本发明涉及电缆故障测量技术领域，尤其涉及一种高压单芯电缆短路故障离线测距方法、装置及系统。
背景技术：
当前的离线故障测距方法依据测量原理主要分为3种：1)电桥法。它是将本测电缆终端的故障相和非故障相短接，通过测试故障电缆从测量端到故障点的线路电阻,然后依据电阻率计算出故障距离的故障测距方法或者是测试出电缆故障段与全长段的电压降的比值,再和全长相乘计算出故障距离的一种方法。一般用于测试故障点绝缘电阻在儿十千欧以内的电缆故障的距离，测量误差较大。2)低压脉冲法。主要原理是在电缆一端通过仪器向被测电缆中输入低压脉冲信号，该脉冲沿电缆传播到波阻抗不匹配的故障点包括故障点、电缆终端和中间接头时，该脉冲信号将会产生反射，并返回到测量端由仪器记录下来。通过记录反射信号和发射信号的时间差，就可以测出故障距离。该法具有操作简单、测试精度高等优点，但不能测试高阻故障和闪络性故障。3)高压脉冲法。该法是通过高压信号发生器向被测故障电缆中施加直流高压信号或冲击高压信号，将其故障点瞬间击穿，产生一个电压行波信号，该信号在被测电缆的测量端和故障点之间往返传播，在直流高压发生器的高压端,通过线性分压藕合器接收并换算出该电压行波信号往返一次的时间和脉冲信号的传播速度相乘而计算出故障距离的方法。这种方法的缺点是测试时测距仪器与高压部分有直接的电气连接部分，安全性较差，且对测试设备的技术参数要求较高。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高压单芯电缆短路故障离线测距方法、装置及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高压单芯电缆短路故障离线测距方法，包括如下步骤：
步骤1：在发生短路故障的电缆的线芯与接地的金属护层之间加上直流电压信号，并分别采集电缆的金属护层两端的电流信号；
步骤2：根据所述电缆的金属护层两端的电流信号分别对应确定电缆的金属护层两端的泄露电流；
步骤3：根据所述电缆的金属护层两端的泄露电流计算故障点位置。
本发明的有益效果是：本发明的高压单芯电缆短路故障离线测距方法，通过对故障相电缆加电压的方法，测量电缆金属护层中的泄漏电流，并通过对泄漏电流的分析进行故障点测距，无需将将电压升高到故障点再次被击穿，在保证安全性的前提下，提高了测距精度，并适用于金属性故障、高阻故障和闪络性故障的故障点的精确定位，对测试电缆的绝缘电阻无要求。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述步骤1中，通过在电缆的金属护层的两端与地之间分别预先设置的电流互感器检测所述电缆的金属护层两端的电流信号。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述电流互感器可以准确的检测到流过电缆的金属护层两端的电流信号，便于后续根据所述电缆的金属护层两端的电流信号确定泄露电流，进而确定故障点的位置。
进一步：所述步骤2具体包括如下步骤：
步骤21：对所述电缆的金属护层两端的电流信号进行快速傅里叶变换，得到电缆的金属护层两端的原始信号；
步骤22：提取所述原始信号直流分量的幅值，得到所述电缆的金属护层两端的泄露电流il和ir。
上述进一步方案的有益效果是：通过对所述电缆的金属护层两端的电流信号进行快速傅里叶变换和直流分量幅值提取处理，可以去除现在采集到的噪声等干扰信号，使得检测结果更加精确。
进一步：所述步骤3中，所述根据所述电缆的金属护层两端泄露电流计算故障点位置的计算公式为：
其中，l为电缆长度，rs0为电缆的单位长度金属护层等效电阻，为常数，rg1和rg2分别为电缆的金属护层两端接地电阻，il和ir分别为电缆的金属护层两端的泄露电流，xf为故障点与电缆施加电压位置处之间的距离。
上述进一步方案的有益效果是：通过上述公式可以根据前述步骤获取的电缆的金属护层两端的泄露电流以及相关已知参数，准确的计算出故障点与电缆施加电压位置处之间的距离，从而便于准确的确定故障定的精确位置。
本发明还提供了一种高压单芯电缆短路故障离线测距装置，包括直流电源、两个电流互感器和处理器；
