基于低壓脈沖法的電力電纜外力破壞檢測(cè)技術(shù)研究

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基于低壓脈沖法的電力電纜外力破壞檢測(cè)技術(shù)研究

余坤1，赫志偉1，王善民2，鄭寶2，陳纓3

(1. 國家開發(fā)銀行西藏自治區(qū)分行，西藏 拉薩 850000； 2. 當(dāng)雄縣羊易地?zé)犭娬居邢薰荆鞑?當(dāng)雄 851500； 3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

隨著城網(wǎng)改造工作的進(jìn)一步深入，電力電纜得到了越來越廣泛的應(yīng)用。電力電纜一旦出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全和人民財(cái)產(chǎn)的安全，而外力破壞是造成電纜故障最主要的因素。采用EMTP-ATP電磁暫態(tài)仿真軟件建立了不同電纜故障模型，研究了不同頻率的行波在電纜內(nèi)的傳播特性，分析了不同故障、電纜接頭下行波在電纜內(nèi)的傳播特性。研究結(jié)果表明，該方法能夠有效檢測(cè)電纜外力破壞點(diǎn)位置。

故障定位；防外破；電力電纜；低壓脈沖

0 引 言

隨著國家對(duì)電力行業(yè)投入的進(jìn)一步加大和城網(wǎng)改造工作的進(jìn)一步深入，電力電纜得到了越來越廣泛的應(yīng)用。電力電纜一旦出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重危及電網(wǎng)安全和人民財(cái)產(chǎn)的安全，其故障產(chǎn)生的原因和故障的表現(xiàn)形式是多方面的[1-2]。

電力電纜故障產(chǎn)生的原因主要有外力破壞、附件制造質(zhì)量不合格、敷設(shè)施工質(zhì)量差和電纜本體缺陷，分別占總故障率的58%、27%、12%和3%[1]，如圖1所示。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，外力破壞是造成電纜故障最主要的因素，對(duì)城網(wǎng)線路的安全運(yùn)行造成威脅[3-5]?？偨Y(jié)電纜受外力破壞事故，得到主要原因?yàn)殚L期受到車輛、重物等壓力和沖擊力作用或者城市建設(shè)中盲目的道路施工和建筑施工[1，3-5]。隨著城市建設(shè)進(jìn)度加快，外力破壞故障與日俱增，由于電纜外力破壞故障形式多樣、隨機(jī)性高、電纜敷設(shè)范圍廣等因素，以往的防外力破壞工作成效不佳[6-9]。

圖1 電纜故障原因統(tǒng)計(jì)

為了確保城網(wǎng)電力電纜的安全運(yùn)行，減少因外力破壞而造成的故障，提出了一種基于低壓脈沖法的電力電纜外力破壞檢測(cè)技術(shù)。

1 電纜模型與等效電路

計(jì)算電力電纜參數(shù)要使用分布參數(shù)電路，如圖2(a)所示，圖中R0、L0、G0、C0分別表示傳輸線單位長度的電阻、電感、電導(dǎo)和電容。電阻、電導(dǎo)都會(huì)引起線路上的有功功率損耗：考慮電阻和電導(dǎo)影響的線路稱為有損線路；忽略導(dǎo)線上的電阻和電導(dǎo)，線路就變?yōu)闊o損線路，如圖2(b)所示。

圖2 電纜分布參數(shù)等效電路

傳輸線上的電壓和電流以波的形式傳播，實(shí)際上分布參數(shù)線路上任一點(diǎn)電壓、電流值是許多向兩個(gè)不同的方向傳播的電壓、電流波數(shù)值的代數(shù)和。這些電壓、電流波以一定的速度運(yùn)動(dòng)，因此稱為行波[10]。把傳輸線上運(yùn)動(dòng)方向與規(guī)定方向一致的行波叫入射波，運(yùn)動(dòng)方向與規(guī)定方向不一致的行波叫反射波。入射波和反射波沿著各自的流向，振幅呈指數(shù)規(guī)律衰減，這是傳輸線上分布電阻和分布電導(dǎo)消耗電磁波能量的必然結(jié)果。

