基于行波的电缆在线监测技术研究

摘要：文章基于电缆的水树枝发生机理，研究利用捕捉暂态信号对电缆故障进行分析判断，并利用行波探测和测距技术对电缆故障点进行测距，实现对电缆故障进行实时在线监测，提前发现、提前预警，保障供电网的安全运行。
关键词：行波；电缆；在线监测

0 引言
    煤矿3～35kV供电网多采用中性点不接地或经消弧线圈接地(谐振接地)运行方式，一般称为小电流接地方式。长期以来，小电流接地电网中的电缆单相接地故障都缺少可靠的故障判别方法。小电流系统中电缆接地故障的检测之所以困难，其主要原因在于故障电流小及接地点电弧不稳定。特别在经消弧线圈接地的系统中，流过电缆故障线路的稳态电流十分微弱，甚至比健全线路感受到的电流变化还小。而故障点的不稳定电弧，将使故障电压电流信号严重畸变。由于已开发出的在线检测方法主要是利用各种稳态信号，受此影响，实际使用效果均不理想。因此，有必要研究利用暂态信号对电缆故障进行分析判断的电缆在线监测系统，提前发现、提前预警，实现真正的安全预判。

1 基本原理
    煤矿3～35kV供电网所用电缆均为交联聚乙烯(XLPE)电缆，对于XLPE电缆，水树枝老化是造成电缆在运行中被击穿的主要原因。在电缆绝缘中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔处的电场畸变，会导致在运行电压下引发水树枝，水树枝的生长相对较慢，但伴随水树枝生长，水树枝尖端的电场将愈加集中，局部高电场强度最终会导致水树枝尖端产生电树枝，造成运行电缆的瞬间燃弧，电缆绝缘下降，随着水树枝不断的生长积累，最终造成电缆绝缘损毁。
    由水树枝造成的瞬时性燃弧具有可恢复性的特点，我们称它为“可恢复故障”。随着这种故障的次数积累，达到一定程度后，电弧连续且不可恢复，在运行系统即表现为接地故障，电缆损毁需要维修。瞬时性可恢复故障的持续时间一般在3～5ms(四分之一周波内)。对于持续时间很短的瞬时性可恢复故障来说，常规的电网绝缘监测装置(包括小电流接地故障检测装置)一般来不及动作、给出报警信息。
    由此，我们研究能够捕捉、记录到瞬时性可恢复接地故障的超高速数据采集技术，以及能有效判断其特征的数字辨识方法，同时研究此类故障最终造成电缆损毁的有效次数积累，通过仿真和模拟实验，确立电缆故障预警判据，为现场运行提供有效依据。
    对于通过超高速数据采集系统得到的瞬时性可恢复接地故障数据，由于其暂态过程特性，其中也包含有瞬时性可恢复接地故障的行波过程信息，利用该行波信息，可进一步测算故障距离。
    XLPE电力电缆故障在线预警系统基本原理如图1所示，利用高频电流传感器从电缆一端接地电流处提取“可恢复故障”的高频信号，高速信号采集单元捕捉、记录“瞬时性可恢复接地故障”信息，可实时在线检测和记录一条或多条被测XLPE电力电缆，当被测电缆发生“可恢复故障”时，将会产生金属屏蔽层或钢铠等接地导体的瞬时电磁暂态信号，利用特定判据或人工分析方法即可对被测电力电缆进行故障预警，并能指示故障点距离。

    在正常运行过程中，高速数据采集与处理单元内部硬件逻辑回路对各通道信号按设定的采样顺序和采样频率自动进行高速采样和A／D转换，且将A／D转换结果自动高速写入循环SRAM中。

2 算法设计
2．1 预警
    预警算法的作用是保证被监视范围内部线路发生“可恢复故障”时装置能够可靠预警，而电网发生瞬时扰动、被监视范围外部线路发生故障或开关操作时装置能够可靠不预警。
    高频采集系统将传感器传输的信号进行高速采集。设iset为设定的阀值(可恢复故障的最低波幅)，当采集到的某一次信号满足
   
