高压单芯电缆短路故障点检测方法与流程

本发明涉及一种用于确定电缆交叉互联段内的一段电缆中发生短路故障的具体位置的高压单芯电缆短路故障点检测方法。

背景技术：

当前的电缆故障定位模式主要有两种：一是利用距离保护装置的保护测距，二是利用电子传感器的行波法故障定位模式。1)基于参数识别的距离保护原理采用故障后系统变化的参数构成保护判据，而电力电缆线路分布参数特性明显、包含多个完整的交叉互联段、线路通道环境复杂，这将显著影响距离保护算法的动作性能。由于测量阻抗与故障距离不再呈正比关系，传统距离保护算法的保护范围将缩小。在实际应用中，利用线路阻抗的距离保护还存在着线路阻抗计算不准确、线路长度信息不完整的情况，因而无法确定电缆中发生短路故障的具体位置。2)行波法通过检测故障线路上的暂态行波在母线与故障点之间的传播时间进行故障测距，由于暂态行波的传播速度接近光速，基于行波法的故障定位模式存在噪声消除和波头时刻提取的问题，另外，多个交叉互联段和复杂的线路通道环境造成长电缆线路的波速度不统一、波阻抗不连续，这类方法难以应用于实际的长电缆线路中进行故障位置的精准定位。

申请号为201611128521.0的发明专利《高压单芯电缆交叉互联结构的短路故障定位方法及装置》中公开了一种基于电流信号的方向来对短路故障进行定位的方法，当该方法仅能判断出短路故障发生于电缆交叉互联结构中的哪一段电缆，而在该电缆中的具体故障点却无法确定。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够快速、准确地确定电缆中发生短路故障的具体位置的高压单芯电缆短路故障点检测方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高压单芯电缆短路故障点检测方法，用于确定发生短路故障的电缆中故障点的具体位置，所述高压单芯电缆短路故障点检测方法为：在所述电缆中取n个采样点，分别假设各个所述采样点发生短路故障并进行仿真，分别计算短路故障发生于各个所述采样点时所述电缆两端的护层电流的相位差，并根据计算出的各相位差进行拟合，得到所述电缆对应的发生短路故障的故障点位置与相位差的关系式；当所述电缆中发生短路故障时，根据所述发生短路故障的故障点位置与相位差的关系式求解确定发生短路故障的故障点的具体位置。

优选的，以所述电缆的一端为原点，以所述故障点与所述原点之间的距离表征发生短路故障的故障点的位置。

优选的，所述故障点与所述原点之间的距离与所述相位差呈线性关系。

优选的，以所述电缆的靠近电源的一端为所述原点。

优选的，所述电缆上以等间距选取所述采样点。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够快速、准确地确定一段电缆中发生短路故障的具体位置，可以实现较精确的定位，并可以实现在线监测，故障发生后能够及时找出故障点。

附图说明

图1为简单的电力系统的示意图。

图2为高压单芯电缆交叉互联段中故障电流流向示意图。

图3为高压单芯电缆交叉互联段中高压电缆金属护层的感应电压和护层电流的等效电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：附图1所示为一种点单的电力系统，它有电源——传输线——负载组成，其中传输线部分采用高压电缆。该图1中传输线采用一个完整的电缆交叉互联段，该电缆交叉互联段连接于第一接地箱g1和第二接地箱g2之间，其包括三相线路，分别为a相线路、b相线路和c相线路。每相线路均包括依次编号从1至3的3段单芯电缆，则a相线路中的三段单芯电缆分别为a1、a2、a3；b相线路中的三段单芯电缆分别为b1、b2、b3；c相线路中的三段单芯电缆分别为c1、c2、c3。每相线路中所包含的各段单芯电缆的线芯直接依次相连接，从而构成各相线路。每段单芯电缆均具有两端，分别为前端和后端。三相线路中各自的第1段单芯电缆，即a1、b1、c1的金属护层前端分别与第一接地箱g1相连接，a相线路中的第1、2段单芯电缆a1、a2的金属护层后端通过交叉互联箱j1、j2分别与b相线路中第2、3段单芯电缆b2、b3的金属护层前端相连接，b相线路中的第1、2段单芯电缆b1、b2的金属护层后端通过交叉互联箱j1、j2分别与c相线路中第2、3段单芯电缆c2、c3的金属护层前端相连接，c相线路中的第1、2段单芯电缆c1、c2的金属护层后端通过交叉互联箱j1、j2分别与a相线路中第2、3段单芯电缆a2、a3的金属护层前端相连接。三相线路中各自的第3段单芯电缆a3、b3、c3的金属护层后端分别与第二接地箱g2相连接。这里所说的“前端”指各段单芯电缆中靠近第一接地箱g1的一端，即靠近电源的一端，而靠近第二接地箱g2的一端，即靠近负载的一端称之为“后端”。

