电力电缆故障的精确定位辅助装置和方法与流程

本发明属电力电缆故障的定位技术范畴；特别是指立足现有电力电缆测距装备，借助市区电缆井设施和精确定位辅助装置，降低现有声磁仪定点作业量、即精确定位作业量的辅助装置和方法。
背景技术：
：2014年，我国的发电装机容量和发电量分别达13.6亿千瓦、54638亿千瓦时，取得了举世瞩目的成就。标志性行业创新成果亦层出不穷：发电和输电领域的100万千瓦超超临界发电机组和100万伏特高压输电，变电领域的无人值守变电站，配电领域的电力电缆普及。以二线城市X市为例，1981年12月环湖电力电缆取代架空明线拉开了电缆配电的序幕，俗称“上改下工程”；截止2014年12月，X市的10kV电力电缆线路总长8500km，占配电线路总里程的85.8％，而市区的电力电缆替代率已占98.2％。我国配电主要采用两种线路：架空明线和电力电缆。随着城市化进程的持续推进，配电线路逐步从架空明线过渡到地下电缆。相对架空明线，电力电缆的优点是：地下敷设的电缆不占地面空间，而且同一地下电缆通道可容纳多回线路；市区电缆供电有利于市容，就高密度人口的城区而言、美化市容的意义巨大；外界环境对电力电缆的影响较小，供电可靠性高；电缆位于地下，人员的安全性较高；电力电缆的运维费用较低。统计表明，源由电力电缆材料和生产工艺的改良，电力电缆敷设工程的改进，电力电缆运行维护流程的改善；对比相同使用年限的10kV电力电缆故障率，后期较早期投运的电力电缆呈缓慢下降的态势。但是，从业者的感受却截然不同--电力电缆的故障数居高不下，呈不断上升的态势。两种貌似相悖的观点都对，区别在于比较的参照物不同。X市敷设的10kV标准电力电缆長600m，考虑到运维之需，市区每隔20m左右设置一座电缆井；电缆和电缆接头的设计(理论)寿命分别为30～40、15～30年；但实际指标严重偏离理论值：电缆寿命降至15～30年、电缆接头仅5～10年。一方面，技术进步使电力电缆的可靠性得到某种程度的提高，即相同条件下的电力电缆故障率减小。另一方面，电力电缆敷设量逐年递增，导致电力电缆故障数往往不降反升(电力电缆故障数＝电力电缆敷设量×电力电缆故障率)。我国的大规模“上改下工程”始于20世纪90年代前后，时间跨度≥20年；同时少量的“上改下工程”按需实施延续至今，并将继续推行。不难发现，早期敷设的电力电缆已经或正在步入使用寿命期的终点，故障率必然陡增；因此，业者面对不断增加、居高不下的电力电缆故障时，锚泊“亚力山大港”的感悟油然而生、挥之不去。2012～2014年，X市电力电缆故障的统计数据见下表。必须指出，X市非个案特例，我国大中城市电力电缆的现状大同小异、形势严峻！2012～2014年X市的电力电缆故障统计数据年份201220132014电力电缆故障数(次)513604723相对2012年的比值100％117.7％140.9％电力电缆的主要缺点是故障排除不易，排除故障的关键技术是故障定位。故障定位业内通行的处理方法包括测距和定点两个环节，测距也称粗(预)定位、定点亦称精确定位。测距基于脉冲反射机理，包括50年代的低压脉冲反射法、70年代的高压脉冲电压法、80年代的高压脉冲电流法和90年代的二次脉冲法。定点常用的方法有冲击放电声测法、声磁同步法、音频感应法、跨步电压法和红外热成像法。X市承担电力电缆运维的标准基本组织包括4人组成的检修组，一台2.5吨检修专用皮卡车。故障定位流程由测距、定点两个串联环节组成；采用ZDJ型中低压电缆检测仪，根据电桥平衡原理估算故障点；在测距估祘的故障点±150m范围，借助GYD型声磁仪进行定点作业--沿电力电缆走向、检测放电的声音信号实施定点(精确定位)。目前，X市处理电力电缆平均耗时72小时/次，72小时的2/3时间用在故障定位，而定点耗时贡献了故障定位总耗时的9成。显然，提高故障定位效率的切入点是压缩定点(精确定位)时间。测距环节精度受到内外双重因素的制约，测距装备的精度和测距方法的效能是内部制约因素。外部制约因素则是敷设的电力电缆非理想直线，存在弯曲迂回、上下起伏现象，即便测距数据精确、仍偏离故障点的实际地理位置；换言之，测距数据表征电力电缆长度，但不能表征地面的实际长度，一般情况下存在±5％误差。