一种电缆故障位置检测装置及其故障位置检测方法与流程

本发明属于于电力线路故障测距技术领域，具体涉及一种电缆故障位置检测装置及其故障位置检测方法。

背景技术

为快速定位电力系统输电线路中的故障位置，行波测距技术由于其高精确度、适用范围广的特点，在电力线路故障位置检测中得到大量运用。目前已有的行波测距技术中，相比于单端行波测距技术，双端行波测距技术具有更高的可靠性，故而在实际应用中作为主要的测距技术，但这种技术需要精确的时钟同步和电力线路参数，其中电力线路参数往往对故障点产生的瞬态行波波速产生巨大影响。目前双端行波测距技术大多是采用卫星技术来实现线路两端的时钟同步，利用基于gps或北斗系统的同步时钟输出，可以使两端装置的时钟同步精度达到1μs，由此产生的测距误差不会超过150m，但该技术存在授时不稳定性的缺点。因此，一种不需要时钟同步和电力线路参数电力线路参数的双端行波测距和输电线路故障位置检测装置和方法拥有广阔发展前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电缆故障位置检测装置及其故障位置检测方法。

本发明一种电缆故障位置检测装置包括n个检测组件，n≥2。n个检测组件间隔设置在三相电力线路上。所述的检测组件包括接地箱、电流互感器和电容。三个电容的一端与三相电力线路的三条火线分别相连，另一端与三个电流互感器内初级绕组的一个接线端分别相连。三个电流互感器内初级绕组的另一个接线端均与三相电力线路的地线相连。

进一步地，所述的检测组件还包括数据采集模块和主控模块。所述的数据采集模块包括a/d转换器和fpga高速采集模块。三个电流互感器内次级绕组的一个接线端与a/d转换器内的三个模拟信号输入端分别相连，另一个接线端均与接地箱连接。a/d转换器内的数字信号输出端与fpga高速采集模块的信号输入端相连。所述的fpga高速采集模块与主控模块相连。

进一步地，所述的主控模块采用单片机。

进一步地，所述的检测组件还包括时钟模块。所述时钟模块的时钟输出接口与主控模块的时钟输入接口相连。

进一步地，所述的检测组件还包括通信模块和后台服务器。所述后台服务器与主控模块通过通信模块相连。

该电缆故障位置检测装置的故障位置检测方法具体如下：

步骤一、若其中两个相邻的检测组件内电流互感器均检测故障电流，则该两个检测组件分别作为第一工作组件、第二工作组件。记录下第一工作组件第一次检测到故障电流的时间点ti及第二工作组件第一次检测到故障电流的时间点tj。

步骤二、计算第一工作组件的故障确认时间区间[tmin，tmax]，其中，tmin＝ti+0.5[l/vmax-(tj-ti)]；tmax＝ti+0.5[l/vmin-(tj-ti)]；l为第一工作组件与第二工作组件之间火线的长度；vmax＝c；vmin＝0.8c；c为光速，即3×10⁶km/s。

计算第二工作组件的故障确认时间区间[t′min，t′max]，其中，t′min＝tj+0.5[l/vmax-(ti-tj)]；t′max＝tj+0.5[l/vmin-(ti-tj)]。

步骤三、检测时间区间[tmin，tmax]内第一工作组件是否检测到故障电流。检测时间区间[t′min，t′max]内第二工作组件是否检测到故障电流。

若在时间区间[tmin，tmax]内第一工作组件再次检测到故障电流，且在时间区间[t′min，t′max]内第二工作组件再次检测到故障电流，则记录下第一工作组件在时间区间[tmin，tmax]内检测到故障电流的时间点tir及第二工作组件在时间区间[t′min，t′max]内检测到故障电流的时间点tjr，并进入步骤四。否则，返回步骤一。

步骤四、计算第一工作组件与故障点a的距离

进一步地，所述的故障电流为电流峰值大于预设值的瞬态电流行波(即电流脉冲)。预设值的确定方法如下：在任意两个检测组件之间的三相电力线路上断开一根火线，使得该两个检测组件均检测到一个瞬态电流行波。该两个瞬态电流行波的峰值分别为两个测试值。预设值即为两个测试值中最大值的百分之一。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过两个检测组件之间的距离及接受到电流行波的时间点即可计算出故障点的位置，这一过程中没有时钟同步和电力线路参数的检测两个步骤，也不需要知道电流行波的传播速度，操作简单方便，又有更高精度。

2、本发明采用故障实时通报，克服了人工查询带来的不及时性，使故障查询、定位、通报自动化，减轻了工作量，为相关工作人员减轻负担。

3、本发明适用于各种故障类型的故障位置检测。

4、本发明充分利用接地箱，实现对电力线路运行状况的全时段监测和故障位置检测。

附图说明

图1为本发明的安装示意图；

图2为本发明中单个检测组件的系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种电缆故障位置检测装置包括两个检测组件。检测组件包括接地箱1、数据采集模块2、电流互感器3、电容4、时钟模块6、主控模块7、通信模块8和后台服务器9。数据采集模块2包括a/d转换器10、fpga高速采集模块11和开关量控制单元12。主控模块7采用单片机。三个电容4的一端与三相电力线路5的三条火线分别相连，另一端与三个电流互感器3内初级绕组的一个接线端分别相连。三个电流互感器3内初级绕组的另一个接线端均与三相电力线路5的地线相连。