当上述电缆交叉互联段中发生短路故障时，可以采用以下方法确定短路故障发生在哪一段单芯电缆中：在a1、b1、c1的金属护层的前端分别设置电流互感器i1a、i1b、i1c，再在各段单芯电缆的金属护层的后端分别设置电流互感器，分别为i2a、i2b、i2c、i3a、i3b、i3c、i4a、i4b、i4c。无故障发生时，受交叉互联影响，各段单芯电缆的金属护层由线芯感应的电流有线。当任何一段单芯电缆出现电缆线路击穿故障时，其线芯对金属护层形成短路，线芯电流直接通过金属护层并从其两端的接地点流入大地，引起故障段单芯电缆以及交叉互联段单芯电缆的金属护层电流升高，护层电流大小接近故障电流。同时，由于电磁耦合效应，故障线路临近的线路也会感应产生一个较大的电流。以a1-b2-c3互联段为例，如附图2所示，假设故障发生在单芯电缆b2段中，则故障电流由故障点沿金属护层向b2两端流出，在b2前端，电流经交叉互联箱j1、电流互感器i2a流入a1的金属护层后入地，在b2后端，电流经电流互感器i3b、交叉互联箱j2流入c3的金属护层后入地。则流经单芯电缆b2段两端的两个电流互感器i2a和i3b中的电流方向相反。而对于非故障段，如c3，其两端的两个电流互感器i3b和i4c中的电流方向相同。但是对于第一段的单芯电缆a1，由于其前端的电流互感器i1a的设置位置导致了其电流参考方向与其他电流互感器中的电流参考方向相反，因此单芯电缆a1段两端的两个电流互感器i1a和i2b中的电流方向相同。基于以上特征，首先对于三相线路中各自的第1段单芯电缆a1、b1、c1，定义其金属护层的前端直接检测到的电流信号的反向信号为该第1段单芯电缆a1、b1、c1各自的护层前端电流；对于三相线路中各自的第1、2段单芯电缆a1、b1、c1、a2、b2、c2，定义其金属护层的后端直接检测到的电流为该第1、2段单芯电缆的护层后端电流和与其相连接的第2、3段单芯电缆的护层前端电流；对于三相线路中各自的第3段单芯电缆a3、b3、c3，定义其金属护层的后端直接检测到的电流为该第3段单芯电缆的护层后端电流。即在图1所示的结构中，a1的金属护层前端直接检测到的电流信号i1a的反向信号为a1的护层前端电流，b1的金属护层前端直接检测到的电流信号i1b的反向信号为b1的护层前端电流，c1的金属护层前端直接检测到的电流信号i1c的反向信号为c1的护层前端电流；i2a同时为a1的护层后端电流和b2的护层前端电流，i3b同时为b2的护层后端电流和c3的护层前端电流，i2b同时为b1的护层后端电流和c2的护层前端电流，i3c同时为c2的护层后端电流和a3的护层前端电流，i2c同时为c1的护层后端电流和a2的护层前端电流，i3a同时为a2的护层后端电流和b3的护层前端电流；i4a为a3的护层后端电流，i4b为b3的护层后端电流，i4c为c3的护层后端电流。则根据各段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流是否方向相反而判断各段单芯电缆中是否发生短路故障；若任一段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流方向相反，则该段单芯电缆中发生短路故障。通常直接检测三相线路中各自的第1段单芯电缆的金属护层前端的电流信号，并将直接检测到的电流信号的工频相位反相而得到该第1段单芯电缆的护层前端电流的工频相位；直接检测三相线路中各自的第1、2段单芯电缆的金属护层后端的电流信号，并将直接检测到的电流信号的工频相位作为该第1、2段单芯电缆的护层后端电流的工频相位和与其相连接的第2、3段单芯电缆的护层前端电流的工频相位；直接检测三相线路中各自的第3段单芯电缆的金属护层后端的电流信号，并将直接检测到的电流信号的工频相位作为该第3段单芯电缆的护层后端电流的工频相位。以上过程中，对各直接检测到的电流信号做快速傅里叶变换而的到其工频相位。电流方向相反通过相位来体现，因此，根据各段单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差即可判断各段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流是否方向相反。当电流方向相反时，电流信号的相位差为180°左右。以下用b(i)表示电流信号i的工频相位(单位为角度)，p(section)表示对应段单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差(section∈[“a1”、“b1”、“c1”、“a2”、“b2”、“c2”、“a3”、“b3”、“c3”])，则：

