1、哈尔滨理工大学硕士学位论文电力电缆故障探测系统的研制姓名：孙建涛申请学位级别：硕士专业：高电压与绝缘技术指导教师：魏新劳20060301电力电缆故障探测系统的研制摘要由于电力电缆具有输电通道小。受环境污染影响小，可靠性高，对人身及周围环境干扰小等优点而被广泛应用。特别是在城市及大型工业电力用户，电缆几乎成为今后主要的电能传输、分配的途径。因此，由于正常运行中电缆的老化和外加非正常因素而导致电缆出现故障的事件也就不断增多。快速准确地对电缆故障的种类、具体位置进行确定，对于提高电力系统的供电质量、减少经济损失有非常重要的作用。特别是对于直埋电缆，如果不能快速准确地确定故障点位置，故障的排除就会花费
2、大量的时间、资金和人力。通过阅读大量的文献，结合以往的科研实践，本论文提出了一种新型的基于行波定位技术，小波分析技术和声磁联合定点技术的电力电缆故障探测系统，解决了其中的两个技术核心问题。首先，本文对电力电缆故障产生的原因、故障类型、分类及基本的故障定位方法进行了概述，重点分析了行波测距法中的电缆故障行波过程。在此基础上，结合小波分析法在信号消噪、奇异性检测等方面的优异性能，把小波分析技术应用于电缆故障行波定位法中，研制出了基于小波奇异性检测原理的电缆故障定位技术，该技术与以往的技术相比较，具有定位结果基本不受操作技术人员操作水平影响的优点。本文对这项技术进行了理论分析，并利用计算机仿真技术对
3、这一技术的正确性、有效性进行了仿真分析，仿真结果表明：在仿真数据输出步长为OOl邮的条件下，故障定位精度可以达到2以内，这表明该技术完全可以满足工程实践的需要。其次，对电力电缆故障精确定点的基本方法进行了概述，对各种方法的优缺点进行了对比分析，重点分析了声磁联合定点技术。设计、制作了基于声磁联合定点技术的电力电缆故障点精确定点仪主要硬件、软件模块。经初步试验表明，若以声波在媒质中的传播速度最高为5 000ms来计算，该定点仪的距离分辨率可以达到0Olm。以上两个核心技术问题的解决，对于今后研制出基于以上两个技术的电缆故障探测系统整机奠定了技术基础。关键词 电力电缆故障；行波故障定位；精确定点；
4、小波分析；奇异性检测哈尔溃理T大学T学醪士学位论文Development of Fault Detection System forPower CableAbstractThe power cables are used extensively with the merits such as smalltransmition pathway,less influenced by environmental pollution，high reliabil酊andlow interference for personal and surrounding environmentIn the futu
5、re，powercable nearly becomes the main path for the power transmission and distribution,especially in the city and the power user of large scale industrySo the incidents ofcable broken down,caused by aging in normal running and external abnormalfactors，are increasing constantlyIt is very important fo
6、r improving the quality ofpower supply and reduction economic losses tO identify the cable fault types andlocate fault point position fast and accuratelyEspecially for the buried cable，if thefault pon Cant be located quickly and precisely,it would expend a lot of time，funds and manpowerAccording tO
7、the past research and knowledge from references，this thesis put forward a new type power cable fault location system on the basis oftraveling-wave locating technique，wavelet analysis technique and pinpointingtechnique ofcombining acoustic and magnetic，and solved two key problems ofitFirst of all，in
