高壓單芯電纜短路故障點檢測方法與流程

2023-06-11 04:06:26

本發明涉及一種用於確定電纜交叉互聯段內的一段電纜中發生短路故障的具體位置的高壓單芯電纜短路故障點檢測方法。

背景技術：

當前的電纜故障定位模式主要有兩種：一是利用距離保護裝置的保護測距，二是利用電子傳感器的行波法故障定位模式。1)基於參數識別的距離保護原理採用故障後系統變化的參數構成保護判據，而電力電纜線路分布參數特性明顯、包含多個完整的交叉互聯段、線路通道環境複雜，這將顯著影響距離保護算法的動作性能。由於測量阻抗與故障距離不再呈正比關係，傳統距離保護算法的保護範圍將縮小。在實際應用中，利用線路阻抗的距離保護還存在著線路阻抗計算不準確、線路長度信息不完整的情況，因而無法確定電纜中發生短路故障的具體位置。2)行波法通過檢測故障線路上的暫態行波在母線與故障點之間的傳播時間進行故障測距，由於暫態行波的傳播速度接近光速，基於行波法的故障定位模式存在噪聲消除和波頭時刻提取的問題，另外，多個交叉互聯段和複雜的線路通道環境造成長電纜線路的波速度不統一、波阻抗不連續，這類方法難以應用於實際的長電纜線路中進行故障位置的精準定位。

申請號為201611128521.0的發明專利《高壓單芯電纜交叉互聯結構的短路故障定位方法及裝置》中公開了一種基於電流信號的方向來對短路故障進行定位的方法，當該方法僅能判斷出短路故障發生於電纜交叉互聯結構中的哪一段電纜，而在該電纜中的具體故障點卻無法確定。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能夠快速、準確地確定電纜中發生短路故障的具體位置的高壓單芯電纜短路故障點檢測方法。

為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：

一種高壓單芯電纜短路故障點檢測方法，用於確定發生短路故障的電纜中故障點的具體位置，所述高壓單芯電纜短路故障點檢測方法為：在所述電纜中取n個採樣點，分別假設各個所述採樣點發生短路故障並進行仿真，分別計算短路故障發生於各個所述採樣點時所述電纜兩端的護層電流的相位差，並根據計算出的各相位差進行擬合，得到所述電纜對應的發生短路故障的故障點位置與相位差的關係式；當所述電纜中發生短路故障時，根據所述發生短路故障的故障點位置與相位差的關係式求解確定發生短路故障的故障點的具體位置。

優選的，以所述電纜的一端為原點，以所述故障點與所述原點之間的距離表徵發生短路故障的故障點的位置。

優選的，所述故障點與所述原點之間的距離與所述相位差呈線性關係。

優選的，以所述電纜的靠近電源的一端為所述原點。

優選的，所述電纜上以等間距選取所述採樣點。

由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：本發明能夠快速、準確地確定一段電纜中發生短路故障的具體位置，可以實現較精確的定位，並可以實現在線監測，故障發生後能夠及時找出故障點。

附圖說明

圖1為簡單的電力系統的示意圖。

圖2為高壓單芯電纜交叉互聯段中故障電流流向示意圖。

圖3為高壓單芯電纜交叉互聯段中高壓電纜金屬護層的感應電壓和護層電流的等效電路示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖所示的實施例對本發明作進一步描述。

實施例一：附圖1所示為一種點單的電力系統，它有電源——傳輸線——負載組成，其中傳輸線部分採用高壓電纜。該圖1中傳輸線採用一個完整的電纜交叉互聯段，該電纜交叉互聯段連接於第一接地箱g1和第二接地箱g2之間，其包括三相線路，分別為a相線路、b相線路和c相線路。每相線路均包括依次編號從1至3的3段單芯電纜，則a相線路中的三段單芯電纜分別為a1、a2、a3；b相線路中的三段單芯電纜分別為b1、b2、b3；c相線路中的三段單芯電纜分別為c1、c2、c3。每相線路中所包含的各段單芯電纜的線芯直接依次相連接，從而構成各相線路。每段單芯電纜均具有兩端，分別為前端和後端。三相線路中各自的第1段單芯電纜，即a1、b1、c1的金屬護層前端分別與第一接地箱g1相連接，a相線路中的第1、2段單芯電纜a1、a2的金屬護層後端通過交叉互聯箱j1、j2分別與b相線路中第2、3段單芯電纜b2、b3的金屬護層前端相連接，b相線路中的第1、2段單芯電纜b1、b2的金屬護層後端通過交叉互聯箱j1、j2分別與c相線路中第2、3段單芯電纜c2、c3的金屬護層前端相連接，c相線路中的第1、2段單芯電纜c1、c2的金屬護層後端通過交叉互聯箱j1、j2分別與a相線路中第2、3段單芯電纜a2、a3的金屬護層前端相連接。三相線路中各自的第3段單芯電纜a3、b3、c3的金屬護層後端分別與第二接地箱g2相連接。這裡所說的「前端」指各段單芯電纜中靠近第一接地箱g1的一端，即靠近電源的一端，而靠近第二接地箱g2的一端，即靠近負載的一端稱之為「後端」。

