量，即：（，一【“一阿其中：、，為電壓和電流的入射分量；可、，一為電壓和電流的反射分量。由此可見，傳輸線

32、上任一點的電壓和電流是入射波和反射波分量的疊加和。反射波分量降低了傳輸線的傳輸效率。所以正常情況下是不希望傳輸線上存在反射分量。反射波的大小可以用反射系數(shù)來衡量。反射系數(shù)按下式定義：電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究烈曲：孕：善自其中工為行波反射點與始端的距離，設石，時，、，代入（）式中可求出待定系數(shù)、的表達式為：去，）”（）將（）式代入（）式可得：；（芝毛礦“扣乙咖“）扣一址帥）（）；（芝和訓卅將傳輸線終端的電壓：和電流：作為邊界條件，此時用某點到終端的距離一表示該點的位置，得，一，由（）式可得：乙，扣一磅（）：（芝“【瓦糾州得反射系數(shù)：、：礦設終端負載阻抗為：，則有：礦由反射系數(shù)的公式，

33、當電力電纜發(fā)生短路、斷路及低阻故障時其故障點的反射情況如下：短路當電纜出現(xiàn)短路時，從故障點向負載看去其等效阻抗為零，即相當于阻抗，。假設故障點為電纜末端，則工，根據(jù)公式求出電壓反射系數(shù)：以箍一筆叫短路點反射電壓與入射電壓大小相等，方向相反，故障點的合成電壓為。說明行波到達短路點后，電場能量全部轉(zhuǎn)化為磁場能量。斷路當電纜出現(xiàn)斷路點時或行波運動到電纜的開路終端時，從斷路點向負載看去等效阻抗無窮大。如果將該點視為終端，則，寸，。求得反射系數(shù)：烈啦精旬斷路造成全發(fā)射，電壓反射波與入射波同極性。實際的開路點電壓是入射電壓與反射電壓之和，因此出現(xiàn)電壓加倍現(xiàn)象。電纜中出現(xiàn)低阻故障電纜中問出現(xiàn)低電阻故障時，設

34、故障電阻兩邊的電纜分別用大小等于波阻抗值的電阻來代替。故障點的電壓反射系數(shù)為：以砷一雨石伽其中，為故障點等效阻抗。其中了為故障點與線路始端的距離，由上式可見以曲，反射系數(shù)不為零，說明在該點將會發(fā)生波的反射現(xiàn)象。綜上所述，故障點存在會使該點的波阻抗發(fā)生變化，行波在該點會發(fā)生反射現(xiàn)象，行波在傳輸線中的傳播速度是定的，通過測量入射波和反射波之間的時間差，就可以得到故障點的距離。由于電纜本身存在著損耗，行波在電纜中傳輸會發(fā)生畸形現(xiàn)象，實際波形與理想波形相比會有很大的差距。本章小結本章分析了電力電纜的長線模型與等效電路，得出了電力電纜主要傳輸參數(shù)的計算公式，根據(jù)分布參數(shù)電路中行波波動方程與正弦穩(wěn)態(tài)解，推

35、導出了行波在電纜故障點的電壓反射系數(shù)。為行波法電纜故障測距技術的分析和仿真研究打下了理論基礎。電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法研究電纜故障測距的實用方法引言由于電力電纜多埋于地下，發(fā)生故障情況及埋設環(huán)境比較復雜，對電纜故障點的準確定位需要按照一定的程序，選擇合適的方案和儀器進行。雖然研究性的成果很多，但是大多處于理論研究階段，或者因為技術和成本的限制，一些采用先進技術的測距方案在相當長的時間內(nèi)不能真正大面積推廣。本章將介紹目前現(xiàn)場廣泛使用的電纜故障探測的實用性方法。電纜故障的原因由于電力電纜的本體是由純凈的材料在凈化環(huán)境罩連續(xù)制造而成的，其絕緣結構和尺寸的制造誤差很小，通?？梢院喕癁槔硐胪S電