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)

若任一段单芯电缆的护层后端电流的工频相位与其护层前端电流的工频相位之差p(section)在以±180°为中心的相位允许范围之内时，则判断该段单芯电缆的护层后端电流和护层前端电流方向相反。由于一个交叉互联段内的电缆线路一般不超过500m，故障时两端的护层电流信号的相位差不会因故障点距离两端长度不相等而有显著差别，而故障段和非故障段的相位区别则较大，因此在制定故障区段判据是可以留有较大的裕度，如相位允许范围为(120°，240°)∪(-240°，-120°)，当相位差处于上述范围时，则认为发生了短路故障。而非故障的单芯电缆端两端的相位差非常小，在±30°之内，故采用上述方法即可以判断出短路故障所在的电缆段。

确定短路故障发生位置所在的电缆段后，还需进一步确定故障点在该段电缆中的具体位置。仍以上述a1-b2-c3互联段为例，其高压电缆金属护层的感应电压和护层电流的等效电路示意图如图3所示，其中护层电流im1为：

在无故障的情况下，护层电流im1有时能达到几安甚至是十几安，感应电压并不大，但是护层阻抗很小。而且zma1、zmb2和zmc3都是感性的。而接地电阻rg是纯阻性的。因此，接地电阻rg的大小能影响阻抗的性质。如果接地电阻rg较小，zma1、zmb2和zmc3的感性分量较大，感应电压对护层电流的影响较大，因此感性分量体现在对相位差的影响较大。如果接地电阻rg较大，zma1、zmb2和zmc3的感性分量较小，护层阻抗回路整体上阻性分量较大，因此感性分量体现在对相位差的影响较小。正常运行情况下的接地电阻一般不超过0.5ω，在0.5ω下。

一种用于确定发生短路故障的电缆中故障点的具体位置的高压单芯电缆短路故障点检测方法，为：针对每一段电缆，首先在电缆中取n个采样点，分别假设各个采样点发生短路故障并进行仿真，分别计算短路故障发生于各个采样点时电缆两端的护层电流的相位差，并根据计算出的各相位差进行拟合，得到电缆对应的发生短路故障的故障点位置与相位差的关系式。当电缆中发生短路故障时，根据发生短路故障的故障点位置与相位差的关系式求解确定发生短路故障的故障点的具体位置。

在上述高压单芯电缆短路故障点检测方法中，通常以电缆的一端(靠近电源的一端)为原点，以故障点与原点之间的距离l表征发生短路故障的故障点的位置。在选取采样点时，在电缆上以等间距选取采样点。预先需对每段电缆分别选取采样点并计算、拟合。从而得出故障点与原点之间的距离与相位差呈线性关系。

例如，本发明针对一条110kv电缆线路进行了仿真计算，该线路三相直埋水平敷设，电缆型号为yjlw03，三相平衡负载，每段电缆500m，线路全长1500m。由首段电缆前端开始，每隔50m取一个采样点并作为故障点进行一次仿真，计算了故障点不同位置下的p值，最后对p值进行拟合，可以得到故障点位置与p值的关系，如方程组式(3)所示。其中l表示故障点距离该电缆段电源端(前端)的距离(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

则在实际发生故障时，可以根据上述方程组式(3)中的一个关系式计算出故障点与其所在电缆前端的距离l，从而确定故障点的位置。

本发明利用高压单芯电缆护层电流进行短路故障定位。根据高压单芯电缆交叉互联的特点和短路故障下电流流向特点，通过监测高压电缆的护层电流，提取护层电流信号的工频分量幅值和相位信息，判断护层电流的流向，首先确定高压电缆的故障区段。接着，每个交叉互联段两端护层电流的相位差与接地电阻、故障点位置和负荷电流有关，根据接地电阻、负荷电流和护层电流的相位差可更精确的判断故障点位置。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。