论110kv电力线路故障测距在实际应用中的研究.docx
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论110kv电力线路故障测距在实际应用中的研究
摘要
电力电缆供电系统一直有着安全、可靠、美化城市等众多优点,随着社会高速发展,电力电缆供电占地面积越来越少,电缆电容可以提高功率因数等,使电力电缆传输电能的方法占据着供电的主导地位。
因为电缆一般都采用穿管或电缆沟敷设的方式,外部运行环境非常复杂。
随着城市电缆数量的不断增多以及运行年限的增长,电缆也越来越容易出现各种各样的故障。
而在地下电力电缆发生故障时,快速地发现故障并预测出故障点的确切位置是较为困难的,需要花费比较长的时间,运用大量人力、物力,而且还会造成无法估量后果的停电损失。
对于电力电缆故障测寻技术的研究可以提高电缆故障的处理速度,还对电力系统供电的可靠性和稳定性具有决定性的作用。
由于电力电缆线路放置位置的隐蔽性及其测试条件的局限性,使得电缆故障点的查找具有一定困难,因此如何合理地选择故障检测设备和使用何种测试方法能准确快速地查找出电缆故障点,并且能缩短停电时间是所有电缆运行人员都非常关心的问题,同时对于这种研究来说,也具有着非常重要的理论和重大的现实意义。
本文研究比对了各种非常实用的电力电缆故障测寻技术,根据不同类型的故障及性质提出了快速而且合理的测寻方法和技术。
并且针对实际运行的110kV电缆绝缘和外护套故障,分析其中电缆故障的性质和原因,详细讨论研究了对故障点进行预测定位以及精确定点的方法,以便尽快的进行维修防护,恢复供电,以此来保证电网的安全可靠运行。
关键词:
电力电缆测寻步骤测寻技术
Abstract
Powercablepowersupplyissafe,reliable,manyadvantagestobeautifythecity,
alongwiththerapiddevelopmentofsocialproduction,thepowersupplycablecoversanareaofless,thecablecapacitancecanimprovethepowerfactor,thepowercablepowertransmissionwayoccupythedominantpositionofpowersupply.Becausethecablegenerallywearpipeburiedundergroundorintothecabletrenchlaying,complexenvironment,atthesametimewiththeincreaseinnumberofcablesandextendtheoperationtime,cablemoreandmorefailures.Oncetheundergroundpowercablefaultoccurs,quicklydetecttheexactlocationofthefaultpointismoredifficult,needtospendalongertime,wastealotofmanpower,materialresources,butalsocauseincalculablelossofoutage.
Powercablefaultdetectiontoimprovetheprocessingspeedofthecablefaultfindingtechnology,playsadecisiveroleinthepowersystemreliabilityandstability.Duetothelimitationsofpowercablelineinvisibilityandtestconditionsmakethecablefaultfindinghascertaindifficulty,sohowtoreasonablyselectthefaulttestequipmentandtestmethodofquicklyandaccuratelyfindthecablefaultshortenoutagetimeisthecableoperatorsareveryconcernedabouttheissue,butalsohasaveryimportanttheoreticalandpractical
significanceofthisresearch.
Inthispaper,accordingtothestudycomparedthepowercablefaultatvariouspracticaldetectingtechnology,fastandreasonablemeasuremethodandmeansaregivenaccordingtodifferenttypesofthefaultandproperties.Andaccordingtotheactualoperationofthe110kVpowercablemaininsulationandtheoutersheathofthecablefaultfault,analysisofthenatureandcausesofthefaultpointmethod,discussesindetailtheprepositioningandpreciselocation,soassoonaspossibletorepair,restorethepowersupply,andensurethesafeandeconomicoperationofthepowergrid.