8、this thesis，the causes of the cable fault，fault type，classificationand the basic methods of fault location are summarized，then the wave process ofthefault wave in the cable Was analyzed with emphasisConsidering the advantages ofwavelet analysis in signal de-noising and singularity detection,the wave
9、let analysistechnique is adopted in traveling-wave fault location metho&and the fault locationtechnique for cable was developed based On the principle of wavelet singularitydetectionCompared witll the former techniquesthe new one has the merit that thelocation result is independent of the operators
10、levelThe theory analysis has beencarried on,and the validity and effectiveness were simulated with computerThesimulation result shows that the precision of fault location can be up tO士2on thecondition that the output step of the simulation data is 001 rtsThis indicates thatthe technology Can satisfy
11、 the need ofproject practice111Secondly,the basic pin-pointing methods of power cable ale summarized，andthe merits and shortcomings of each method ale compaled，the union of sound andmagnetic pin-pointing technology is analyzed witll emphasisThe main hardwareand software modules have been designed an
12、d made，on the basis ofthe pin-pointingtechnology“of the union of acoustic and magneticIndicated by the preliminary test，the re$olution ratio ofdistance ofthis instrtunent call reach 0Ol meter，assumed themaximum speed acoustic wave is 5 000ms in the mediumThe settlement of the two core technological
13、problems mentioned above，hasestablished the technological foundation in developing the complete machine systemfor power cable fault location based on the two technologies in the futureKeywords power cable fault；travelingwave fault location；pin-pointing；waveletanalysis；singnlality detectionIv哈尔滨理工大学硕