所述电源，用于在发生短路故障的电缆的线芯与接地的金属护层之间加上直流电压信号；
所述两个电流互感器分别预先对应设置在电缆两端金属护层的两端与地之间，并用于采集电缆的金属护层两端的电流信号；
处理器，用于根据所述电缆的金属护层两端的电流信号分别对应确定电缆的金属护层两端的泄露电流，并根据所述电缆的金属护层两端的泄露电流计算故障点位置。
本发明的有益效果是：本发明的高压单芯电缆短路故障离线测距装置，通过电源对故障相电缆加电压的方法，电流互感器测量电缆金属护层中的泄漏电流，并通过处理器对泄漏电流的分析进行故障点测距，无需将将电压升高到故障点再次被击穿，在保证安全性的前提下，提高了测距精度，并适用于金属性故障、高阻故障和闪络性故障的故障点的精确定位，对测试电缆的绝缘电阻无要求。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述的高压单芯电缆短路故障离线测距装置还包括变压器和整流电流，所述电源为交流电源，所述电源的两端分别与所述变压器初级线圈的两端对应电连接，所述变压器的次级线圈的两端分别与所述整流电路的的两个输入端对应电连接，所述整流电路的一个输出端与发生短路故障的电缆一端电连接，另一个输出端接地。
上述进一步方案的有益效果是：通过采用交流电源配备变压器，可以调节加载在电缆线芯与金属护层之间的电压大小，便于针对不同的电缆匹配选择合适的变压器匹配合适的电压，通过整流电路将交流电压信号转换为直流电压信号，这样可以避免由于加载在电缆线芯与金属护层之间的的交流信号产生电磁感应，影响泄露电流的检测准确性。
进一步：所述变压器为可调变压器。
上述进一步方案的有益效果是：通过设置可调变压器，可以针对同一电缆加载不同大小的直流电压信号，进行多次测量，提高测量精度，同时还可以使得整个装置适用不同电缆的故障检测，增强其通用性。
进一步：所述处理器根据所述电缆的金属护层两端的电流信号分别对应确定电缆的金属护层两端的泄露电流的具体实现为：
对所述电缆的金属护层两端的电流信号进行快速傅里叶变换，得到电缆的金属护层两端的原始信号；
提取所述原始信号直流分量的幅值，得到所述电缆的金属护层两端的泄露电流il和ir。
上述进一步方案的有益效果是：通过对所述电缆的金属护层两端的电流信号进行快速傅里叶变换和直流分量幅值提取处理，可以去除现在采集到的噪声等干扰信号，使得检测结果更加精确。
进一步：所述处理器根据所述电缆的金属护层两端的泄露电流计算故障点位置的具体计算公式为：
其中，l为电缆长度，rs0为电缆的单位长度金属护层等效电阻，为常数，rg1和rg2分别为电缆的金属护层两端接地电阻，il和ir分别为电缆的金属护层两端的泄露电流，xf为故障点与电缆施加电压位置处之间的距离。
上述进一步方案的有益效果是：通过上述公式可以根据前述步骤获取的电缆的金属护层两端的泄露电流以及相关已知参数，准确的计算出故障点与电缆施加电压位置处之间的距离，从而便于准确的确定故障定的精确位置。
本发明还提供了一种高压单芯电缆短路故障离线测距系统，其特征在于：包括无线通讯电路、监控终端和至少一个所述的高压单芯电缆短路故障离线测距装置，所述处理器与所述无线通讯电路电连接，所述无线通讯电路与所述监控终端无线连接。
本发明的高压单芯电缆短路故障离线测距系统，通过高压单芯电缆短路故障离线测距装置测量故障点位置信息，并经由无线通讯电路发送至监控终端，便于实现远程监控，简单方便，高效快捷。
附图说明
图1为本发明的高压单芯电缆短路故障离线测距方法流程示意图；
图2为单端接地式高压单芯电缆监测点示意图；
图3为本发明的高压单芯电缆泄露电流检测的电路连接示意图；
图4为图3的等效电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种高压单芯电缆短路故障离线测距方法，包括如下步骤：：
步骤1：在发生短路故障的电缆的线芯与接地的金属护层之间加上直流电压信号，并分别采集电缆的金属护层两端的电流信号；
步骤2：根据所述电缆的金属护层两端的电流信号分别对应确定电缆的金属护层两端的泄露电流；