Keywords:
Powercable,testingandsearchingsteps,detectingtechnology
摘要
Abstract
目录
前言
1绪论
1.1电力电缆在电力系统中的地位及应用情况
1.2电力电缆的故障分析与故障定位研究的意义
1.3电力电缆故障检测研究现状
1.4国内外研究现状
1.4.1现有的电缆离线测距方法
1.4.2在线测距方法的研究现状
1.5研究内容
2电力电缆故障测寻的基本原理和方法
2.1故障测寻步骤
2.2110kV电缆故障现场预定位方法
2.2.1二次脉冲法
2.2.2脉冲电流法
2.2.3弧发射法
2.3110kV电缆故障现场精确定位方法
2.3.1声磁同步法
2.3.2音频感应法
2.3.3裸露电缆故障的特殊定点方法
3110kV电缆故障测寻的影响因素分析
3.1高压电缆常见故障部位分析
3.1.1绝缘问题
3.1.2附件问题
3.1.3电缆外护层问题
3.1.4电力电缆外护套故障测寻技术
3.2高压电缆的电气等效结构
3.3高压电缆线路典型敷设方式和护套接线方式
3.3.1高压电缆线路典型敷设方式
3.3.2高压电缆线路护套接线方式
3.4电缆外层护套的功能以及对故障检测时的影响
4结论与展望
参考文献
致谢
1绪论
1.1电力电缆在电力系统中的地位及应用情况
自电荷的发现至近代电力作为主要能源的广泛使用,电力的传输与分配途径在不断的更新与发展。
初始阶段,因电能的传输方式受到技术条件的制约,电能无法得到更大范围的推广使用。
自从100多年前有了电缆的发明,电力系统才得以迅猛发展。
电缆以它具有安全、可靠、美化环境、敷设地下时不占用地面资源、对气候影响小、运行维护费用低、不可替代等优点,做为能源传输媒介广泛应用于电力系统之中。
电缆在经过几代人不断的研究制造与发展的过程中,电缆的电压等级已经由最初的低电压向高电压及超高压等级发展,就针对我国现在研制生产的电缆而言,已经达到35kv,63kv,110kv,甚至500kv等级。
因为在电缆的使用过程中,优点较多,电缆的适用性大,所以电缆的需求量也在不断扩大,2000年以后,仅在国内的交联电缆生产线就有将近200条,年需求量高达到450000680000km,且电缆的年需求量在逐年快速增加。
1.2电力电缆的故障分析与故障定位研究的意义
随着近代经济的不断发展,电力成为工农业设备的主要能源来源,电力线路承担着能源的传输任务,而电缆是电网连接设备的主要形式。
近年国家对电网建设力度加大,我国的电力需求日益增长,电力电缆在电力系统中的使用日益广泛[]。
但是,由于电缆的制造工艺、产品质量、电缆绝缘老化、安装运行环境以及外力作用等原因,电力电缆故障时有发生。
电缆事故发生造成大面积停电或生产事故,致使经济受到重大损失,有时还会引起社会负面影响。
而电缆事故发生时,事故类型复杂,事故点不易见、难于查找,尤其是敷设于水下、地下等隐蔽的场所,查找事故点非常困难,电缆事故点定位是排除电缆故障的前提条件,准确的电缆故障定位技术可以缩短查找故障点的时间,有利于快速排除故障,减少由电缆故障带来的损失。
为此对电力电缆事故的分析一直是科研人员的研究方向,如何快速检测故障点,缩短故障查找时间,减少事故经济损失,仍是所有科研人员的研究目标。
1.3电力电缆故障检测研究现状
随着电力电缆在电力系统的普遍应用,电力故障的检测技术也在不断的发展提高。
由于电力电缆故障类型复杂多样,国内外科研人员现己根据电缆故障类型的经验分析,发明了多种相对应的故障检测装置,但是目前还没有一种装置或技术能够检测所有的故障[2-5]。
电力电缆故障检测技术方法较多,总体上可以分为阻抗法和行波法两类。
阻抗法是在应用欧姆定理的基础上发展而来的,它主要是以检测线路阻抗的不同而实现测距目的。
行波法主要是利用波的传播理论为基础发展而来。
根据是否离线的需要,行波法有离线检测与在线检测两个分支。
离线检测是应用最广泛的测量方式,在线检测以往仅处于理论研究阶段,在近些年才得以实际应用。
目前依托计算机技术发展的实时专家系统可以实现对电缆进行自动检测;采用高速光电传感技术,利用光纤对电缆进行在线故障检测;近年还出现了将全球定位系统(GPS)技术应用于故障在线检测的方法。