14、士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力电缆故障探测系统的研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：h史诗 日期：唧6年月f弓日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书电力电缆故障探测系统的研制系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期日】在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔
15、滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在 年解密后适用授权书。不保密。(请在以上相应方框内打)作者签名：导师签名：h建诗姒弓，日期：如口年；月J多日R期：钏年弓月眵只哈尔泞理丁大学T学硕卜学位论叟第1章绪论11课题研究背景、目的及意义随着城网和农网改造的实施，电力系统中电力电缆的敷设量越来越多，特别是随着城市改造和建设的不断深入，城市电网中电力电缆所占的比重越来越大，电力电缆网络结构日益复杂，同时运行时间的不断增
16、长使电缆老化加剧，出现故障的事件也就不断增多。特别是对于直埋电缆，如果故障点位置探测的不够准确，其故障的排除就会花费大量的时间、资金和人力。如何快速、准确、经济的找到故障所发生的位置，便成为维修及恢复供电的关键一步。若能使用恰当的仪器对其进行检测，既可省去大量的人力、物力，又可减少因停电而造成的损失。因此保证电力电缆的安全运行和及时排除故障、迅速恢复供电是一项很重要的工作，越来越受到各部门的重视“”。目前，电力的传输一般采用架空线路或电缆线路来实现，它们担负着传输电能的重任。与架空线路相比，电缆线路主要有以下一些优点“1：(1)线间绝缘距离小，电缆在地下敷设不需占用地面上空间，对人身安全可靠：
17、(2)受周围环境污染影响小，送电可靠性高；(3)可以提高输电线路的输送能量。由于电缆波阻抗只有几十欧姆，在同样电压等级下，电缆线路要比架空线路可以输送更多的功率。因此，为了减少电网对交通、城市建设的影响，在1lOkV及以下系统中，大城市人口稠密区的输配电网络、城市郊区的输配电网络、大型工厂，发电厂和交通拥挤区，电力电缆的应用日益广泛”。但是电缆线路相对于架空线路而占也存在着缺点，主要表现在线路的维护上。电缆线路由于埋设在地下，一旦出现故障，寻找起来十分困难，不仅浪费了大量的人力、物力和查找时间，而且会造成难以估量的停电损失。寻求一种快捷、准确的电力电缆故障探测方法，以缩短检修时间、减少停电损失
18、，已成为国内外科研技术人员的共同目标“10。12国内外研究概况和发展趋势从70年代至今”，电缆故障定位技术取得了长足的发展和进步，各种测试方法和测试仪器应运而生，电缆故障检测技术不断得到完善和提高，并且在实践中得到了广泛的应用。电力电缆故障铡寻技术是随着电力电缆的应用而产生的，其理论和实践也是紧密结合、相互发展的。电力电缆的故障测距方法很多，总体上可分为阻抗法和行波法两类。根据是否离线的需要，行波法又可分为离线和在线两种。无论是从阻抗法到行波法，还是从离线测距的实现到在线测距的尝试，电力电缆的故障测距技术经历了由简单到复杂的变化过程，先后发展出电桥法、低压脉冲反射法、脉冲电流法以及应用光纤技术
19、、计算机技术发展出来的新的测试方法和系统等等“。例如使用实时专家系统对电缆进行自动检测”“，采用高速光电传感技术，利用光纤对电缆进行在线故障测距；以及将全球定位系统(GPS)技术应用于电缆故障在线测距当中“”从长远来看，在线检测及全自动测试是未来电缆故障测试的发展趋势。相对离线测距而言，在线检测能够快速实现故障测距。并且能够将故障测距信息自动传送到系统监测设备，也避免了离线定位技术中所使用的过高的冲击电压对电缆可能造成的附加损伤。目前，国内外一些公司在不断研究新的测试方法，但电力电缆故障的在线检测与测距迄今尚未达到输电线路故障的在线检测与测距的成熟程度“”。在电缆故障定位方面目前实际应用的基本
20、上都是离线测距。基本的测距方法分为电桥法和行波定位法。相对于行波定位法而占，电桥法的价格低、测试方法简单、操作简便，但是对于电力系统中实际使用的电缆，电桥法的适用性比行波定位法差，所以，基于电桥法原理的电缆故障定位设备目前主要用于电缆生产厂家，而基于行波定位技术的电缆故障定位设备则多应用在电力系统中。对于电力系统中直埋的电力电缆，由于电缆走向、埋设时电缆的拉直程度等方面原因，仅仅依靠电桥法或行波定位法所确定的电缆故障位置往往只是电缆故障的电路参数位置，而不是故障的地理位置，而对于故障检测和修复而言，最重要的是要确定故障的地理位置而不是电路参数位置。因此，一般地，对于实际投入使用电缆的故障定位基