三个电流互感器3内次级绕组的一个接线端与a/d转换器10内的三个模拟信号输入端分别相连，另一个接线端均与接地箱1连接。a/d转换器10内的数字信号输出端与fpga高速采集模块11的信号输入端通过开关量控制单元12相连。开关量控制单元12设置的阈值能够将三相电力线路5中正常的负荷电流滤去，以捕捉故障电流(瞬态电流行波)。

fpga高速采集模块11的信号输出接口与主控模块7的信号输入接口相连。时钟模块6的时钟输出接口与主控模块7的时钟输入接口相连。主控模块7的通信接口与后台服务器9通过通信模块8相连。

后台服务器与指定的移动客户端之间，采用gprs通信方式进行远程通信，通信模式为tcp协议的服务器/客户端模式。后台服务器与移动客户端采用dl/t634.5101-2002通信规约，支持平衡和非平衡传输模式，支持多种传输原因长度、公共地址长度以及链路地址长度。当三相电力线路5发生短路、接地、高温/电池欠压等故障时，后台服务器可自动发送告警短信到指定的移动客户端。

该电缆故障位置检测装置的故障位置检测方法具体如下：

步骤一、若两个检测组件内的电流互感器3均检测故障电流，则该两个检测组件分别作为第一工作组件、第二工作组件。记录下第一工作组件第一次检测到故障电流的时间点ti及第二工作组件第一次检测到故障电流的时间点tj。此时，两个检测组件之间疑似出现了故障。

故障电流为电流峰值大于预设值的瞬态电流行波。预设值的确定方法如下：在任意两个检测组件之间的三相电力线路5上断开一根火线，使得该两个检测组件均检测到一个瞬态电流行波。该两个瞬态电流行波的峰值分别为两个测试值。预设值即为两个测试值中最大值的百分之一。

步骤二、计算第一工作组件的故障确认时间区间[tmin，tmax]，其中，tmin＝ti+0.5[l/vmax-(tj-ti)]；tmax＝ti+0.5[l/vmin-(tj-ti)]；l为第一工作组件与第二工作组件之间单根火线的长度；vmax＝c；vmin＝0.8c；c为光速，即3×10⁶km/s。

计算第二工作组件的故障确认时间区间[t′min，t′max]，其中，t′min＝tj+0.5[l/vmax-(ti-tj)]；t′max＝tj+0.5[l/vmin-(ti-tj)]。

步骤三、检测时间区间[tmin，tmax](即时间点tmin至时间点tmax)内第一工作组件是否检测到故障电流。检测时间区间[t′min，t′max]内第二工作组件是否检测到故障电流。

若在时间区间[tmin，tmax]内第一工作组件再次检测到故障电流，且在时间区间[t′min，t′max]内第二工作组件再次检测到故障电流，则确定第一工作组件与第二工作组件之间出现了故障点a，记录下第一工作组件在时间区间[tmin，tmax]内检测到故障电流的时间点tir及第二工作组件在时间区间[t′min，t′max]内检测到故障电流的时间点tjr，并进入步骤四。否则，确认为未出现故障，返回步骤一。

步骤四、计算第一工作组件与故障点a的距离

该故障位置检测方法的原理如下：

当三相电力线路5上发生了故障点a。则故障点a会产生向两侧分别传播的两个故障电流。当一个故障电流传播到检测组件时会发生反射和折射，产生第一反射行波和第一折射行波。第一折射行波向原故障行波方向传播。第一反射行波向原故障行波方向相反的方向传播至位置a时会再次发生反射和折射，产生第二反射行波和第二折射行波。第二折射行波越过位置a继续传播，第二反射行波向第一反射行波相反的方向传播至原检测组件。

因此，位于故障点a两侧的第一工作组件、第二工作组件均会检测到自身对应的故障电流和第一反射行波。第一工作组件检测到故障电流的时间点即为ti，检测到第二反射行波的时间点即为tir。第一工作组件检测到故障电流的时间点即为tj，检测到第二反射行波的时间点即为tjr。

由于两个第二折射行波也会触发电流互感器，故需要预先确定第二反射行波到达对应检测组件的时间范围。并仅在时间范围内接收有效的行波信号，从而保证tir及tjr的准确性。

容易看出，第一工作组件与故障点a的距离d的表达式如式1所示，

d＝0.5(tir-ti)v式(1)；

式(1)中，v为行波速度，其值因环境因素的不同而不同，但均值0.8c～c之间。

第二工作组件与故障点a的距离d′的表达式如式2所示，

d′＝l-d＝0.5(tjr-tj)v式(2)；

叠加式(1)和式(2)可得，第一工作组件与第二工作组件之间火线的长度l如式(3)所示

l＝d+d′＝0.5[(tir-ti)+(tjr-tj)]v式(3)；

联立式(1)和式(3)，可得式(4)：

由式(4)可得式(5)

由于式(5)中不存在行波速度v，故结算出的d不会受到行波速度v精度的影响，从而大大提高了所求得d的精度。