行波在輸電線中傳播，遇到阻抗不匹配點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生折反射現(xiàn)象。行波的反射程度可用發(fā)生反射的阻抗不匹配點(diǎn)的反射電壓(電流)與入射電壓(電流)之比來表示，比值稱為反射系數(shù)[10]。同理，可定義折射系數(shù)。如圖3所示，設(shè)有一波阻抗為Z1的線路1與另一波阻抗為Z2的線路2在節(jié)點(diǎn)A相連，當(dāng)行波到達(dá)節(jié)點(diǎn)A即發(fā)生折反射。折射波通過節(jié)點(diǎn)A向線路2方向傳播，反射波自節(jié)點(diǎn)A返回向線路1方向傳播。

圖3 行波折反射示意圖

行波在不同故障時(shí)的折反射情況如表1所示。

表1 不同故障的行波折反射情況

2 行波在電纜內(nèi)傳播特性仿真及試驗(yàn)分析研究

采用電磁暫態(tài)軟件EMTP-ATP對(duì)不同頻率的行波在電纜中的傳播特性進(jìn)行仿真分析。低壓脈沖法是向電纜中注入低壓脈沖，脈沖的選擇關(guān)系到反射波形的清晰度、幅值大小、畸變程度等。因此，選擇以下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真：

1)脈沖形狀：正弦半波，這是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，引起的衰減和畸變?cè)酱螅?/p>

2)脈沖幅值：選擇12 V發(fā)射脈沖可以滿足行波在電纜中傳播和防外破測(cè)距的需要。

2.1脈沖寬度對(duì)測(cè)試的影響

脈沖總有一定的時(shí)間寬度，假定為τ，則在τ時(shí)刻以內(nèi)傳播來的反射脈沖會(huì)與發(fā)射脈沖相重迭，無法區(qū)分發(fā)射和反射脈沖，因此就不能測(cè)出故障點(diǎn)距離，即出現(xiàn)了測(cè)量盲區(qū)。假設(shè)脈沖發(fā)射寬度是0.5 μs，電纜波速度為160 m/μs，其測(cè)量盲區(qū)就是40 m。儀器發(fā)送脈沖愈寬，測(cè)量盲區(qū)愈大。從減小盲區(qū)的角度看，發(fā)射脈沖越小越好，但脈沖愈窄，它所包含的高頻成分愈豐富，而線路高頻損耗大，會(huì)使反射脈沖幅值過小，波形畸變嚴(yán)重，影響遠(yuǎn)距離故障的測(cè)量效果。為解決這一問題，可以把發(fā)射脈沖寬度劃分成不同的寬度，根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近來選擇脈沖寬度：測(cè)量距離愈遠(yuǎn)，脈沖愈寬。

2.1.1 斷線故障

首先對(duì)電纜斷線情況進(jìn)行仿真，仿真模型如圖4所示。仿真模型由電源、開關(guān)、電纜LCC、電壓探頭V1組成。開關(guān)和低壓交流電源配合產(chǎn)生正弦半波脈沖，電壓探頭記錄了脈沖在電纜中的傳播過程。

圖4 電纜斷線仿真模型

設(shè)斷路點(diǎn)距測(cè)量端(首端)的距離為1 000 m，脈沖在電纜中的傳播速度為v=1.7×108m/s，行波在電纜中來回傳播一次的時(shí)間為

(1)

為避免發(fā)射脈沖和反射波疊加出現(xiàn)測(cè)量盲區(qū)，發(fā)射脈沖脈寬最大為11.8 μs。

在電纜中加幅值為12 V、脈寬不等的正弦脈沖半波，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖中的第1個(gè)脈沖是發(fā)射脈沖，幅值為12 V，第2個(gè)脈沖是首次反射脈沖，后續(xù)脈沖波是發(fā)射脈沖在電纜中不斷來回反射形成的。

由圖5可知，隨著脈寬的增大，首次反射脈沖幅值越大，說明脈寬越大，頻率越小，脈沖在電纜中傳播的損耗越小。但并不是脈寬越大越好，由圖5(c)、圖5(d)可以看到，脈寬較大時(shí)，脈沖波形開始整體上升，趨于穩(wěn)定的脈沖越來越大，這是由于發(fā)射和反射脈沖的疊加造成的。

表2 不同頻率脈沖在電纜中的行波數(shù)據(jù)

由表2可知，發(fā)射脈沖脈寬越小，行波衰減越大；脈寬越大，衰減越小，且行波趨于穩(wěn)定的值越大。前兩個(gè)脈沖(發(fā)射脈沖、首次反射脈沖)起點(diǎn)和波頭之間的時(shí)間間隔和理論計(jì)算值基本吻合，因此，可以通過波形測(cè)得斷點(diǎn)距離。由式(1)可知，脈沖往返一次所用時(shí)間約為11.8 μs，因此通過波頭時(shí)間間隔測(cè)得的誤差更小。

