1、目录摘要 .I关键词：故障定位；C 型行波；二次脉冲法；燃弧过程；最小差法. I1. 电力电缆线路的故障定位方法 .21.1 C 型行波测距的二次脉冲法 21.2 三级脉冲法 31.3 基于 GPS 的电缆双端测距 .41.3.1 滑动平均法求 .5n1.3.2 最小差法求 601.3.3 利用 和 求精确时标 .7i2. 结论： .73. 参考文献： .8Abstract 8Key words: Fault location;C wave;wo pulse method;arc process; the minimum deviation method. .8华北电力大学论文设计 第 I电力
2、电缆线路的故障定位摘要随着我国电力系统规模逐渐加大，网络结构逐渐复杂，用户对供电稳定的要求也越来越高。这就要求系统正常运行过程中要防止故障的发生，并且在系统发生故障后，要快速、准确地找到故障位置，迅速排除故障，确保电力系统安全运行，提高供电可靠性，将损失最小化。随着国民经济的发展，在配电网系统中，出现了地埋电缆；虽然电力电缆具有比架空线路可靠性高、占用空间少、受恶劣天气影响较小、有利于工厂布局和城市规划等优点；但是由于机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化、水树等因素的影响，长时间运行的电力电缆也会发生故障；再加上由于电力电缆多埋于地下或铺设在电缆沟中，故障发生后，很难迅速、准确地测出故障地点的确切位置
3、，不能及时地排除故障恢复供电，往往会造成停电停产的重大经济损失。因此研究电力电缆的故障定位具有非常重要的意义。关键词：故障定位；C 型行波；二次脉冲法；燃弧过程；最小差法.华北电力大学论文设计 第 2 页1. 电力电缆线路的故障定位方法1.1 C 型行波测距的二次脉冲法二次脉冲法采用限流技术来延缓脉冲能量 P 的释放，它将“无源的二次脉冲产生器”串联在“高压脉冲电源”与“故障电缆”之间构成二次脉冲测试系统。二次脉冲法接线如图 1 所示。图 1 二次脉冲法接线图(1)第一次脉冲：高压脉冲击穿故障点，使电容器 C 中储存的能量通过 R 限流后在故障点处释放。(2)第二次脉冲：二次脉冲产生器随机发送
4、测量脉冲至故障点进行采样。由此可知，二次脉冲的燃弧能量 P 是由电容器 C 中所储能量提供，经电阻 R 限流后，能量释放得到减缓从而达到延长燃弧时间 t2(不超过微秒级)目的。二次脉冲法燃弧过程的 U-t 曲线如图 2 所示。图 2 二次脉冲法燃弧过程的 U-t 曲线图由于电阻 R 限流要损失一定的击穿能量，因此二次脉冲的击穿电压设定值 U 是未知的，华北电力大学论文设计 第 3 页测试过程中需要不断调整才能获得适当的击穿电压。通常，击穿电压 Uj要高于最小击穿电压 Uj.min的 30以上，即 UjU j.min(1+30)。又由于二次脉冲的燃弧过程不稳定，测量脉冲是随机发送的，因此需要不断
5、调整击穿电压 U 及多次发送测量脉冲，才能成功采集到波形。二次脉冲法采样时需要一次触发 8 个(或更多)测量脉冲，且须从这 8 个波形中辨别出“成功波形” ，而在测量环境恶劣的情况下采集到的波形尤为复杂，几乎没有成功波形。1.2 三级脉冲法三级脉冲法采用蓄能燃弧技术，它将“有源的中央控制单元”串接在“直流高压源”和“故障电缆”之间构成三级脉冲测试系统。脉冲发送的顺序及时刻均由中央控制单元自动完成，与操作人员无关。三级脉冲法接线如图 3 所示。图 3 三级脉冲法接线图(1)第一级脉冲：高压击穿故障点后，电容器 C1上所储能量 P。施加至故障点。(2)第二级脉冲：中央控制单元的储能装置 C2的能量
6、 P2也加至故障点。(3)第三级脉冲：燃弧稳定后，控制系统发送测量脉冲采样。由此可知，三级脉冲法的燃弧能量 P 是由高压脉冲电容 C1所储能量 P1和有源蓄能装置 C2所储能量 P2共同提供，即 P=P1+P2，且能量 P2的释放受控于控制系统并以小电流、稳定燃弧形式进行。由于有了外界能量的补充，故障点处的弧短路时间 t3从微秒华北电力大学论文设计 第 4 页级延长至毫秒级，达到了量级的变化，同时击穿燃弧并不消耗第一级的脉冲能量，相反还有一定的补充作用，因此三级脉冲法的击穿电压设定值 Uj与最小击穿电压 Uj.min相当，即 Uj=Uj.min。通常，U j.min在三级脉冲测试前是已知的，因
7、此不需要调整击穿电压设定值 Uj。三级脉冲法燃弧过程的 U-t 曲线如图 4 所示。图 4 三级脉冲法燃弧过程的 U-t 曲线图三级脉冲具有足够长的弧短路时间，并能在燃弧稳定期自动触发测量脉冲采样，从而保证每次触发的测量脉冲都能采到弧短路波形。在蓄能燃弧的基础上，三级脉冲法在燃弧稳定的整个时间段 t3内，采用了分时刻多次控制触发测量脉冲技术，即将 t3分为 8 个时段后分别触发 8 次测量脉冲，从而保证了三级脉冲采样不受故障点环境的影响，即使在极端环境下(故障点在水中)也能成功采集波形。三级脉冲法的采样波形是在燃弧稳定期控制触发测量脉冲而获得的，所以其波形与“低压脉冲短路波形”几乎一致，极易判
8、读，大大提高了测试成功率。1.3 基于 GPS 的电缆双端测距考虑到行波故障测距只需实时采集而不是实时控制的特点，若能实时准确记录秒脉冲与高精度晶振之间的时间偏差，事后又可以根据此偏差值计算出采样数据的准确时刻，而同样可以达到双端数据精确同步的目的。基于这种思想，得到一种可以事后推算出准确时标的算法和相应的硬件支持，以最大限度地减小时间同步误差给双端行华北电力大学论文设计 第 5 页波测距带来的定位误差。此种方法记录相邻秒脉冲间隔内的计时器计数值，此计数值包含有前后 2 个秒脉冲的随机误差信息。对多个这样的计数值进行滑动平均，将得到的平均值 作为每秒内计时器的计数估计值 ，并对多个秒脉冲的误差
9、估计值 。利nn0用 、 和 GPS 时间解码信息就可以得到此次采集数据的精确时间。由于此方法提出0的算法计算量较小，因此误差的校正计算也可由 CPU 在线完成，这样做的另一个好处是可以用 对 GPS 工作正常与否进行监测。步骤如下：1.3.1 滑动平均法求n对最近的 N 个计数值进行滑动平均，得到 N 秒内的平均计数值：（1）n.21_取 作为对每秒实际计数值的估计，易知 为无偏估计。为分析 的方差，可写为n_ n（2）NTN001设 的方差为 ，则易知 的方差为12ni（3）2Di虽然 并不独立，但从式（2）可知 的方差为nin（4）22_1TN可见 的方差为 的 1/N2,当样本数 N