X市的电力电缆标配長1.5km的联络电缆，测距给出的故障点误差±150m。声磁同步法的机理简单，对故障电力电缆施加高压脉冲，故障点产生伴随声音和电磁波信号的放电；操作员在地面沿着电力电缆走向、通过声磁仪采集放电时产生的声音和电磁波信号，根据声音和磁信号传播的时间差、推祘故障点位置，一旦侦听到声音信号最强点、该位置就是故障点位置。300m区间内确定故障点的技术难度和作业量极大，需反复侦听和复核、费时费力；目前，训练有素的操作员当且仅当步入故障点0.5m区域时，才有可能判定故障点。从市区复杂的噪音、电缆电磁力振动噪声干扰中区分出只有10分贝的放电声音，难！电力行业逐步淘汰直埋式电缆，推广穿管或地沟式铠装电缆，提高了电缆的可靠性。因为穿管或地沟式电缆与土壤没有直接接触，而电缆金属护层又会屏蔽故障点放电的电磁场，被衰减的故障点声磁信号增加了声磁同步法的难度。本发明立足现有电力电缆测距装备，测得300m的故障区间。通过精确定位辅助装置相距1m安装的双压电声波传感单元，在电缆井的电力电缆上直接检测故障点的声波信号、判断声波方向并压缩故障区；基于二分法结合电缆長度均衡的准则分割故障区，使故障点的故障区间压缩至两座电缆井之间。立足现有电力电缆声磁仪，在两座电缆井之间对故障点实施定点作业。目前，故障定位领域的研究聚焦在测距祘法和数据处理，遗憾的是研究成果对电力电缆运维的支持有限。电力电缆故障定位
技术领域：
较有代表性的知识产权成果综述如下：·发明专利“电力电缆故障行波同步测距方法”(ZL201110388496.0)，提出通过对被测电力电缆故障相和完好相在测试点对端短路状态下，测量故障相和完好相的故障点击穿的行波反射的起始点时间，计算出测试点到故障点的距离，实现电力电缆故障的精确测距。·发明专利“一种基于小波差分算法的电缆故障测距方法”(ZL201010235507.7)，提出一种基于小波差分算法的电缆故障测距方法，故障点确定过程包括一维信号选取、小波变换及小波系数求解、模极大值点检测、极大值点后的奇异点排序、一阶差分运算、差值比较和采用不受波速影响的单端故障测距法对电缆故障位置进行测距运算。·发明专利“电缆故障预定点检测方法及检测装置”(ZL200510012644.3)，提出由高压直流脉冲发生单元经过放电单元对故障电缆放电，由音频信号注入单元在电弧稳定存在的时间段内，对电缆在已引燃电弧的基础上叠加一个音频脉动直流电流，对电缆故障点进行初步的粗测预定点检测。上述有益探索，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限。因此，有必要在现有电力电缆故障定位技术成果的基础上，作进一步的创新设计。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种电力电缆故障的精确定位辅助装置和方法。精确定位辅助装置由第1压电声波传感单元、第2压电声波传感单元、第1信号调理单元、第2信号调理单元、第1信号差分单元、第2信号差分单元和显示装置组成；第1压电声波传感单元安装在故障电缆的左端、第2压电声波传感单元安装在故障电缆的右端，左右两端相距1m，第1信号调理单元、第2信号调理单元、第1信号差分单元和第2信号差分单元集成在一块PCB板；显示装置包括双踪示波器或高速记录仪；第1压电声波传感单元与第1信号调理单元相连，第2压电声波传感单元与第2信号调理单元相连；第1信号调理单元的输出接入第1信号差分单元和第2信号差分单元，第2信号调理单元与第1信号调理单元相同连接；第1信号差分单元和第2信号差分单元的输出与显示装置相连；第1压电声波传感单元包括上半圆环、下半圆环，圆环采用添加玻璃纤维的固态硅胶隔音复合材料制造，圆环的内径等于铠装电力电缆的外径；上半圆环两端口的侧面各设1只箱扣固定件，两端口的端面各开1个凹圆锥孔；在上半圆环的中央、圆环的内侧预留安装孔，安装孔中嵌入弧形薄金属片，薄金属片上粘合压电陶瓷片构成压电敏感元；弧形薄金属片的内径等于圆环内径减0.5mm，材料为镍铬钛合金，压电陶瓷材料采用二元系锆钛酸铅(PZT)，分别从弧形薄金属片和压电陶瓷片的电极面引出两条信号线；下半圆环两端口的侧面各设1只箱扣活动件，两端口的端面各置1个凸圆锥体，凸圆锥体与凹圆锥孔为过渡配合；故障电缆上安装压电声波传感单元时，凸圆锥体插入凹圆锥孔，箱扣活动件套入箱扣固定件并扣紧，确保弧形薄金属片与铠装电力电缆金属护层的可靠接触；第2压电声波传感单元的组成、结构和安装方式，与第1压电声波传感单元相同。