36、容器結構。在交變電場下，內(nèi)部電場分布比較均勻，介質(zhì)中任意一點的電位均滿足泊松方程】。理論上認為，電力電纜受外界環(huán)境因素和人為因素影響較小，安全運行的可靠性很高。但是，由于電纜的中間接頭和終端通常是在電纜施工敷設現(xiàn)場人工制作安裝，容易遺留電纜運行故障隱患。長期積累的電力電纜運行經(jīng)驗和試驗研究結果證實：電力電纜附件是電纜線路中絕緣結構相對薄弱、容易發(fā)生運行故障的部分。其次，電力電纜在制造、敷設施工、運行維護過程中，不可避免地會出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、過負荷運行以及外力破壞等問題，也是導致電纜線路中電纜本體發(fā)生運行故障的直接原因。一般將電纜發(fā)生故障的原因分為以下幾類【】：機械損傷機械損傷引起的電纜故障占電纜事

37、故的很大比例。有些機械損傷很輕微，當時并沒有造成故障，但在幾個月甚至幾年后損傷部位才發(fā)展成故障。造成機械損傷的原因可分為：）安裝時損傷：在安裝時不小心碰傷電纜，機械牽引力過大而拉傷電纜，或電纜過度彎曲而損傷電纜。）直接受外力損傷：在安裝后電纜路徑上或電纜附近進行城建施工，使電纜受到直接的外力損傷。）行駛車輛的震動或沖擊性負荷會造成地下電纜的鉛包裂損。）因為自然現(xiàn)象造成的損傷：如中間接頭或終端頭內(nèi)絕緣膠膨脹而漲裂外殼或電纜護套；因電纜自然行程使裝在管口或支架上的電纜外皮擦傷；因土地下沉引起過大拉力，拉斷中間接頭或?qū)w。絕緣受潮絕緣受潮后會引起故障，造成電纜受潮的主要原因有：）接頭盒或終端盒結構不

38、密封或安裝不良而導致進水。）電纜制造不良，金屬護套有小孔或裂縫。）金屬護套因被外物刺傷或腐蝕穿孔。絕緣老化變質(zhì)電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙在電場作用下產(chǎn)生游離使絕緣下降。當絕緣介質(zhì)電離時，氣隙中產(chǎn)生臭氧、硝酸等化學生成物，腐蝕絕緣層；絕緣層中的水分使絕緣纖維產(chǎn)生水解，造成絕緣下降。過熱會引起絕緣老化變質(zhì)。電纜內(nèi)部氣隙產(chǎn)生電游離造成局部過熱，使絕緣層碳化。電纜過負荷是電纜過熱很重要的因素。安裝于電纜密集地區(qū)、電纜溝及電纜隧道等通風不良處的電纜、穿在干燥管中的電纜以及電纜與熱力管道接近部分等都會因本身過熱而使絕緣層加速損壞。過電壓大氣與內(nèi)部過電壓作用，使電纜絕緣層擊穿，形成故障，擊穿點一般存在材料缺陷。設

39、計和制作工藝不良中間接頭和終端頭的防水、電場分布設計不周密、材料選用不當、工藝不良、不按規(guī)程要求制作等，會造成電纜頭故障。材料缺陷材料缺陷主要表現(xiàn)在三個方面。一是電纜制造問題，鉛（鋁）護層留下的缺陷；在包纏絕緣層過程中，紙絕緣層上出現(xiàn)裂損、破口和重疊間隙等缺陷；二是電纜附件制造上的缺陷，如鑄鐵件上有砂眼，瓷件的機械強度不夠，其它零件不符合規(guī)格或組裝時不密封等；三是對絕緣材料的維護管理不善，造成電纜絕緣層受潮、臟污和老化。護層的腐蝕由于地下酸堿腐蝕、雜散電流的影響，使電纜鉛包外皮受腐蝕出現(xiàn)麻點、開裂或穿孔，造成故障。電纜的絕緣物流失油浸紙絕緣電纜敷設時地溝凸凹不平，或處在電桿上的戶外頭，由于起伏

40、、高低落差懸殊，高處的絕緣油流向低處而使高處電纜絕緣性能下降，導致故障發(fā)生?；蕢呕蕢艍|墮堡墨壁登壘墊翌匪立鎏翌窒由于制造缺陷而造成的電纜故障是不多的，分析了解可能造成電纜故障的原因，對尋找電纜故障點是很有幫助的。例如，通過測距知道了電纜的故障距離，而在對應位置上，發(fā)現(xiàn)近期進行過城建施工，就可以懷疑為在施工的過程中損傷了被測電纜而引起了故障，往往不需要費很大功夫，就能很快地對故障進行定點。電纜故障的類型電力電纜故障從形式上可分為串聯(lián)故障與并聯(lián)故障。串聯(lián)故障指電纜一個或多個導體（包括鉛外皮）斷開；通常在電纜至少一個導體斷路之前，串聯(lián)故障是不容易發(fā)現(xiàn)的。并聯(lián)故障是導體對外皮或?qū)w之間的絕緣下降，不能