當上述電纜交叉互聯段中發生短路故障時，可以採用以下方法確定短路故障發生在哪一段單芯電纜中：在a1、b1、c1的金屬護層的前端分別設置電流互感器i1a、i1b、i1c，再在各段單芯電纜的金屬護層的後端分別設置電流互感器，分別為i2a、i2b、i2c、i3a、i3b、i3c、i4a、i4b、i4c。無故障發生時，受交叉互聯影響，各段單芯電纜的金屬護層由線芯感應的電流有線。當任何一段單芯電纜出現電纜線路擊穿故障時，其線芯對金屬護層形成短路，線芯電流直接通過金屬護層並從其兩端的接地點流入大地，引起故障段單芯電纜以及交叉互聯段單芯電纜的金屬護層電流升高，護層電流大小接近故障電流。同時，由於電磁耦合效應，故障線路臨近的線路也會感應產生一個較大的電流。以a1-b2-c3互聯段為例，如附圖2所示，假設故障發生在單芯電纜b2段中，則故障電流由故障點沿金屬護層向b2兩端流出，在b2前端，電流經交叉互聯箱j1、電流互感器i2a流入a1的金屬護層後入地，在b2後端，電流經電流互感器i3b、交叉互聯箱j2流入c3的金屬護層後入地。則流經單芯電纜b2段兩端的兩個電流互感器i2a和i3b中的電流方向相反。而對於非故障段，如c3，其兩端的兩個電流互感器i3b和i4c中的電流方向相同。但是對於第一段的單芯電纜a1，由於其前端的電流互感器i1a的設置位置導致了其電流參考方向與其他電流互感器中的電流參考方向相反，因此單芯電纜a1段兩端的兩個電流互感器i1a和i2b中的電流方向相同。基於以上特徵，首先對於三相線路中各自的第1段單芯電纜a1、b1、c1，定義其金屬護層的前端直接檢測到的電流信號的反向信號為該第1段單芯電纜a1、b1、c1各自的護層前端電流；對於三相線路中各自的第1、2段單芯電纜a1、b1、c1、a2、b2、c2，定義其金屬護層的後端直接檢測到的電流為該第1、2段單芯電纜的護層後端電流和與其相連接的第2、3段單芯電纜的護層前端電流；對於三相線路中各自的第3段單芯電纜a3、b3、c3，定義其金屬護層的後端直接檢測到的電流為該第3段單芯電纜的護層後端電流。即在圖1所示的結構中，a1的金屬護層前端直接檢測到的電流信號i1a的反向信號為a1的護層前端電流，b1的金屬護層前端直接檢測到的電流信號i1b的反向信號為b1的護層前端電流，c1的金屬護層前端直接檢測到的電流信號i1c的反向信號為c1的護層前端電流；i2a同時為a1的護層後端電流和b2的護層前端電流，i3b同時為b2的護層後端電流和c3的護層前端電流，i2b同時為b1的護層後端電流和c2的護層前端電流，i3c同時為c2的護層後端電流和a3的護層前端電流，i2c同時為c1的護層後端電流和a2的護層前端電流，i3a同時為a2的護層後端電流和b3的護層前端電流；i4a為a3的護層後端電流，i4b為b3的護層後端電流，i4c為c3的護層後端電流。則根據各段單芯電纜的護層後端電流和護層前端電流是否方向相反而判斷各段單芯電纜中是否發生短路故障；若任一段單芯電纜的護層後端電流和護層前端電流方向相反，則該段單芯電纜中發生短路故障。通常直接檢測三相線路中各自的第1段單芯電纜的金屬護層前端的電流信號，並將直接檢測到的電流信號的工頻相位反相而得到該第1段單芯電纜的護層前端電流的工頻相位；直接檢測三相線路中各自的第1、2段單芯電纜的金屬護層後端的電流信號，並將直接檢測到的電流信號的工頻相位作為該第1、2段單芯電纜的護層後端電流的工頻相位和與其相連接的第2、3段單芯電纜的護層前端電流的工頻相位；直接檢測三相線路中各自的第3段單芯電纜的金屬護層後端的電流信號，並將直接檢測到的電流信號的工頻相位作為該第3段單芯電纜的護層後端電流的工頻相位。以上過程中，對各直接檢測到的電流信號做快速傅立葉變換而的到其工頻相位。電流方向相反通過相位來體現，因此，根據各段單芯電纜的護層後端電流的工頻相位與其護層前端電流的工頻相位之差即可判斷各段單芯電纜的護層後端電流和護層前端電流是否方向相反。當電流方向相反時，電流信號的相位差為180°左右。以下用b(i)表示電流信號i的工頻相位(單位為角度)，p(section)表示對應段單芯電纜的護層後端電流的工頻相位與其護層前端電流的工頻相位之差(section∈[「a1」、「b1」、「c1」、「a2」、「b2」、「c2」、「a3」、「b3」、「c3」])，則：

p(a1)＝b(i2a)-[b(i1a)+180]

p(b1)＝b(i2b)-[b(i1b)+180]

p(c1)＝b(i2c)-[b(i1c)+180]

p(a2)＝b(i3a)-b(i2c)

p(b2)＝b(i3b)-b(i2a)(1)

p(c2)＝b(i3c)-b(i2b)

p(a3)＝b(i4a)-b(i3c)

p(b3)＝b(i4b)-b(i3a)

p(c3)＝b(i4c)-b(i3b)