步骤3：根据所述电缆的金属护层两端的泄露电流计算故障点位置。
本发明的高压单芯电缆短路故障离线测距方法，通过对故障相电缆加电压的方法，测量电缆金属护层中的泄漏电流，并通过对泄漏电流的分析进行故障点测距，无需将将电压升高到故障点再次被击穿，在保证安全性的前提下，提高了测距精度，并适用于金属性故障、高阻故障和闪络性故障的故障点的精确定位，对测试电缆的绝缘电阻无要求。
高压电缆线路金属护层的接地方式主要包括单端接地、双端接地和交叉互联接地三种，其中双端接地和交叉互联方式的线路两端金属护层都直接接地，单端接地方式下另一端金属护层经保护器接地。在本发明的技术方案应用于单端接地方式时，需将保护器短接使另一端直接接地。图2示出了典型的单端接地方式，其中高压电缆线芯直接相连，金属护层两端直接接地。
在如图2所示的电缆线路中，当线路任意位置出现击穿故障后，在故障点会形成碳化通道，不论高压电缆外护套是否被击穿，短路击穿通道都会贯穿主绝缘连接电缆线芯与金属护层。而碳化通道的电阻远远小于击穿前的主绝缘电阻，故障后在一段电缆的线芯和金属护层之间加电压(未击穿)，故障点的泄漏电流将远远大于其他位置的泄漏电流。因此，可通过故障后在线芯和金属护层两端加电压泄漏电流的增大判断故障点位置。本发明正是基于此。
在本发明的实施例中，所述步骤1中，针对两端金属护层直接接地的高压电缆线路结构(若线路是单端接地方式，则需要在非直接接地端短接护层保护器，使两端金属护层直接接地)，在线路两端金属护层与地之间安装电流互感器，如图2所示，两端检测到的泄漏电流分别用il和ir表示。通过在电缆的金属护层的两端与地之间分别预先设置的电流互感器(图中圆圈表示电流互感器)检测所述电缆的金属护层两端的电流信号。通过所述电流互感器可以准确的检测到流过电缆的金属护层两端的电流信号，便于后续根据所述电缆的金属护层两端的电流信号确定泄露电流，进而确定故障点的位置。
在本发明的实施例中，所述步骤2具体包括如下步骤：
步骤21：对所述电缆的金属护层两端的电流信号进行快速傅里叶变换(fft)，得到电缆的金属护层两端的原始信号，具体变换公式如下：
其中，
步骤22：提取所述原始信号直流分量的幅值，得到所述电缆的金属护层两端的泄露电流il和ir。
对原始信号进行fft变换分解后，可提取其直流分量(一般为n＝0处)的幅值，分别对应记为il和ir。通过对所述电缆的金属护层两端的电流信号进行快速傅里叶变换和直流分量幅值提取处理，可以去除现在采集到的噪声等干扰信号，使得检测结果更加精确。
在电缆发生短路故障后，解开电缆线路一端终端接头，使用电源，变压器和整流电路在电缆线芯和金属护层之间加直流电压，如图3所示，利用电流互感器可在电缆线路两端金属护层接地点检测泄漏电流，其等效电路如图4所示。其中，udc为等效直流电压源，rf为电缆短路击穿通道等效电阻，rg1为电缆一端等效接地电阻，rg2为电缆另一端等效接地电阻，r1为故障点至金属护层一端的等效电阻，r2为故障点至金属护层了另一端的等效电阻，us为故障点金属护层电压。两端检测到的泄漏电流il和ir为式(3)和(4)所示。
设单位长度金属护层等效电阻为rs0，电缆线路全长为l，故障点位置为xf，则泄漏电流直接的比例关系如式(5)所示：
对于一条已知的电缆线路，电缆线路长度l、单位长度金属护层等效电阻rs0为常数，电缆的金属护层两端接地电阻rg1和rg2可以通过测试得到。因此，在检测到电缆的金属护层两端泄漏电流il和ir后，通过式(5)il和ir的比值可以计算出故障点与电缆施加电压位置处之间的距离位置xf，如式(6)所示，即可确定故障点位置。
通过上述公式可以根据前述步骤获取的电缆的金属护层两端的泄露电流以及相关已知参数，准确的计算出故障点与电缆施加电压位置处之间的距离，从而便于准确的确定故障定的精确位置。
本发明的高压单芯电缆短路故障离线测距方法，根据高压单芯电缆结构和故障通道特性，通过对故障相电缆加电压的方法，测量电缆金属护层中的泄漏电流，并通过对泄漏电流的分析进行故障点测距。本发明所涉及的加电压的幅值不是“低压脉冲法”中的行波信号电压幅值，也无需将将电压升高到故障点再次被击穿，本方法在保证安全性的前提下，提高了测距精度，并适用于高阻故障和闪络性故障。