所述的第1信号调理单元以第1运放、第2运放和第3运放为核心，运放型号OP-27，第1运放和第2运放构成自举反馈前置放电路，第3运放构成带通滤波器；电阻R300、R312和电容C311相连，第1压电声波传感单元的输出接入电容C311的另一端；电阻R312的另一端与电阻R311相连后接入第1运放的脚2，电阻R311的另一端与第1运放的脚6相连，电阻R313的一端接地、另一端接入第1运放的脚3；电阻R323的一端接地、另一端接入第2运放的脚3，电阻R322、R321相连接入后第2运放的脚2；电阻R322的另一端与第1运放的脚6相连，电阻R321的另一端与R300的另一端相连后接入第2运放的脚6；电容C330、C333和电阻R330、R331相连，R331的另一端接地，R330的另一端与第1运放的脚6相连；电阻R332的一端接地、另一端接入第3运放的脚2，电阻R333与电容C333的另一端相连后接入第3运放的脚3，电容C334的一端接地、另一端接入第3运放的脚4，电容C337的一端接地、另一端接入第3运放的脚7，电容C330的另一端与电阻R333的另一端相连后接入第3运放的脚6；第3运放的脚6输出VOUT1至第1信号差分单元和第2信号差分单元；第2信号调理单元的组成、结构和连结方式，与第1信号调理单元相同，其输出为VOUT2。所述的第1信号差分单元以第51运放、第52运放和第53运放为核心，构成缓冲减法器信号差分电路，运放型号OP-27；第1信号调理单元的输出VOUT1接入第51运放的脚3，第2信号调理单元的输出VOUT2接入第52运放的脚2；电阻R511、R512、R522和R521串联，电阻R512和R522的公共端接地，电阻R511和R512的公共端与第51运放的脚2相连，电阻R521和R522的公共端与第52运放的脚3相连，电阻R510与R511的公共端相连后接入第51运放的脚6，电阻R520与R521的另一端相连后接入第52运放的脚6；电阻R531与R510的公共端相连后接入第53运放的脚3，电阻R531的另一端接地，电阻R532与R520的公共端相连后接入第53运放的脚2，电阻R532的另一端与第53运放的脚6相连后接入显示装置；当R511＝R512、R521＝R522、R510＝R520和R531＝R532时，第53运放的脚6输出VΔOUT1＝(VOUT1-VOUT2)×(1+R521/R522)×(R532/R520)；第2信号差分单元的组成、结构和连结方式，与第1信号差分单元相同；其输出VΔOUT2＝(VOUT2-VOUT1)×(1+R621/R622)×(R632/R620)。一种使用所述装置的精确定位辅助方法，作业流程包括步骤0～6，具体如下：0.定义初始故障区借助ZDJ型中低压电缆检测仪，确定故障点，并以故障点±150m范围作为初始故障区；1.定义初始故障辅助电缆井将距离故障点最近的电缆井作为初判的故障辅助电缆井；2.安装精确定位辅助装置2-1.在电缆相距1m的左右端分别安装第1压电声波传感单元和第2压电声波传感单元；2-2.压电声波传感单元与信号调理单元相连；2-3.信号差分单元与双踪示波器或高速记录仪相连；3.判定故障点放电的声波方向3-1.对故障电缆施加高压脉冲；3-2.第1压电声波传感单元采集的声波信号在前，判定故障点位于故障辅助电缆井靠近第1压电声波传感单元一侧；第1压电声波传感单元采集的声波信号在后，判定故障点位于故障辅助电缆井靠近第2压电声波传感单元一侧；4.压缩故障区故障区间＝故障区左/右端与故障辅助检测井5.二分法分割故障区5-1.若故障区仅有两座电缆井，直接转步骤65-2.若故障区不止两座电缆井，选择故障辅助电缆井电缆井中点序数结合电缆長度均衡的准则取整，转步骤26.采用GYD型高压一体化定点声磁仪，对故障点实施定点作业。本发明与