10、比较大时（如取 N=100） ， 将会非常逼近真实值，ni n因此，可以把滑动平均值 作为真实值的估计值。n由于 是比较大的值（ ） ，为减小 CPU 的计数量，宜采用滑动平均方法求取i 108i。设下一秒的计数值为 ，则新的滑动平均值可采用下式计算：n华北电力大学论文设计 第 6 页（5）NnNn0_110_ 由式（2）可知，样本系列的首末误差 和 会影响 的大小，当 和 的误差均0n_0n较大且偏差误差方向相反时（如分别接近 ） ，则会导致较大的 误差。由于 的准3确程度会影响到下一步中 的求取，因此在此应进一步提高估计值 的准确性。仍然0 采用滑动平均的思想，对最近 3 次估计值 再取平
11、均值（或中间值） ，便可以比较可靠i地排除首末段秒脉冲大误差的影响。1.3.2 最小差法求0为估计 ，由于 ，所以可以取目标函数为：02,Ni（6）Min2210)(NiJ式中的 均可用 表示（以 为单位）：i,210S2101T2n（7）NTN10将式（7）带入式（6） ，得：（8）i iJn1 220为求 的极值，对 求导得：0J0（9） Ni TiNi iTi Nn10110 12)(2 令 ，可解出 ：0J0华北电力大学论文设计 第 7 页（10） Ni iTNi iTNi iTi idnni11_1 _1022 式中 ， 。dii_T由于精确的 是未知的，但是可以用近似值 带入式（1
12、0） ，得到 的估计值T n/1T 0为（11）Ni idn101.3.3 利用 和 求精确时标ni0当 GPS 工作正常时，设 CPU 发出停止采样控制信号时，读取到的时间计数值为 m，则最后一个采样点在秒以下的精确时间为 ，结合 GPS 时间的解码信息，可0Tm以给最后一个采样数据打上精确到纳秒级的高精度时间标签（对于 100MHz 晶振，时间分辨率为 10ns） 。其他采样点的精确时标经过简单的推算就可获得。2. 结论：根据 C 型行波测距和基于 GPS 的电缆双端测距可以较准确找出电缆线路的故障点，从而为电缆线路的检修节省大量的时间，具有较大的经济意义；而 C 型行波测距较为简单实用，
13、技术成熟，使用范围广，但测距精度低一点；基于 GPS 的电缆双端测距设备先进，结构较为复杂，测距精度比前一种方法高，当然使用费用高，还处于推广阶段。就现阶段而言，最好是两种方法混合使用，具体的视实际情况而定。华北电力大学论文设计 第 8 页3.参考文献：1 陈堂，赵祖康，等.配电及其自动化系统.北京：中国电力出版社，2003.2 刘建，倪建立.配电网自动化新技术.北京：中国水利水电出版社，2004.3 张栋国，孙雷.电力电缆及其故障分析与测试M.西安：陕西科学技术出版社，1994.4 于景丰，赵锋.电力电缆实用技术M.北京：中国水利水电出版社，2003.5 陈平，徐丙垠，李京.现代行波故障测距
14、装置及其运行经验JC-电力系统自动化.2003(03)Fault location of power cable lineGao Chengfu 1008040234(Guizhou University of Technology , Guiyang 550025, china)AbstractAlong with the our country electric power system size gradually increased, the network structure became more complex, users are more and more requireme
15、nt of power supply stability. This requires that prevent fault occurrence to the normal operation of the system process, and after a system failure, to quickly, accurately find the fault location, fault quickly, to ensure the safe operation of power system, improve the reliability of power supply, w
16、ill minimize the loss. With the development of the national economy, in power distribution system, the buried cable; although the power cable with high reliability than overhead lines, little space occupation, little, bad weather is conducive to the plant layout and city planning etc.; but because o
17、f the influence of mechanical damage, moisture insulation, insulation aging, tree and other factors, power cable of long time operation will happen; coupled with the power cable buried underground or laid in cable trench, fault occurs, the exact position is difficult to quickly, accurately measure t
18、he fault location, not to eliminate the fault and restore the power supply, often causing significant economic losses of power production. Has a very important significance to research the power cable fault location and so.Key words: Fault location;C wave;wo pulse method;arc process; the minimum deviation method.