41、承受正常運行電壓。而實際的故障形式組合是很多的。分析電力電纜的結構組成可知電力電纜最多有三種結構：單芯電纜、三芯電纜、四芯電纜（主要是低壓電纜），因此有以下故障類型：（）單相接地故障電纜的其中一相對地絕緣層電導特性變壞，形成泄漏性故障，即此相對地絕緣層形成了固定的電阻通道，其電阻值或大或小或為零，這種故障其電纜導體是良好的。（）單相故障電纜的其中一相對地絕緣層電導特性交壞或擊穿特性變低，形成泄漏性或閃絡性故障。這種故障情況其電纜導體芯線和相問絕緣是良好的。（）相間故障電纜中的兩相間或三（四）相間絕緣層電導特性變壞或擊穿特性變低，形成泄漏性或閃絡性故障。這種故障情況其電纜導體芯線和相對地絕緣是良

42、好的。（）相問對地故障絡性故障。（）開路故障電纜的兩相之間對地或三相之間對地形成泄漏性或閃電纜的一芯或多芯導體或者金屬屏蔽層完全斷線或似斷非電纜中同時存在兩種以上故障的情況而稱之為混合性故斷的情況，稱之為開路故障。（）混合性故障障。圖給出了可能性較大的幾種故障形式，常見的包括有單相接地、兩相接地和斷線并接地等故障形式。如圖（）所示，導體斷路往往是電纜故障電流過大而燒斷的，這種故障一般伴有并聯(lián)接地或相間絕緣下降的情況。實際發(fā)生的故障絕大部分是單相對地絕緣下降故障。鄭州大學工學碩十論文廠、（）單相接地，、廠、，。厶（）兩相接地，、，（）斷線并接地圖幾種電纜故障形式電纜故障點可用圖所示電路等效。，代

43、表絕緣電阻，是擊穿電壓為匕的擊穿間隙，代表局部分布電容，上述三個數(shù)值隨不同的故障情況變化很大，并且互相之間并沒有必然的聯(lián)系。圖電纜故障等效電路間隙擊穿電壓的大小取決于放電通道的距離，的大小取決于電纜介質(zhì)的碳化程度，而電容，的大小取決于故障點受潮的程度，數(shù)值很小，一般可以忽略。根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為開路、低阻、高阻故障。采用這種分類的目的也是為了選擇測試方法的方便。開路故障包括導體芯線和金屬屏蔽層以及金屬外護套等斷線和似斷非斷故障。此時，。問隙在直流或高壓脈沖作用下?lián)舸?。一般可采用低壓脈沖法進行測試?；蕢呕蕢艍|壁堡墨壁蘭皂壟塑里查鯊里塞低阻故障是指電纜的相日或相對地出現(xiàn)的泄漏

44、性故障，其電阻值，小于倍的電纜波阻抗值。此類故障能用低壓脈沖法測量。高阻故障是相對于低阻故障，其電阻值，大于倍的電纜波阻抗值。此類故障通常采用高壓脈沖反射法進行故障點測量，包括泄漏性高阻和閃絡性高阻兩種故障。電纜故障探測的步驟電力電纜多埋于地下，發(fā)生故障情況及埋設環(huán)境比較復雜，所以發(fā)生故障后，對電纜故障點的準確定位需要按照一定的程序進行。電纜故障的探測一般要經(jīng)過診斷、測距、定點三個步驟【。電纜故障性質(zhì)診斷電纜故障性質(zhì)的診斷，即確定故障的類型與嚴重程度，以便于測試人員對癥下藥，選擇適當?shù)碾娎|故障測距與定點方法。電纜故障測距電纜故障測距，又稱之為粗測，在電纜的一端使用儀器確定故障距離，現(xiàn)場上常用的故障測距方法有經(jīng)典電橋法與現(xiàn)代行波法。電纜故障定點電纜故障定點，又叫精測，即按照故障測距結果，根據(jù)電纜的路徑走向，找出故障點的大體方位來，在一個很小的范圍內(nèi)，利用放電聲測法或其它方法確定故障點的準確位蜀。電纜故障性質(zhì)的診斷