背景技术：
相比，具有的有益效果是：精确定位辅助装置和方法沿袭电力电缆故障的主流定位作业流程，立足现有技术与装备，借助市区电缆井展开，便于业界推广。在电缆井电力电缆上直接采集故障点放电的声波信号，信号的信噪比和强度优于声磁仪在地面检测的信号，有利于正确定位。声波在铠装电力电缆金属保护网中的传播速度900m/S，通过精确定位辅助装置相距1m安装的双路压电声波传感器，定性判定故障点声波方向并压缩故障区；降低了辅助装置的技术门槛，辅助装置不仅易用可靠、而且可采用普通硬件实现。辅助装置对故障点声波信号进行差分处理，克服了环境噪音和电力电缆电磁力振动噪声的共模干扰。基于二分法结合电缆長度均衡的准则分割故障区，提高了测距精度、降低了定点作业量。压电声波传感单元的圆锥过渡配合、箱扣件和弧形薄金属片内径等于电缆内径-0.5mm，提高了信号采集的有效性。附图说明图1是精确定位辅助装置的结构框图；图2是第1压电声波传感单元的结构图；图3是第1信号调理单元的电路图；图4是第1信号差分单元的电路图；图5是精确定位辅助装置的作业流程图。具体实施方式如图1所示，精确定位辅助装置由第1压电声波传感单元100、第2压电声波传感单元200、第1信号调理单元300、第2信号调理单元400、第1信号差分单元500、第2信号差分单元600和显示装置700组成；第1压电声波传感单元100安装在故障电缆的左端、第2压电声波传感单元200安装在故障电缆的右端、左右两端相距1m，第1信号调理单元300、第2信号调理单元400、第1信号差分单元500和第2信号差分单元600集成在一块PCB板；显示装置700包括双踪示波器或高速记录仪。第1压电声波传感单元100与第1信号调理单元300相连，第2压电声波传感单元200与第2信号调理单元400相连；第1信号调理单元300的输出接入第1信号差分单元500和第2信号差分单元600，第2信号调理单元400与第1信号调理单元300相同连接；第1信号差分单元500和第2信号差分单元600的输出与显示装置700相连。如图2所示，第1压电声波传感单元100包括上半圆环10、下半圆环60，圆环采用添加玻璃纤维的固态硅胶隔音复合材料制造，圆环的内径等于铠装电力电缆的外径；上半圆环10两端口的侧面各设1只箱扣固定件1，两端口的端面各开1个凹圆锥孔2；在上半圆环10的中央、圆环的内侧预留安装孔，安装孔中嵌入弧形薄金属片20，薄金属片上粘合压电陶瓷片30构成压电敏感元；弧形薄金属片的内径等于圆环内径减0.5mm，材料为镍铬钛合金，压电陶瓷材料采用二元系锆钛酸铅(PZT)、分别从弧形薄金属片和压电陶瓷片的电极面引出两条信号线；下半圆环60两端口的侧面各设1只箱扣活动件61，两端口的端面各置1个凸圆锥体62、凸圆锥体62与凹圆锥孔2为过渡配合；故障电缆上安装压电声波传感单元时，凸圆锥体62插入凹圆锥孔2，箱扣活动件61套入箱扣固定件1并扣紧，确保弧形薄金属片20与铠装电力电缆金属护层的可靠接触；第2压电声波传感单元200的组成、结构和安装方式，与第1压电声波传感单元100相同。如图3所示，第1信号调理单元300以第1运放310、第2运放320和第3运放330为核心，运放型号OP-27，第1运放310和第2运放320构成自举反馈前置放电路，第3运放330构成带通滤波器；电阻R300、R312和电容C311相连，第1压电声波传感单元100的输出接入电容C311的另一端；电阻R312的另一端与电阻R311相连后接入第1运放310的脚2，电阻R311的另一端与第1运放310的脚6相连，电阻R313的一端接地、另一端接入第1运放310的脚3；电阻R323的一端接地、另一端接入第2运放320的脚3，电阻R322、R321相连接入后第2运放320的脚2；电阻R322的另一端与第1运放310的脚6相连，电阻R321的另一端与R300的另一端相连后接入第2运放320的脚6；电容C330、C333和电阻R330、R331相连，R331的另一端接地，R330的另一端与第1运放310的脚6相连；电阻R332的一端接地、另一端接入第3运放330的脚2，电阻R333与电容C333的另一端相连后接入第3运放330的脚3，电容C334的一端接地、另一端接入第3运放330的脚4，电容C337的一端接地、另一端接入第3运放330的脚7，电容C330的另一端与电阻R333的另一端相连后接入第3运放330的脚6；第3运放330的脚6输出VOUT1至第1信号差分单元500和第2信号差分单元600；第2信号调理单元400的组成、结构和连结方式，与第1信号调理单元200相同，其输出为VOUT2。