若任一段單芯電纜的護層後端電流的工頻相位與其護層前端電流的工頻相位之差p(section)在以±180°為中心的相位允許範圍之內時，則判斷該段單芯電纜的護層後端電流和護層前端電流方向相反。由於一個交叉互聯段內的電纜線路一般不超過500m，故障時兩端的護層電流信號的相位差不會因故障點距離兩端長度不相等而有顯著差別，而故障段和非故障段的相位區別則較大，因此在制定故障區段判據是可以留有較大的裕度，如相位允許範圍為(120°，240°)∪(-240°，-120°)，當相位差處於上述範圍時，則認為發生了短路故障。而非故障的單芯電纜端兩端的相位差非常小，在±30°之內，故採用上述方法即可以判斷出短路故障所在的電纜段。

確定短路故障發生位置所在的電纜段後，還需進一步確定故障點在該段電纜中的具體位置。仍以上述a1-b2-c3互聯段為例，其高壓電纜金屬護層的感應電壓和護層電流的等效電路示意圖如圖3所示，其中護層電流im1為：

在無故障的情況下，護層電流im1有時能達到幾安甚至是十幾安，感應電壓並不大，但是護層阻抗很小。而且zma1、zmb2和zmc3都是感性的。而接地電阻rg是純阻性的。因此，接地電阻rg的大小能影響阻抗的性質。如果接地電阻rg較小，zma1、zmb2和zmc3的感性分量較大，感應電壓對護層電流的影響較大，因此感性分量體現在對相位差的影響較大。如果接地電阻rg較大，zma1、zmb2和zmc3的感性分量較小，護層阻抗迴路整體上阻性分量較大，因此感性分量體現在對相位差的影響較小。正常運行情況下的接地電阻一般不超過0.5ω，在0.5ω下。

一種用於確定發生短路故障的電纜中故障點的具體位置的高壓單芯電纜短路故障點檢測方法，為：針對每一段電纜，首先在電纜中取n個採樣點，分別假設各個採樣點發生短路故障並進行仿真，分別計算短路故障發生於各個採樣點時電纜兩端的護層電流的相位差，並根據計算出的各相位差進行擬合，得到電纜對應的發生短路故障的故障點位置與相位差的關係式。當電纜中發生短路故障時，根據發生短路故障的故障點位置與相位差的關係式求解確定發生短路故障的故障點的具體位置。

在上述高壓單芯電纜短路故障點檢測方法中，通常以電纜的一端(靠近電源的一端)為原點，以故障點與原點之間的距離l表徵發生短路故障的故障點的位置。在選取採樣點時，在電纜上以等間距選取採樣點。預先需對每段電纜分別選取採樣點並計算、擬合。從而得出故障點與原點之間的距離與相位差呈線性關係。

例如，本發明針對一條110kv電纜線路進行了仿真計算，該線路三相直埋水平敷設，電纜型號為yjlw03，三相平衡負載，每段電纜500m，線路全長1500m。由首段電纜前端開始，每隔50m取一個採樣點並作為故障點進行一次仿真，計算了故障點不同位置下的p值，最後對p值進行擬合，可以得到故障點位置與p值的關係，如方程組式(3)所示。其中l表示故障點距離該電纜段電源端(前端)的距離(0<l<500)。

p(a1,l)＝-0.02265l+143.8

p(b1,l)＝-0.02271l+143.8

p(c1,l)＝-0.02278l+143.9

p(a2,l)＝-0.05034l+184.8

p(b2,l)＝-0.04848l+176.6(3)

p(c2,l)＝-0.04581l+168.7

p(a3,l)＝-0.06439l+191.3

p(b3,l)＝-0.06434l+190.1

p(c3,l)＝-0.06444l+191.3

則在實際發生故障時，可以根據上述方程組式(3)中的一個關係式計算出故障點與其所在電纜前端的距離l，從而確定故障點的位置。

本發明利用高壓單芯電纜護層電流進行短路故障定位。根據高壓單芯電纜交叉互聯的特點和短路故障下電流流向特點，通過監測高壓電纜的護層電流，提取護層電流信號的工頻分量幅值和相位信息，判斷護層電流的流向，首先確定高壓電纜的故障區段。接著，每個交叉互聯段兩端護層電流的相位差與接地電阻、故障點位置和負荷電流有關，根據接地電阻、負荷電流和護層電流的相位差可更精確的判斷故障點位置。

上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。