21、本上要包括两个方面，首先是利用电桥法或行波定位法对故障进行定位，其目的是确定出故障的区日J；然后是利用其它-2技术对确定出的故障区域进行检测，具体确定出电缆故障的确切位置，这一过程称为定点。电缆故障定点的方法主要有声测法、音频感应法及声磁传播时间差法。目前，声磁传播时间差法是最为有效的故障定点方法。1 03课题的主要研究内容本文的主要工作如下：1、以行波法为基础，结合小波分析中的相关技术，研究一种新的电力电缆故障定位技术。2、采用声磁联合定点技术，研制电力电缆故障精确定点装置，其中包括硬件及软件设计。3呛印泞理T太学T学妒t学位论文第2章电力电缆故障探测技术简介对电力电缆故障的查找，首先要对故
22、障性质进行诊断，以便有针对性的选择测试方法。然后再测定电缆故障点距测量端的距离，即故障测距；最后在测距所确定的小范围内，根据故障类型，利用音频感应法、放电声测法或其它方法查找出故障的准确位置，也即故障定点。21电力电缆故障产生的原因及分类电力电缆经过敷设和长时间的运行使用，就可能发生故障，影响电力网的安全运行。必须及时分清故障原因，准确判断故障点，从而消除故障。了解电缆的故障原因及故障类型，对于快速的判定出故障点是十分重要的。211电力电缆故障原因电力电缆故障的原因是多方面的，大致可分为以下几种：1机械损伤机械损伤引起的电缆故障占电缆故障事故的比例比较大。例如在安装过程中，不小心碰伤电缆；机械
23、牵引力过大而拉伤电缆：或电缆过度弯曲而损伤电缆，经过长时间运行后就有可能发展成故障”1。2电缆绝缘的破坏电缆绝缘的破坏是故障产生的主要原因。特别是塑料绝缘的电力电缆，绝缘在长期电场的作用下，就会发生树枝化放电，使绝缘降解破坏，造成贯穿击穿。由于绝缘层的介质损耗，可能造成电缆过热，进而加速了绝缘层老化。电缆过负荷或散热不良，安装于电缆密集区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆，穿在干燥管中的电缆以及与热力管道接近的电缆，都会因过热而使绝缘加速老化。电缆密封不严，绝缘层进入水分而受潮，使电缆绝缘性能下降，甚至造成树枝状放电或直接贯穿性击穿，导致电缆出现故障。另外，在大气过电压和电力系统内部过电压的
24、作用下，使电缆绝缘层击穿，形成故障，这种情形下击穿点一般是由于存在材料缺陷1。3护层的腐蚀由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆铅包外皮受到腐蚀出现麻点，开裂或穿孔，致使水分进入电缆也可以造成故障”“。1。一4哈尔滨理T大学T学硕十学位论文212故障的性质与分类电力电缆故障的分类方法比较多，通常有以下几种方法：1从故障形式上可分为串联与并联故障。串联故障是指电缆一个或多个导体(包括铅、铝外皮)断开；并联故障是指导体对外皮或导体之间的绝缘下降，而不能承受正常运行电压。导体断路往往是电缆故障电流过大而烧断的，这种故障一般伴有并联接地或相fB】绝缘下降的情况。实际发生的故障绝大部分是单相对地绝缘下
25、降故障“”。电缆故障点可用图2-l所示的电路来等效。见代表故障点处绝缘电阻，G是击穿电压为的击穿间隙，c，代表局部分布电容，上述三个数值随不同的故障情况变化很大，并且相互之间并没有必然的联系。主绝缘 金属屏蔽层线芯地 图2一l电缆故障等效电路Fig21 Equivalent circuit ofcable fault point间隙击穿电压以的大小取决于放电通道的距离，电阻置，的大小取决于电缆介质的碳化程度，电容C，的大小取决于电缆绝缘材料的性质和故障点受潮的程度，数值很小，一般可以忽略。2根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障。，见表21。开路(断路)故障：电
26、缆的各线芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体断开。具体表现为电缆相问或相对地绝缘电阻达到所要求的范围值，但工作电压不能传送到终端，或终端有电压，但负载能力很差。(低压脉冲测试时，故障有反射且反射波与发射波同相)低阻绝缘故障：按照过去工程实践的惯例，凡是电缆故障点的残余绝缘-5电阻小于10倍电缆特性阻抗的电缆绝缘故障称为低阻绝缘故障。有时把故障点残余绝缘电阻接近零的故障称为短路故障(低压脉冲测试时故障有反射且反射波与发射波反相)。 高阻故障：按照过去工程实践的惯例，把电缆故障点的残余绝缘电阻大于lO倍电缆特性阻抗的故障均称为高阻故障(低压脉冲测试时反射不明显)。闪络性故障：试验电压升至某值时，泄漏电流
