基于运行电流和护层环流的电缆绝缘故障识别定位方法与流程

本发明涉及电缆线路在线监测，具体涉及一种不受中性点接地方式影响的基于运行电流和护层环流的35kv单芯电缆的绝缘故障识别定位方法。

背景技术：

1、目前，随着我国城市化进程的加速和城乡人民生活水平的提高，用电负荷大幅度提高，在城市特别是大中城市配电网络中，电缆应用的比例越来越高。其中，35kv单芯电力电缆凭借其载流量大、弯曲半径小、不易发生相间短路故障、制造运输和施工安装方便等优点，大量应用于城市配电网和石油、化工、钢铁、煤炭等工矿企业的供电系统。

2、单芯电缆线路为独立的三相电缆，相间距离较远，很少发生相间短路，但是电缆或者电缆附件在施工、外部破坏等情况下，容易出现绝缘故障，造成金属护层多点接地，护层环流显著升高，轻则局部发热并影响电缆运行寿命，重则损毁电缆主绝缘，危及设备及人员的安全。

3、在单芯电缆运行时，其运行电流产生的交变磁场会在金属护套上产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度。当电缆绝缘出现缺陷或者破坏时，金属护层形成两点接地时，金属护层上就会产生护层环流。按照gb50217-2017《电力工程电缆设计规程》，交流单芯电缆的金属护套应至少在一端直接接地，在任一点非直接接地处的正常感应电势最大值应满足下列规定：1)未采取能有效防止人员任意接触金属套的安全措施时，不得大于50v；2)其它情况下，不得大于300v。

4、为了把感应电压控制在合理水平，交流单芯电缆在敷设设计时需要根据电缆长度、传输容量以及经济合理性选择合适的金属护层接地方式。电缆金属护层接地方式有直接接地、保护接地、交互互联接地等三种类型，分别对应直接接地箱、保护接地箱、交叉互联接地箱等三种类型的接地箱。为了控制护层环流、感应电压不越限，电缆敷设时会合理选择接地箱类型和合理设计接地箱间隔距离，同时在接地箱内部配套护层电流的在线监测装置。

5、单芯电缆正常运行时，金属护套只有一个接地点，护层环流主要来自于本线路电容电流、感应电流和金属护套阻抗有关，大小与电缆的结构参数决定。在金属护套感应电压控制良好的情况下，感应电流幅值很小，对电缆影响较小。但是，当电缆绝缘发生破坏时，绝缘破坏位置与金属护层形成短路，形成第二个接地点，此时护层环流会快速增大多倍，对电缆安全造成影响。

6、对于包含电缆线路的35kv配电网系统，按照《gb/t 50064-2014交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》，如果单相接地电容电流大于10a，需要采用中性点经消弧线圈接地方式。目前，国内35kv线路主要以中性点经消弧线圈接地方式为主，其主要优点是当系统发生单相接地故障时，稳态故障电流不大，系统可以带故障运行一段时间，供电可靠性高。当电缆绝缘发生破坏时，电缆线芯和金属护层形成短路，此时35kv系统形成单相接地故障(中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障示意图如图1)。目前，35kv线路的单相接地故障主要依赖变电站内安装的小电流接地选线装置进行故障选线并跳闸切除故障线路。但是，小电流接地选线装置通过对各线路零序电流进行群体比幅比相进行选线，容易受到消弧线圈补偿的影响，选线准确率较低并且只能确定整条故障线路，无法进一步确定故障区段。

7、目前部分智能接地箱安装电缆护层环流监测设备来检测绝缘破坏故障，但是，电缆护层环流容易受到负荷电流、敷设长度和所处位置的接地环境、操作过电压、雷击过电压等因素影响，如果单独依赖电缆护层环流来判断绝缘破坏故障，可靠性较低，容易误动作。

8、电缆线路故障精确定位目前主要依赖电桥法、行波波等方法，大多为离线检测方法，故障发生后需要在现场对全线电缆沿线测量，前期准备工作和检修工作量大，检修时间长。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于运行电流和护层环流的电缆绝缘故障识别定位方法，用以解决现有技术中存在的电缆运行寿命短，电缆安全性低，准确率较低，无法确定故障区段，影响因素过多，可靠性较低，容易误动作，工作量大，检修时间长等问题。

2、第一方面，提供了一种基于运行电流和护层环流的电缆绝缘故障识别定位方法，其包括以下步骤：实时同步采集智能接地箱安装点处的电缆线路三相运行电流ip和三相护层环流iip；提取电缆线路三相运行电流的第一故障分量；提取电缆线路三相护层环流的第二故障分量；基于第一故障分量、第二故障分量进行故障启动逻辑判断；当故障启动逻辑运算结果为真时，则确定电缆线路发生绝缘故障，标记启动时刻，将启动时刻之前的采样数据标记为故障前数据，将启动时刻之后的采样数据标记为故障后数据；选择暂态分量最集中的故障后半周波为数据窗，计算第一故障分量的相-相电流；计算故障后半周波内第一故障分量的相-相电流幅值，判断该线路是否发生了单相接地故障，如确定该线路大概率发生了单相接地故障，则进行故障相识别；在进行故障相识别后，继续计算第一故障分量的相-相电流曲线相关系数，判断相关系数是否符合故障系数关系，如是，则确定该线路大概率发生了单相接地故障，继续进行故障相识别，若两次故障相识别结果相一致，则最终确认该线路发生了单相接地故障。

