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电缆故障测距及检测信号去噪分析郑睿

发表时间：2020/4/9 来源：《电力设备》2019年第23期作者：郑睿何玉明徐伟

[导读] 摘要：随着社会经济的发展，我国的工业化进程有了很大进展，电力已经成为人们工作和生活中最为基础的一部分，而电力电缆是电网运行中的主体部分，对于电网的正常运行发挥着极大的作用。

        （宝胜科技创新股份有限公司江苏省扬州市 225800）
        摘要：随着社会经济的发展，我国的工业化进程有了很大进展，电力已经成为人们工作和生活中最为基础的一部分，而电力电缆是电网运行中的主体部分，对于电网的正常运行发挥着极大的作用。为提高电力电缆故障定位的准确度，利用小波变换与行波测距相结合的定位方法，对故障波形的db3小波进行四层分解和信息分析。并通过搜索高频系数的模极大值来确定行波起始脉冲和反射脉冲的时间点，精确定位电缆故障的位置点。在实际铺设电缆的情况下，行波中会夹杂大量的噪声信号，选取软阈值法进行去噪，效果显著，且可保留故障信号中的有效信息。
        关键词：线路检修；电缆；行波；小波变换；测距；去噪
        引言
        近年来，随着城市建设快速发展和人民生活水平提高，中心城区用电量剧增，大量220kV、500kV变电站逐步向城市中心延伸，受架空走廊的限制，这些变电站的联络线主要采用高压电缆线路。每年新增高压电缆线路投运量持续快速增长，短路故障也随之增加，高压电缆线路的安全可靠运行对区域性电网稳定和大面积可靠供电的支撑作用日益显现。
        1高压电缆故障原因
        （1）电缆绝缘老化。由于电缆运行环境比较恶劣，电缆外层绝缘材料容易出现老化现象，导致绝缘性能下降，在长期的运行中绝缘层就会被击穿，引起短路故障和低阻故障。（2）机械损伤。电缆运行过程中，经常会有施工项目未与电力公司确认便开展开挖、打桩等工作，在这过程中没控制好施工深度的话就会对电缆的保护层造成损坏甚至挖断电缆，以及自然因素导致电缆受到拉力被拉扯变形，进而引发电缆故障。（3）电缆本身缺陷。电缆生产商在生产过程中有不合理的地方，例如电缆制作材料选择错误、制造工艺不严谨、产品设计上有缺陷等，导致电缆出厂时绝缘方面就存在缺陷，影响正常工作。（4）电缆安装不规范。在电缆头安装时安装人员没有按照相关要求进行处理或者技术不够精湛，没有进行防潮措施、密封处理或者接头导线连接压接不良等，这些都会导致电缆故障。（5）超负荷运行。随着经济的发展，用电量骤增，已有的线路不能满足使用需求，很多电缆都处于超负荷运行状态，导致电缆内部大量发热，使得电缆绝缘加速老化，降低电缆寿命。
        2电力电缆故障的性质
        对于电力电缆来说，其在使用的过程中出现故障的性质主要包括低阻故障、高阻故障、高阻泄漏故障、闪落性故障等。其中，低阻故障主要表现为绝缘电阻值过低，其极端的表现情况就是出现短路现象。高阻故障是与低阻故障相对应的一种电力电缆故障，主要是由于电力电缆的直流电阻过大引起的，对于高阻故障来说，有主要表现为断路故障、闪落性故障以及高阻泄露故障等方面。对于高阻泄漏故障来说，在对电力电缆进行高压绝缘测试的过程中，泄漏的电流与试验的电压呈正比，即随着试验电压的增大，泄漏的电流也会相应的增加。对于闪落性故障来说，在进行电力电缆电压测试的过程中，可以发现在电压上升的过程中，当电压上升值一定值时，会出现电流突然急剧上升的现象，当电压下降时，电流又会下降，但是此时电力电缆仍然会保持较大的阻值。
        3离线故障测距方法依据测量原理
        （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几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。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线路波阻抗不匹配的位置（包括故障点、电缆终端和中间接头）后，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，测出故障距离。