27、突然升高，监视泄漏电流的表针间歇性摆动。电压稍下降时，此现象消失，但电缆绝缘仍有极高的阻值。闪络性故障多是在进行预防性试验时发生，并多出现于电缆中间接头或终端头内。表2-1电缆故障性质的分类Table 2-l The classification ofcable fault property故障性质 量 间隙的击穿情况开路 在直流或高压脉冲作用F击穿低阻 小于lO z0 以不是太低时，可用高压脉冲击穿高阻 太于10 zo 高压脉冲击穿闪络 盲流或高压脉冲击穿表中z0为电缆的波阻抗，电力电缆波阻抗一般在10,-40 Q之日j。以上分类的目的是为了方便选择故障定位方法。根据目j；采用的故障测距技术
28、，开路与低阻故障可用低压脉冲反射法，高阻故障要用冲击闪络法，而闪络性故障可用直流闪络法测试。现场人员有把R1：旷I胁)y等dr(3-28)其逆变换为f(t)=专L扔啪(譬捌a (3-z。，为了以后应用的方便，下面给出消失矩的定义：函数缈(r)的k阶矩是指积分mk=Iy(f)，dt (330)其七阶消失矩是指积分肌触消失矩的实际影响是将信号的能量相对集中在少数几个小波系数中。2离散小波变换实际应用中，尤其是计算机上实现时，为了使小波变换能实现快速计算，有必要对连续小波变换进行离散化，把虬。(f)中的连续变量口和b取作整数离散形式最常用的离散方法就是将尺度按幂级数进行离散化，即取口，=耐，aol，
29、一般取ao=2。关于位移的离散化，通常对b进行均匀离散取值，以覆盖整个时间轴。为了不丢失信息，采样间隔b应满足Nyquist采样定理，即采样频率大于等于该尺度下频率通带的二倍。每当_，增加l，尺度a增加一倍，对应的频带减小一倍，可见采样频率可以降低一倍。也就是采样间隔可以增大一倍。因此，如果尺度y=o时，b的间隔为瓦，则在尺度为2，时，间隔可取为-22哈尔演理T大学T学硕+学位论文吵瓦，此时虬j(f)可表示为 古吐孚)=古矿(扣刁一嘶mz为简化起见，把r轴用瓦归一化，上式就变为gj(，)=2-J29z(21t-k) (3-32)相应的小波变换表示为离散小波变换町(-，t)=(f)，y，(f)
30、(3-33)的形式。需要注意的是，这里的离散化是对口和b进行的，而不是针对时间变量。3多分辨率分析多分辨率分析(Multi-resolution Analysis MRA)，又称为多尺度分析，是建立在函数空间概念上的理论。就是要构造一组函数空间，每个空间的构成都有一个统一的形式，而所有空间的闭包则逼近r(R)。在每个空间中，所有的函数都构成该空间的标准化正交基，而所有函数空间闭包中的函数则构成r(R)的标准化正交基。那么如果对信号在这类空间上进行分解，就可以得到相互正交的时频特性。而且由于空间数目是无限可数的，可以很方便的分析我们所关心的信号的某些特性”1。空间r(R)中的多分辨率分析就是指满
31、足如下性质的一系列闭子空问m：(1)一致单调性：一亡+1，Z，即具有包含关系。(2)渐进完全性：n=0)；U L2(R)，即所有空间的闭包逼近r(R)。(3)伸缩规则性：f(t)一f(2t)Evo，Z。(4)平移不变性：f(t)jfqn)E，nEZ。(5)正交基的存在性：存在矿(f)，使得0(t-n)。是的正交基。这个条件也可放宽为Rieze基的存在性，因为由Rieze基可以构造出一组正交小波基满足上述条件的函数空间集合，成为一个多分辨率分析，如果妒(f)生成一个多分辨率分析，那么称声(，)为一个尺度函数。 。多分辨率分析的一系列尺度空间是由同一函数在不同尺度下张成的，也即23兰釜鎏翌二盔兰：
32、兰翌圭兰竺丝苎一个多分辨率分析_Jez对应一个尺度函数。设睨为匕在圪。中的补空间，即一。=0K，上圪，且既上，由性质(1)和(2)可知L2(R)=Q (3-34)因此，。构成了L2(R)1拘一系列正交子空BJ。并可得形=巧一一巧 (3-35)若设9“jI=2-s2(2一Jt一后)；JiZ为空间的一组正交基(正交基可能有许多，取其中的一组并假设妒(f)满足小波可容许条件)，根据式(334)，则妙。的整个集合矿，；_，z，kZ构成了L2(R)空间的一组正交基。对照(3-32)离散小波基的定义，此处的妒，。(f)正是由同一母函数伸缩平移得到的正交小波基，因此称If，为小波函数，相应的成形是尺度为，的
33、小波空间。由多分辨率分析的定义：=K0彤=吒00嘎=+彬+彬= (3-36)对于任意函数f(t)，我们可以将它分解为细节部分彤和大尺度逼近部分M，然后将大尺度逼近部分K进一步分解，如此重复就可得到任意尺度(或分辨率)上的逼近部分和细节部分。这就是多分辨率分析的框架，这里以一个三层的分解进行说明，其小波分解树如图310所示从图中可以看出，多分辨率分析只是对低频部分进行进一步分解，而高频部分则不予考虑。分解具体关系为：S=4+B+破4-Dl”。图310三层多分辨率分析树结构图Fig310 Structural drawing ofthree-layer multiresolution analysis二尺度方程是多分辨率分析赋予尺度函数妒(f)和小波函数(f)的最基本特24
