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电力电缆线路的故障定位
摘要
随着我国电力系统规模逐渐加大,网络结构逐渐复杂,用户对供电稳定的要求也越来越高;这就要求系统正常运行过程中要防止故障的发生,并且在系统发生故障后,要快速、准确地找到故障位置,迅速排除故障,确保电力系统安全运行,提高供电可靠性,将损失最小化;随着国民经济的发展,在配电网系统中,出现了地埋电缆;虽然电力电缆具有比架空线路可靠性高、占用空间少、受恶劣天气影响较小、有利于工厂布局和城市规划等优点;但是由于机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化、水树等因素的影响,长时间运行的电力电缆也会发生故障;再加上由于电力电缆多埋于地下或铺设在电缆沟中,故障发生后,很难迅速、准确地测出故障地点的确切位置,不能及时地排除故障恢复供电,往往会造成停电停产的重大经济损失;因此研究电力电缆的故障定位具有非常重要的意义;
关键词:故障定位;C型行波;二次脉冲法;燃弧过程;最小差法.
C型行波测距的二次脉冲法
二次脉冲法采用限流技术来延缓脉冲能量P的释放,它将“无源的二次脉冲产生器”串联在“高压脉冲电源”与“故障电缆”之间构成二次脉冲测试系统;二次脉冲法接线如图1所示;
图1二次脉冲法接线图
1第一次脉冲:高压脉冲击穿故障点,使电容器C中储存的能量通过R限流后在故障点处释放;
2第二次脉冲:二次脉冲产生器随机发送测量脉冲至故障点进行采样;
由此可知,二次脉冲的燃弧能量P是由电容器C中所储能量提供,经电阻R限流后,;二次脉冲法燃弧过程的U-t曲线如图2所示;
图2二次脉冲法燃弧过程的U-t曲线图
由于电阻R限流要损失一定的击穿能量,因此二次脉冲的击穿电压设定值U是未知的,测试过程中需要不断调整才能获得适当的击穿电压;通常,击穿电压Uj要高于最小击穿电压的30%以上,即Uj≥1+30%;又由于二次脉冲的燃弧过程不稳定,测量脉冲是随机发送的,因此需要不断调整击穿电压U及多次发送测量脉冲,才能成功采集到波形;
二次脉冲法采样时需要一次触发8个或更多测量脉冲,且须从这8个波形中辨别出“成功波形”,而在测量环境恶劣的情况下采集到的波形尤为复杂,几乎没有成功波形;
三级脉冲法
三级脉冲法采用蓄能燃弧技术,它将“有源的中央控制单元”串接在“直流高压源”和“故障电缆”之间构成三级脉冲测试系统;脉冲发送的顺序及时刻均由中央控制单元自动完成,与操作人员无关;三级脉冲法接线如图3所示;
图3三级脉冲法接线图
1第一级脉冲:高压击穿故障点后,电容器C1上所储能量P;施加至故障点;
2第二级脉冲:中央控制单元的储能装置C2的能量P2也加至故障点;
3第三级脉冲:燃弧稳定后,控制系统发送测量脉冲采样;
由此可知,三级脉冲法的燃弧能量P是由高压脉冲电容C1所储能量P1和有源蓄能装置C2所储能量P2共同提供,即P=P1+P2,且能量P2的释放受控于控制系统并以小电流、稳定燃弧形式进行;由于有了外界能量的补充,故障点处的弧短路时间t3从微秒级延长至毫秒级,达到了量级的变化,同时击穿燃弧并不消耗第一级的脉冲能量,相反还有一定的补充作用,因此三级脉冲法的击穿电压设定值Uj与最小击穿电压相当,即Uj=;通常,在三级脉冲测试前是已知的,因此不需要调整击穿电压设定值Uj;三级脉冲法燃弧过程的U-t曲线如图4所示;
图4三级脉冲法燃弧过程的U-t曲线图
三级脉冲具有足够长的弧短路时间,并能在燃弧稳定期自动触发测量脉冲采样,从而保证每次触发的测量脉冲都能采到弧短路波形;在蓄能燃弧的基础上,三级脉冲法在燃弧稳定的整个时间段t3内,采用了分时刻多次控制触发测量脉冲技术,即将t3分为8个时段后分别触发8次测量脉冲,从而保证了三级脉冲采样不受故障点环境的影响,即使在极端环境下故障点在水中也能成功采集波形;三级脉冲法的采样波形是在燃弧稳定期控制触发测量脉冲而获得的,所以其波形与
“低压脉冲短路波形”几乎一致,极易判读,大大提高了测试成功率;
基于GPS的电缆双端测距
考虑到行波故障测距只需实时采集而不是实时控制的特点,若能实时准确记录秒脉冲与高精度晶振之间的时间偏差,事后又可以根据此偏差值计算出采样数据的准确时刻,而同样可以达到双端数据精确同步的目的;基于这种思想,得到一种可以事后推算出准确时标的算法和相应的硬件支持,以最大限度地减小时间同步误差给双端行波测距带来的定位误差;此种方法记录相邻秒脉冲间隔内的计时器计数值,此计数值包含有前后2个秒脉冲的随机误差信息;对多个这样的计数值进行滑动平均,将得到的平均值作为每秒内计时器的计数估计值,并对多个秒脉冲的误差估计值;利用、和GPS时间解码信息就可以得到此次采集数据的精确时间;由于此方法提出的算法计算量较小,因此误差的校正计算也可由CPU在线完成,这样做的另一个好处是可以用对GPS工作正常与否进行监测;步骤如下:
对最近的N个计数值进行滑动平均,得到N秒内的平均计数值:
1
取作为对每秒实际计数值的估计,易知为无偏估计;为分析的方差,可写为
2
设的方差为,则易知的方差为
3
虽然并不独立,但从式2可知的方差为
4
可见的方差为的1/N2,当样本数N比较大时如取N=100,将会非常逼近真实值,因此,可以把滑动平均值作为真实值的估计值;
由于是比较大的值,为减小CPU的计数量,宜采用滑动平均方法求取;设下一秒的计数值为,则新的滑动平均值可采用下式计算:
5
由式2可知,样本系列的首末误差和会影响的大小,当和的误差均较大且偏差误差方向相反时如分别接近,则会导致较大的误差;由于的准确程度会影响到下一步中的求取,因此在此应进一步提高估计值的准确性;仍然采用滑动平均的思想,对最近3次估计值再取平均值或中间值,便可以比较可靠地排除首末段秒脉冲大误差的影响;
为估计,由于,所以可以取目标函数为:
6
式中的均可用表示以为单位:
7
将式7带入式6,得:
8
为求的极值,对求导得:
9
令,可解出:
10
式中,;
由于精确的是未知的,但是可以用近似值带入式10,得到的估计值为
11
当GPS工作正常时,设CPU发出停止采样控制信号时,读取到的时间计数值为m,则最后一个采样点在秒以下的精确时间为,结合GPS时间的解码信息,可以给最后一个采样数据打上精确到纳秒级的高精度时间标签对于100MHz晶振,时间分辨率为10ns;其他采样点的精确时标经过简单的推算就可获得;
结论:
根据C型行波测距和基于GPS的电缆双端测距可以较准确找出电缆线路的故障点,从而为电缆线路的检修节省大量的时间,具有较大的经济意义;而C型行波测距较为简单实用,技术成熟,使用范围广,但测距精度低一点;基于GPS的电缆双端测距设备先进,结构较为复杂,测距精度比前一种方法高,当然使用费用高,还处于推广阶段;就现阶段而言,最好是两种方法混合使用,具体的视实际情况而定;
参考文献:
1陈堂,赵祖康,:中国电力出版社,2003.
2刘建,:中国水利水电出版社,2004.
3张栋国,:陕西***,1994.
4于景丰,:中国水利水电出版社,2003.
5陈平,徐丙垠,-
Faultlocationofpowercableline
GaoChengfu34
GuizhouUniversityofTechnology,Guiyang550025,china
Abstract
Alongwiththeourcountryelectricpowersystemsizegraduallyincreased,thenetworkstructurebecamemorecomplex,,andafterasystemfailure,toquickly,accuratelyfindthefaultlocation,faultquickly,toensurethesafeoperationofpowersystem,improvethereliabilityofpowersupply,,inpowerdistributionsystem,theburiedcable;althoughthepowercablewithhighreliabilitythanoverheadlines,littlespaceoccupation,little,badweatherisconducivetotheplantlayoutandcityplanningetc.;butbecauseoftheinfluenceofmechanicaldamage,moistureinsulation,insulationaging,treeandotherfactors,powercableoflongtimeoperationwillhappen;coupledwiththepowercableburiedundergroundorlaidincabletrench,faultoccurs,theexactpositionisdifficulttoquickly,accuratelymeasurethefaultlocation,nottoeliminatethefaultandrestorethepowersupply,.
Keywords:Faultlocation;Cwave;wopulsemethod;arcprocess;theminimumdeviationmethod.