在实际的技术应用中,电力系统因电缆发生故障后都会采取切断电源处理,电缆处于停电状态,所以电缆故障检测方法都是离线检测方式。
一般电缆事故处理部门都会采用电桥法或行波法实施事故查找。
传统的故障检测方法采用电桥法,该方法投入资金少、方法简单、操作方便。
但电桥法需要清楚电缆全段的详细资料,对短接电阻要求相对要高些,该方法主要应用于电缆生产单位及技术落后的施工企业。
行波法根据附加电压的等级可分为低压与高压两种,行波法的检测方式主要以低压脉冲法应用较多。
低压脉冲测距法自二战后得到发展,该方法是受雷达原理的启发而发明,它利用反射脉冲和发射脉冲的时间差及电缆的波速来计算故障距离。
它可以很准确地测出断线、短路及低阻故障,但很难测量高阻故障。
高压闪络法可以较好的测试高阻和闪络性故障,它具有波形容易理解、操作安全、接线方便等优点。
该技术应用在故障检测上的研究已比较成熟[6-9]。
对于电力电缆的高阻故障一般可采用声测法,其原理是在故障电缆上施加脉冲高压,使故障点击穿绝缘放电,放电能量在故障点击穿瞬间突然释放,放电会发出强烈的爆破声。
利用仪器直接或间接探测爆破声发出的位置,找到故障点。
还有声磁法其工作原理为用音频信号发生器向故障电缆施加音频电流,发出电磁波。
然后在地面上用探头沿故障电缆路径接收电缆周围电磁场变化的信号,并将其送入放大器进行放大,而后再将放大后的信号送入耳机或指示仪表,根据耳机中声音的强弱或指示仪表指示值的大小来定出故障点的位置。
其它方法还有声磁传播时间差法和音频感应法等。
随着电磁波理论的发展,行波技术在电力电缆故障测距方面得到广泛应用,特别是小波理论的研究是近年国内外科研人员的主要研究课题。
该法利用小波奇异点检测确定线路故障发生时刻及其两次行波波头到达检测点的时间间隔,从而推算出故障位置,达到故障定位的目的。
小波变换在电力系统中应用虽然仍处在初步发展阶段,随着科学技术的不断发展,特别是数字信号技术的发展,小波技术在电力电缆故障测距方面将会有广阔的发展空间[10-11]。
1.4国内外研究现状
1.4.1现有的电缆离线测距方法
电力电缆故障的测寻一般包括故障性质确认、故障预定位、精确定位这3个主要步骤。
这三个步骤中,确定故障性质较为容易,故障精确定点方法目前也比较成熟,最为关键和难度最大的是故障预定位(也称为故障测距)这一环节,这也正是本项目重点研究的内容。
电力电缆有很多离线故障预定位的方法,主要可分为阻抗法和行波法两个大类。
(1)阻抗法
阻抗法是依据线路单端或者多端的电压、电流和阻抗间的关系,列写出故障点方程,并进行求解,进而完成故障点预定位。
单相线路内部故障
设m端为测量端,则测量阻抗可表示为
(2-1)
由图可写出下列电压方程
(3-1)
由于故障点与m端电流的故障分量之间存在以下关系
(3-2)
将式(3-2)代入式(3-1)可得
(3-3)
将式(3-3)两端分别乘以
的共轭复数
可写出
(3-4)
对上式两端取虚部,经整理即可求出
(3-5)
典型的阻抗法有经典电桥法,其原理介绍如下:
经典电桥法是将被测电缆的故障相与非故障相在末端进行短接,电桥两臂分别接故障相与非故障相,通过电桥两臂上的一个可调电阻器进行调节,使电桥平衡。
利用比例关系和己知的电缆长度就可以得出故障距离。
电缆预定位时,电缆低阻击穿一般采用低压电桥测量,电缆开路断线一般用电容电桥测量。
电桥法测量有测试简单,结果精确等优点。
缺点是要有完好线芯做为测试回路,而且不能加太高的电源电压。
并且它的适用范围小,无法轻易探测故障电阻很大、电桥电流很小的一般高阻和闪络性故障。
另外,电桥法必须知道准确的电缆长度,如果电缆线路由不同导体材料或不同截面的电缆组成时,还必须进行换算。
当电缆三相短路故障时,电桥法就无法进行测量。
(2)行波法
行波法是利用测量行波在电缆线路故障点和测量端之间往返的传播时间来确定故障点位置,基于行波法测距方法有脉冲电压法、脉冲电流法、低压脉冲法和二次脉冲法四种,其故障定位原理如下:
1)脉冲电压法脉冲电压法是20世纪70年代发展起来的一种针对高阻泄漏与闪络性故障的测试方法。
它的原理特点是先利用直流高压或脉冲高压信号将电缆故障点击穿,然后通过观察放电电压脉冲在测量端与故障点之间往返一次的时间来进行预定位。