2.1.2 低阻故障

對(duì)于低阻故障，脈沖在末端反射系數(shù)為負(fù)數(shù)，首端反射系數(shù)為1，因此，反射脈沖會(huì)出現(xiàn)正負(fù)交替現(xiàn)象。圖6為電纜發(fā)生低阻故障的仿真圖。由圖6可知，反射脈沖出現(xiàn)正負(fù)交替現(xiàn)象，和理論分析吻合。而且隨著低阻故障值越來越大，首次反射脈沖幅值越來越小，這是因?yàn)榈妥韫收系刃ё杩购碗娎|本體阻抗越來越接近，反射系數(shù)越來越小。

(a)

(b)

(c)

(d)圖5 不同頻率的脈沖在定長度電纜中的傳播特性

(a)

(b)

(c)

(d)圖6 電纜低阻故障時(shí)的脈沖傳播波形

2.2固定頻率的行波在不同長度的電纜中的傳播特性

當(dāng)發(fā)射脈沖脈寬一定時(shí)，電纜斷點(diǎn)位置不同也會(huì)引起脈沖波形的不同，斷線故障仿真結(jié)果如圖7所示。由于傳播損耗的存在，電纜越長，首次反射脈沖幅值越小。從圖7中還可以看出，斷點(diǎn)越遠(yuǎn)，各反射脈沖波頭之間距離越大，脈沖波頭越容易識(shí)別，這與電纜越長，脈沖在電纜中的傳播時(shí)間越長相對(duì)應(yīng)。

(a)

(c)

(d)圖7 固定頻率的行波在電纜切割點(diǎn)不同時(shí)的傳播特性

不同行波的數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。經(jīng)理論計(jì)算和表3數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，首次反射脈沖和發(fā)射脈沖間隔與理論計(jì)算值基本吻合，而通過波頭測(cè)量斷點(diǎn)距離誤差更小，和不同頻率脈沖在電纜中傳播的仿真結(jié)果一致。

表3 固定頻率的行波在電纜切割點(diǎn)

2.3接頭對(duì)行波傳播的影響

對(duì)有接頭的電纜進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖8所示，可知，電纜接頭在仿真波形上能反映出來，但其對(duì)整個(gè)行波波形的影響較小，不影響故障的判別。

圖8 有接頭的電纜仿真波形

3 結(jié) 論

采用低壓脈沖法研究了電力電纜外力破壞檢測(cè)技術(shù)，分析了行波頻率、不同故障、電纜接頭對(duì)行波在電纜內(nèi)的傳播特性，得到以下結(jié)論：

1)電纜斷路故障時(shí)反射波形與發(fā)射波形極性相同，采用發(fā)射脈沖波頭與首個(gè)反射脈沖波頭的時(shí)間間隔可以對(duì)斷點(diǎn)進(jìn)行定位；

2)低阻故障時(shí)，反射脈沖會(huì)出現(xiàn)正負(fù)交替現(xiàn)象，并且接地電阻越大首次反射脈沖幅值越?。?/p>

3)行波檢測(cè)可以檢測(cè)出電纜接頭位置，且不影響故障的判別。

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With the further development of transformation for urban power grid, power cables are more and more widely used. Once the power cable fails, it will seriously endanger the safety of power grid and people′s property. The external destruction is the most important factor of cable faults. The EMTP-ATP electromagnetic transient simulation software is adopted to establish the models of different cable fault. The propagation characteristics of traveling wave with different frequency in the cable are studied, and the propagation characteristics of traveling wave in the cable connectors under different faults are analyzed. The results show that the proposed method can effectively detect the location of external destruction for power cable.

fault location; external destruction prevention; power cable; low-voltage pulse

TM757

：A

：1003-6954(2017)04-0048-05

2017-06-13)

余 坤 (1987)，工程師，主要從事電力和新能源的技術(shù)管理和評(píng)審工作； 赫志偉(1982)，碩士研究生、高級(jí)工程師，主要從事電力、新能源的技術(shù)管理與評(píng)審工作； 王善民(1979)，本科、工程師，主要從事電力和能源的技術(shù)管理工作。