本发明还提供了一种高压单芯电缆短路故障离线测距装置，包括直流电源、两个电流互感器和处理器；
所述电源，用于在发生短路故障的电缆的线芯与接地的金属护层之间加上直流电压信号；
所述两个电流互感器分别预先对应设置在电缆两端金属护层的两端与地之间，并用于采集电缆的金属护层两端的电流信号；
处理器，用于根据所述电缆的金属护层两端的电流信号分别对应确定电缆的金属护层两端的泄露电流，并根据所述电缆的金属护层两端的泄露电流计算故障点位置。
本发明的高压单芯电缆短路故障离线测距装置，通过电源对故障相电缆加电压的方法，电流互感器测量电缆金属护层中的泄漏电流，并通过处理器对泄漏电流的分析进行故障点测距，无需将将电压升高到故障点再次被击穿，在保证安全性的前提下，提高了测距精度，并适用于金属性故障、高阻故障和闪络性故障的故障点的精确定位，对测试电缆的绝缘电阻无要求。
如图3所示，优选地，在上述实施例的基础上，所述的高压单芯电缆短路故障离线测距装置还包括变压器和整流电流，所述电源为交流电源，所述电源的两端分别与所述变压器初级线圈的两端对应电连接，所述变压器的次级线圈的两端分别与所述整流电路的的两个输入端对应电连接，所述整流电路的一个输出端与发生短路故障的电缆一端电连接，另一个输出端接地。如图3所示，通过电源(可以采用发电机或者交流源)、变压器和整流电流对电缆一端端线芯和金属护层之间加直流电压，电流互感器实时采集到电流信号，并由处理器确定电缆线路两端的泄露电流。
通过采用交流电源配备变压器，可以调节加载在电缆线芯与金属护层之间的电压大小，便于针对不同的电缆匹配选择合适的变压器匹配合适的电压，通过整流电路将交流电压信号转换为直流电压信号，这样可以避免由于加载在电缆线芯与金属护层之间的的交流信号产生电磁感应，影响泄露电流的检测准确性。
更优选地，在上述实施例的基础上，所述变压器为可调变压器。通过设置可调变压器，可以针对同一电缆加载不同大小的直流电压信号，进行多次测量，提高测量精度，同时还可以使得整个装置适用不同电缆的故障检测，增强其通用性。
在本发明的实施例中，所述处理器根据所述电缆的金属护层两端的电流信号分别对应确定电缆的金属护层两端的泄露电流的具体实现为：
对所述电缆的金属护层两端的电流信号进行快速傅里叶变换，得到电缆的金属护层两端的原始信号，具体变换公式如下：
其中，
提取所述原始信号直流分量的幅值，得到所述电缆的金属护层两端的泄露电流il和ir。
对原始信号进行fft变换分解后，可提取其直流分量(一般为n＝0处)的幅值，分别对应记为il和ir。通过对所述电缆的金属护层两端的电流信号进行快速傅里叶变换和直流分量幅值提取处理，可以去除现在采集到的噪声等干扰信号，使得检测结果更加精确。
在本发明的实施例中，所述处理器根据所述电缆的金属护层两端的泄露电流计算故障点位置的具体计算公式为：
其中，l为电缆长度，rs0为电缆的单位长度金属护层等效电阻，为常数，rg1和rg2分别为电缆的金属护层两端接地电阻，il和ir分别为电缆的金属护层两端的泄露电流，xf为故障点与电缆施加电压位置处之间的距离，具体推导过程前文已经详细介绍，这里不再赘述。
通过上述公式可以根据前述步骤获取的电缆的金属护层两端的泄露电流以及相关已知参数，准确的计算出故障点与电缆施加电压位置处之间的距离，从而便于准确的确定故障定的精确位置。
本发明还提供了一种高压单芯电缆短路故障离线测距系统，其特征在于：包括无线通讯电路、监控终端和至少一个所述的高压单芯电缆短路故障离线测距装置，所述处理器与所述无线通讯电路电连接，所述无线通讯电路与所述监控终端无线连接。
本发明的高压单芯电缆短路故障离线测距系统，通过高压单芯电缆短路故障离线测距装置测量故障点位置信息，并经由无线通讯电路发送至监控终端，便于实现远程监控，简单方便，高效快捷。
本发明中，所述监控终端可以采用pc机、智能手机、平板电脑或pda等具有交互功能的终端设备。所述无线通讯电路可以采用gprs通讯模块、蓝牙模块或wifi模块等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。