3、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：在确定该线路属于故障线路后，继续进行下一步的区段定位判别，其包括以标记的启动时刻t0为中心，取电缆线路三相护层环流的故障前数据、故障后数据各一周波，计算基波幅值，判断该智能接地箱是否处于故障区段，如是则报警上报主站。

4、基于上述方案，本发明可以确定发生绝缘破坏的电缆区段位于哪个智能接地箱所在区段。由于电缆线路平均500m左右会安装一个智能接地箱，因此，本技术方案可以将故障范围由全线路长度缩小到特定智能接地箱所在范围。

5、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：实时采集智能接地箱安装点处的电缆线路三相运行电流和三相护层环流的过程，具体可以是实时同步采集智能接地箱安装点处的电缆线路三相运行电流ip和三相护层环流iip，其中，p＝a、b、c，第k点采样值记为ip(k)，运行电流采样速率不低于20khz，每周波采样点数计为n，k为当前采样点序号。

6、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：提取故障分量的过程，具体可以是提取电缆线路三相运行电流的电流故障分量δip(k)，p＝a、b、c，表示为公式(1)：

7、δip(k)＝ip(k)-ip(k-n)，p＝a、b、c    (1)

8、提取电缆线路三相护层环流的故障分量δiip(k)，p＝a、b、c，表示为公式(2)：

9、δiip(k)＝iip(k)-iip(k-n)，p＝a、b、c  (2)。

10、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：故障启动逻辑判断的过程，具体包括第一逻辑判断和第二逻辑判断，表示为公式(3)和(4)：

11、δip(k)＞k1*δip(k-n)，p＝a、b、c  (3)；

12、δiip(k)＞k2*δiip(k-n)，p＝a、b、c  (4)；

13、对第一逻辑判断和第二逻辑判断做或逻辑运算，当故障启动逻辑运算结果为真时，则确定电缆线路发生绝缘故障，标记启动时刻t0，将启动时刻t0之前的采样数据标记为故障前数据，将启动时刻t0之后的采样数据标记为故障后数据；若故障启动逻辑运算结果为假，则认为电缆线路正常，不做任何处理。

14、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：计算第一故障分量的相-相电流的过程，具体表示为公式(5)：

15、δipq(k)＝δip(k)-δiq(k)，  (5)

16、其中，p＝a、b、c；q＝b、c、a。

17、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：在计算故障后半周波内第一故障分量的相-相电流幅值ipq后，若幅值满足公式(6)，则认为该线路大概率发生了单相接地故障，然后进行第一次故障相识别，其中，p＝a、b、c；q＝b、c、a，并由大到小排序，公式(6)表示为：

18、max(iab，ibc，ica)＞k3*min(iab，ibc，ica)  (6)

19、其中，max(iab，ibc，ica)为三个相-相电流幅值最大值，min(iab，ibc，ica)为三个相-相电流幅值最小值，k3为可整定的可靠系数。

20、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：第一次故障相识别的过程，具体可以是若iab最小，则故障相为c相；若ibc最小，则故障相为a相；若果ica最小，则故障相为b相。

21、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：继续计算第一故障分量的相-相电流曲线相关系数的过程，具体可以是在进行故障相识别后，继续计算第一故障分量的相-相电流曲线相关系数，相关系数范围在[-1，1]之间，表示为公式(7)。

22、

23、其中，若相关系数满足公式(8)：

24、min(ρ1,ρ2,ρ3)<k4  (8)

25、则认为该线路大概率发生了单相接地故障，然后进行第二次故障相识别，若第二次故障相识别结果与第一次故障相识别结果相一致，则最终确认该线路发生了单相接地故障；其中，min(ρ1,ρ2,ρ3)为三相相关系数最小值，k4为可整定的定值系数。

26、在一种可能的实施方式中，该方法还包括：第二次故障相识别的过程，具体可以是：若min(ρ1,ρ2,ρ3)是ρ1，则故障相为b相；若min(ρ1,ρ2,ρ3)是ρ2，则故障相为c相；若min(ρ1,ρ2,ρ3)是ρ3，则故障相为a相。

27、基于上述方案，本发明综合利用智能接地箱安装位置处的运行电流、护层环流的故障信息进行选线和定位。首先，利用三相运行电流和三相护层环流的变化突变量初步判断35kv系统是否发生绝缘破坏，通过多判据的“或逻辑”运算，可以提高故障检测灵敏性，避免高阻接地情况下的拒动。在启动判据满足后，本技术方案再利用三相电流中的不平衡分量和波形相关性检测绝缘破坏故障是否发生在本线路，其中，利用故障分量相-相电流作为判据，可以进一步提高检测的可靠性；最后，判断本线路存在绝缘破坏故障后，再利用故障相电缆护层环流异常增加的特征判断本智能接地箱是否位于故障区段，据此确定故障区段范围。

28、第二方面，提供了一种电子设备，包括：存储器：用于存储计算机程序；处理器：用于执行所述计算机程序，以实现上述的基于运行电流和护层环流的电缆绝缘故障识别定位方法的步骤。

29、第三方面，提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现上述的基于运行电流和护层环流的电缆绝缘故障识别定位方法的步骤。

30、基于上述方案，本发明提供了一种电子设备以及存储介质，其包括：一个或多个存储器，一个或多个处理器。存储器用于存储程序代码和程序运行过程中产生的中间数据、模型输出结果的储存和模型及模型参数的储存；处理器用于代码运行所占用的处理器资源和训练模型时占用的多个处理器资源。

31、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。