    时(波形幅值达到阀值以上，通过高速比较器实现)。对触发时刻前后某个特定时间段内的电流采样值进行积分：
   
    式中J0为每个积分周期初始时刻电流的采样序号；△J为每个积分周期包含的采样点数。如图2所示。

    若数值积分大于或等于设定值，则可能发生了“可恢复故障”，即满足：
   
    式中Aset为预先设定的阀值，即给定的“可恢复故障”的数值积分绝对值的最小值。
    综上所述，可确定系统自动存储SRAM中记录的波形的条件为：
   
    满足上述条件后，系统自动从SRAM的记录波形中截取该段时刻以及周围时刻的一部分波形储存，将储存的多次谐波进行相关度的检验。检验中所利用的公式可表达为：
   
    a[j+i+32]为滤波完成后的信号函数，b[i]为所选用的卷积窗函数，Cj为卷积结果，n为卷积窗的采样点数，32是指发生可恢复故障时系统将自动记录该时刻之前的32次米样数据。
    所得卷积结果越大，则表明相关程度越高。当相关程度达到某一临界值时，确定发生可恢复故障。系统自动记录一次数，即系统认为发生一次“可恢复故障”。然后对该波形进行测距运算。
    当一定时间段内系统记录的可恢复故障的次数达到一定量，系统开始向用户发出预警，并视故障发生的频率由少到多而依次发出黄色、橙色、红色预警。
2．2 故障测距
    对于通过超高速数据采集系统得到的“瞬时性可恢复接地故障”数据，由于其暂态过程特性，其中也包含有“瞬时性可恢复接地故障”的行波过程信息，利用该行波故障测距技术，我们攻克了测算故障距离的问题，在故障预警的同时，通过行波测距自动算法，能明确指示故障点距离。
    采用单端行波原理，利用线路故障后在线路一端(装置安装端)测量点提取的第1个正向行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延计算本端测量点到故障点之间的距离，在图1所示的系统中，当故障初始行波浪涌到达故障线路两端母线时将产生反射和透射现象，如图3所示。

    假定M端为测量端，且行波从本端母线到故障点的传播方向为正方向。故障初始行波浪涌(以电流行波为例)到达M端时形成本端第1个反向行波浪涌，记为。该行波浪涌在M端母线的反射波形成本端第1个正向行波浪涌，记为，它将向故障点方向传播。行波浪涌到达故障点时将发生反射和透射，其中故障点反射波返回M端时表现为反向行波浪涌，记为，从测量点继续向故障点反射的正向行波浪涌，记为，依次类推。和分别表示所有来自故障方向的暂态电流行波浪通(反向行波浪涌)以及所有向着故障方向传播的暂态电流行波浪涌(正向行波浪涌)，可以证明来自故障方向的每一个电流行波浪涌与其在母线的反射波浪涌之间始终具有同极性的关系。
    当电缆发生“可恢复故障”时，由故障点发出的第1个正向电流行波浪涌与其在故障点的反射波浪涌在波形上存在同极性相似、时延为2τ(τ为行波从测量点到故障点的传播时间)的关系，因而可以设计匹配滤波器检测故障点反射波浪涌。
    由故障点发出的第1个正向电流行波浪涌为，t∈[0，△T]，其中△T略大于该行波浪涌所占的时间宽度，则匹配滤波器的冲击响应可以表示为：

    △t为采样间隔。
    当k=int(2τ／△t)时故障点反射波到达本端测量点，相应的匹配滤波器输出在k=int[(△T+2τ)／△t)时达到最大值。反之，设匹配滤波器输出在k=kmax时达到最大值，则故障点反射波到达本端测量点的时刻为t=kmax△t-△T。故障点到本端测量点的距离DL可以表示为：
   
    式中v为波速度。
    为了提高测距的精确度，我们采用多次测距综合分析的方法进行故障测距，即“打点法”。

    如图4所示，横坐标表示测得故障的距离，纵坐标表示故障行波能量。对系统取得的每一次故障行波，都有一个故障测距结果，以及行波的能量值，在坐标轴上对应做出一个点代表此次行波。理论上讲，如果所做的点数趋近于无穷多，这些点的分布趋近于正态分布。可以取
所有点最密集的地区的中心，即正态分布的对称轴，作为最终的测距结果。

3 结束语
    目前，本电缆故障在线监测项目已经在山东华聚能源公司济二矿电厂实施，在线监测装置已经对电厂最重要的10条6kV电缆实现了故障在线监测，已经监测到了600余次水树枝放电，并对其中放电频次最高的一条电缆进行了预警，同时准确地测出故障点在210m处。
    通过理论研究及实际应用，本电缆故障在线检测技术已经成熟，完全可以实现运行电缆的在线动态监测，超前预测、预知电缆故障趋势信息，对于矿井安全生产，电力行业安全可靠供电具有极大的社会、安全和经济效益，推广前景良好。