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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。该方法首先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，将电缆故障点瞬间击穿，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器接收并换算出该电压行波信号往返一次的时间，再和脉冲信号的传播速度相乘从而计算出故障距离。高压脉冲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，安全性相对较差，且对测试设备的技术参数要求较高。
        4电缆埋设路径探测
        在对电缆故障位置精确定点时，必须要清楚电缆埋设路径，这是就要用到电缆路径探测仪。进行路径探测时，将一电磁波信号加到电缆上，通过定点仪磁信号接收机接收电磁波信号，并转换成音频信号送至耳机，根据耳机声音大小变化，利用谷值法原理，垂直于地面的磁性天线在电缆正上方接收到的电磁信号最弱的位置就是电缆埋设位置。谷值法原理是让探测棒与地面垂直，当探测棒在电缆正上方时，磁力线的垂直分量为零，此时听到的声音最小。峰值法则与之相反，与地面水平的磁性天线在电缆正上方接收到的电磁信号最强的位置就是电缆埋设位置。
        5在运行管理中应注意的问题及改进措施
        告警门槛值的合理设置是保证系统准确预警的前提，在方案实施后的验证阶段，稳态零序电压门槛值及暂态接地统计规律（经验值）应与现场实际情况相匹配，使系统灵敏度适应工况实际。告警发生必要条件设定和系统噪声对行波电流检测的干扰程度的判断和规避是系统能否准确动作的关键，需要在试运行期间仔细摸索，使之达到预期效果。
        6故障信号的去噪处理
        噪声具有较强的随机特性，若要获得良好的去噪效果，阈值和阈值函数的选取是关键。因此，利用软阈值法进行去噪分析，能够实现阈值的选取，以达到较好的去噪效果。去噪流程的具体步骤如下：步骤1首先选择电缆故障信号特性的小波函数及合适的层数对原始信号进行小波分解。步骤2利用软阈值法处理每层分解后的高频系数。步骤3运用小波重构处理新的小波系数，构造去噪后的信号。去噪工作对提取模极大值点有很大的影响。为了验证软阈值法的优越性，利用不同方法进行去噪，强制去噪后的信号波形曲线较为平滑，获得了较好的去噪效果，但它对于包含白噪声的信号并不适用。默认阈值法去噪是利用单一阈值进行去噪，若使用相同的阈值去处理每个尺度，会破坏信号中的一些有效成分。软阈值法有效弥补了默认阈值法和强制去噪法的不足，通过选取不同的阈值对信号进行处理，获得了较好的效果，不会使电缆故障信号所包含的重要信息受到破坏。
        结语
        综上所述，在变电站自动化系统应用中，各种微机监控系统大多是故障出现后的监控和保护措施，而电缆绝缘监测故障预警这样的故障前期预警系统比较少，主要是故障初期的暂态现象分析难度大。钢铁企业专用变电站在向生产厂供电时，大量应用交联聚乙烯电缆，尤其以电压输电为主，这些电缆的绝缘接地状态对于供电系统十分重要，因此希望有更多的类似的新技术得到发明和应用,并能够融合大数据技术和人工智能技术实现系统的自主学习、检测、判断，更加方便现场设备维护人员对电力电缆运行状态的实时掌握。
        参考文献：
        [1]周承科,李明贞,王航,等.电力电缆资产的状态评估与运维决策综述[J].高电压技术,2016,42(8):2353-2362.
        [2]叶芃生,董华霞,叶靖波.电桥法测定电缆三相绝缘故障的新方法[J].中国电机工程学报,1998,18(5):361-367.
        [3]王佑明,张志利,龙勇.直流双臂电桥测量低电阻的误差分析[J].电子测量技术,2007,30(1):154-156.