由于脉冲电压法不必将高阻与闪络性故障烧穿,而是直接利用故障点击穿产生的瞬时脉冲信号,所以脉冲电压法有测试速度快、测试过程简化等优点,但它也有缺点:
(a)仪器利用电容电阻分压器测量电压脉冲信号,与高压回路有电祸合,因高压信号串入,很容易损坏测试仪器,安全性差;
(b)在利用该方法预定位时,需串一个电阻或电感以产生电压信号,这不仅使接线和波形的复杂性增加,而且还降低了电容放电时加在故障电缆上的电压,使故障点击穿难度加大;
(c)分压器祸合的电压波形在故障放电时变化不尖锐,难以分辨。
2)脉冲电流法
脉冲电流法是在电缆故障击穿时,通过一线性电流祸合器测量产生的电流脉冲信号,并分析判断该信号在测量端与故障端往返一次所需时间来进行a}n,」距。
这样不仅使仪器与高压回路成功进行磁祸合,消除了串联电阻与电感的影响,而且使接线简化,更容易分辨传感器祸合出的脉冲电流波形。
3)低压脉冲反射法
该方法的基本原理是:
首先向故障电缆测试端注入脉冲电压信号,通过测量入射电压行波和反射电压行波的时间差来进行测距。
使用低压脉冲发射法进行测试具有简单、直观等优点,在电缆原始参数缺失的情况下,根据脉冲反射波也能轻易识别出电缆接头与分支点的位置。
低压脉冲法主要用于测出电缆中的低阻故障和开路故障,并且运用于测量电缆全长,具有良好的效果,但不适用于测高阻或闪络性故障。
对高阻故障或闪络性故障,需先将故障点烧穿,得到较低的故障电阻,才能进行低压脉冲法测试。
故障点烧穿过程非常繁琐、耗时,且要求操作人员具备比较丰富的经验。
4)二次脉冲法
二次脉冲法的基本原理是:
首先向故障电缆释放一个低压脉冲(不大于20~160V),当故障点的接地电阻大于电缆波阻抗5倍时,可看作故障电缆相对于低压脉冲是开路,此时在脉冲释放端接收到的反射波形相当于一个线芯绝缘良好电缆的波形。
然后再向故障电缆释放一个足以使线芯绝缘故障点发生闪络的高压脉冲,同时触发释放第二个低压脉冲,在故障点的电弧未熄灭时,故障点相对于低压脉冲是完全短路,那么在脉冲释放端接收的低压脉冲反射波形相当于一个线芯对地完全短路的波形,将前后两次接收到的低压脉冲反射波形进行叠加,两个波形将会有一个明显的发散点,这个发散点就是故障点的反射波形点。
此方法测量精度高、低压脉冲宽度可调、可以避免故障点闪络时引起的强烈电磁干扰。
但此法缺点是仪器较多,另外要把故障点电阻降到很低,当故障点绝缘受潮严重时,故障点击穿时间较长,测试时间相应增加。
由于故障点维持低阻的时间不确定,因此施加二次低压脉冲的控制有一定的难度,测试成功率不高。
现在的工程实践中,上述测试方法在电缆故障定位装置中都有所应用。
英国
BICCOTEST公司生产的电缆故障定位仪T620、奥地利BAUR公司的IRG300回波仪和SYSCOMPACT-S300电缆故障测试车、德国SEBA公司产品、及日本和美国的部分故障定位装置都是利用脉冲法原理,只是在实现形式上有差异而己。
实际应用中,电缆故障离线测试方法(电桥法、低压脉冲法、高压闪络法和二次脉冲法)用于中低压电缆的故障钡」距时,可以取得满意的钡」距结果,但对于应用日益广泛的高压电缆,则存在以下问题:
(1)电缆故障60%以上是高阻故障,电桥法和低压脉冲法都只适用于低阻故障,高压闪络法则需产生高幅值、大容量的测试电压用于击穿故障点,但一般的测试设备很难产生如此高的电压。
(2)试用的高压会对测试仪器和测试人员造成安全隐患,而且很可能导致电缆的二次损伤,从而降低了电缆的使用寿命。
(3)长距离高压电缆往往采用三相金属护套交叉互联的方式,在此方式下电桥法不能直接使用,低压脉冲法、高压闪络法和二次脉冲法都会因为行波在护套交叉点的复杂折反射而失效。
虽然解开护套交叉点并进行直连可解决此问题,但操作过程非常繁琐,且非常容易引起安全隐患。
(4)低压脉冲法、高压闪络法和二次脉冲法都是基于单端行波测距原理,都存在近区盲区问题。
(5)常规的电缆测试方法要求操作人员有比较丰富的经验,因此对人员依赖性大自动化程度不高。
鉴于以上原因,目前国内外学者己积极开展了在线方式进行电缆故障测距的研究。
1.4.2在线测距方法的研究现状
在线测距法利用在线监测设备采集电缆的电流、电压、温度等信号,并采用合适的分析方法从电缆的故障方程、浪涌信号、温度信号等提取出故障点位置的相关信息。
现有的电力电缆在线故障测距方法和设备介绍如下:
(1)基于光电传感技术的双端在线测距法
该测距方法理论依据是B型行波预定位原理,关键在于准确测定故障点行波浪涌波头到达电缆两端的时间差和确定行波波速。
其中,时间差的精度取决于对波头时刻的精确定位和两端同步时间的测量。
日本学者N.Inoue在文献[6]设计了一种基于上述原理的电缆故障测距系统。
该系统先是利用光磁传感器在电缆两检测端产生光信号,接着通过高速光/电(0/E)转换最后送交CPU进行处理,并根据B型行波测距法公式,把故障距离的计算结果最终显示在液晶显示屏上。
在1000米长的单相试验线路上,取得了误差小于10米的测距精度。
为保证两端时间同步,用光纤通道将电缆两端的信号引到同一台装置进行本地同步采样。
但是对于长线路,光缆的投资太大,经济效益较差。
(2)基于分布式光纤温度传感器的单端在线测距法
文献[7]和[8]把光纤分布式温度传感器配置到电缆线路中,利用热电偶在故障点附近进行温度分布测试,依据在线路首端观测到电缆线路温度的变化值,判定故障点。
即使光纤被故障熔断,也可以通过测量光波的反射来判断什么地方出现故障。
光纤温度分布传感器完全不受电磁感应的干扰,其测温原理是由激光脉冲送入光纤产生拉曼散射光,该散射光的亮度随电缆线路温度变化而变化。
试验运行结果表明,该方法具有满意的精度和可靠性,但也同样存在复合光纤电缆造价高,光纤易受损伤等问题。
(3)应用GPS技术的在线定位技术
为了实现对电力电缆状态的实时采集以及对电力电缆运行时故障的自动定位,文献[9]将全球定位系统(GPS)成功地应用在电缆故障测距当中,能更精确地测定浪涌电流到达电缆两端的时间差。
日本的藤仓电线公司研制了一套基于GPS的电缆故障测距系统"FLAG"。
该系统基于双端行波原理,采用了带宽为20kHz~1MHz的光纤电流传感器和40MHz的采样率,故障测距标称精度为10米以内。
该系统GPS同步卫星利用自身的高精度的原子时钟持续向地球发射高精度脉冲信号。
同时,在测距终端安装有计时器,它可以利用高精度晶体振荡器和脉冲信号实现各个终端对时间的同步。
受电缆阻抗的频率响应的影响,在电缆内的传播过程中,浪涌电流的波形会发生扭曲。
由于该系统能对此进行补偿,测距的精确度也得到进一步提高。
(4)应用小波分析的电力电缆故障测距
常规方法对于行波浪涌波头的确定是通过超过固定阀值来判断初始行波的到达。
由于受到色散和衰减现象以及外界的电磁干扰的影响,行波浪涌在沿电缆线路传播过程中,浪涌波头可能出现延迟和被削平的情况,若两检测端采用同一门槛值来检测浪涌波头,则行波到达两端的误差可能变大。
在此基础上发展起来的小波变换技术具有较强的表征信号突变特征能力,在不同尺度下信号小波变换的结果中,该技术可以进行干扰分析、抑制并从中提取信号故障特征参数,实现电缆故障的预定位。
采用小波变换来检测行波准确到达的时间,在输电线路故障测距上己得到成功应用。
英国学者WZhao提出用GPS同步技术、小波分析工具和行波测距原理来实现电缆线路的在线故障测距。
该方法采用了D型双端行波测距方法并充分考虑了高压电缆护套交叉的特殊形式。
ATP仿真试验表明该方法可取得电缆全长2%的测距精度,但该方法要实现实用化还需深入研究很多理论和技术问题。
英国学者CKJung等人探讨了长距离高压电缆的行波测距方法。
该方法采用单端采集信号进行故障测距,利用静态小波对暂态信号进行分解,用不同尺度分解系数间的相关度特征消除反射信号中的噪声。
仿真结果表明该方法可有效消除噪声干扰,但由于未考虑护套交叉对反射行波的影响,因此该方法有待进一步改进。
美国学者CMWiggins为克服高压闪络法对电缆造成的二次伤害,同样提出了一种在线故障测距方法。
其原理是在环形线路开路或在线路末端设置开路点的前提下,利用电缆线路故障时所产生的行波电压或电流会在该开路点产生全反射这一特性,通过开路点附近的传感器得到脉冲信号,从而实现精度为电缆全长2%的测距结果。
由于需要设置开路点,因此这种方法可用于配电网(URD)电缆的故障测距,但在一般的电网中存在局限性。
此外,埃及学者TaiELDin和M.Gilany等人针对电缆老化引起的参数及波速变化的
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