如图4所示，第1信号差分单元500以第51运放510、第52运放520和第53运放530为核心，构成缓冲减法器信号差分电路，运放型号OP-27；第1信号调理单元的输出VOUT1接入第51运放510的脚3，第2信号调理单元的输出VOUT2接入第52运放520的脚2；电阻R511、R512、R522和R521串联，电阻R512和R522的公共端接地，电阻R511和R512的公共端与第51运放510的脚2相连，电阻R521和R522的公共端与第52运放520的脚3相连，电阻R510与R511的公共端相连后接入第51运放510的脚6，电阻R520与R521的另一端相连后接入第52运放520的脚6；电阻R531与R510的公共端相连后接入第53运放530的脚3，电阻R531的另一端接地，电阻R532与R520的公共端相连后接入第53运放530的脚2，电阻R532的另一端与第53运放530的脚6相连后接入显示装置700；当同时满足R511＝R512、R521＝R522、R510＝R520和R531＝R532时，第53运放530的脚6输出VΔOUT1＝(VOUT1-VOUT2)×(1+R521/R522)×(R532/R520)；第2信号差分单元600的组成、结构和连结方式，与第1信号差分单元500相同；但其输出VΔOUT2＝(VOUT2-VOUT1)×(1+R621/R622)×(R632/R620)。说明：双踪示波器优选数字存储示波器，带宽≥100MHz。高速记录仪可选用申请人发明的“高速高精度记录仪及其采样数据自校正和高位匹配方法，ZL201010573014.4”或“基于多机协同架构的快速记录仪及自标定和多机协同方法，ZL201110000282.1”。如图5所示，精确定位辅助装置的作业流程如下：0.定义初始故障区借助ZDJ型中低压电缆检测仪，确定故障点，并以故障点±150m范围作为初始故障区；1.定义初始故障辅助电缆井将距离故障点最近的电缆井作为初判的故障辅助电缆井；2.安装精确定位辅助装置2-1.在电缆相距1m的左右端分别安装第1压电声波传感单元和第2压电声波传感单元；2-2.压电声波传感单元与信号调理单元相连；2-3.信号差分单元与双踪示波器或高速记录仪相连；3.判定故障点放电的声波方向3-1.对故障电缆施加高压脉冲；3-2.第1压电声波传感单元采集的声波信号在前，判定故障点位于故障辅助电缆井靠近第1压电声波传感单元一侧；第1压电声波传感单元采集的声波信号在后，判定故障点位于故障辅助电缆井靠近第2压电声波传感单元一侧；4.压缩故障区故障区间＝故障区左/右端与故障辅助检测井5.二分法分割故障区5-1.若故障区仅有两座电缆井，直接转步骤65-2.若故障区不止两座电缆井，选择故障辅助电缆井电缆井中点序数结合电缆長度均衡的准则取整，转步骤26.采用GYD型高压一体化定点声磁仪，对故障点实施定点作业。说明1：考虑到电力电缆故障定位流程的完整性，将非精确定位的步骤“0”、精确定位的步骤“6”，一併列入辅助精确定位的作业流程中，图中用虚线框另行表注、有别于辅助精确定位作业。说明2：选择故障辅助电缆井，基于“电缆井中点序数结合电缆長度均衡的准则取整”：选择的故障辅助电缆井序号＝(左端电缆井序号+右端电缆井序号)÷2；考虑到电缆井间距非常量，若选择的故障辅助电缆井序号非整数，且左端电缆井的间距之和较大，则故障辅助电缆井序号取整，反之“故障辅助电缆井序号+0.5”取整；若选择的故障辅助电缆井序号为整数，该整数定为下一座故障辅助电缆井的序号。当前第1页1 2 3