摘要：文章基于電纜的水樹枝發(fā)生機理，研究利用捕捉暫態(tài)信號對電纜故障進行分析判斷，并利用行波探測和測距技術(shù)對電纜故障點進行測距，實現(xiàn)對電纜故障進行實時在線監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警，保障供電網(wǎng)的安全運行。
關(guān)鍵詞：行波；電纜；在線監(jiān)測

0 引言
    煤礦3～35kV供電網(wǎng)多采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地(諧振接地)運行方式，一般稱為小電流接地方式。長期以來，小電流接地電網(wǎng)中的電纜單相接地故障都缺少可靠的故障判別方法。小電流系統(tǒng)中電纜接地故障的檢測之所以困難，其主要原因在于故障電流小及接地點電弧不穩(wěn)定。特別在經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，流過電纜故障線路的穩(wěn)態(tài)電流十分微弱，甚至比健全線路感受到的電流變化還小。而故障點的不穩(wěn)定電弧，將使故障電壓電流信號嚴(yán)重畸變。由于已開發(fā)出的在線檢測方法主要是利用各種穩(wěn)態(tài)信號，受此影響，實際使用效果均不理想。因此，有必要研究利用暫態(tài)信號對電纜故障進行分析判斷的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)，提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警，實現(xiàn)真正的安全預(yù)判。

1 基本原理
    煤礦3～35kV供電網(wǎng)所用電纜均為交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜，對于XLPE電纜，水樹枝老化是造成電纜在運行中被擊穿的主要原因。在電纜絕緣中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔處的電場畸變，會導(dǎo)致在運行電壓下引發(fā)水樹枝，水樹枝的生長相對較慢，但伴隨水樹枝生長，水樹枝尖端的電場將愈加集中，局部高電場強度最終會導(dǎo)致水樹枝尖端產(chǎn)生電樹枝，造成運行電纜的瞬間燃弧，電纜絕緣下降，隨著水樹枝不斷的生長積累，最終造成電纜絕緣損毀。
    由水樹枝造成的瞬時性燃弧具有可恢復(fù)性的特點，我們稱它為“可恢復(fù)故障”。隨著這種故障的次數(shù)積累，達到一定程度后，電弧連續(xù)且不可恢復(fù)，在運行系統(tǒng)即表現(xiàn)為接地故障，電纜損毀需要維修。瞬時性可恢復(fù)故障的持續(xù)時間一般在3～5ms(四分之一周波內(nèi))。對于持續(xù)時間很短的瞬時性可恢復(fù)故障來說，常規(guī)的電網(wǎng)絕緣監(jiān)測裝置(包括小電流接地故障檢測裝置)一般來不及動作、給出報警信息。
    由此，我們研究能夠捕捉、記錄到瞬時性可恢復(fù)接地故障的超高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以及能有效判斷其特征的數(shù)字辨識方法，同時研究此類故障最終造成電纜損毀的有效次數(shù)積累，通過仿真和模擬實驗，確立電纜故障預(yù)警判據(jù)，為現(xiàn)場運行提供有效依據(jù)。
    對于通過超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的瞬時性可恢復(fù)接地故障數(shù)據(jù)，由于其暫態(tài)過程特性，其中也包含有瞬時性可恢復(fù)接地故障的行波過程信息，利用該行波信息，可進一步測算故障距離。
    XLPE電力電纜故障在線預(yù)警系統(tǒng)基本原理如圖1所示，利用高頻電流傳感器從電纜一端接地電流處提取“可恢復(fù)故障”的高頻信號，高速信號采集單元捕捉、記錄“瞬時性可恢復(fù)接地故障”信息，可實時在線檢測和記錄一條或多條被測XLPE電力電纜，當(dāng)被測電纜發(fā)生“可恢復(fù)故障”時，將會產(chǎn)生金屬屏蔽層或鋼鎧等接地導(dǎo)體的瞬時電磁暫態(tài)信號，利用特定判據(jù)或人工分析方法即可對被測電力電纜進行故障預(yù)警，并能指示故障點距離。

    在正常運行過程中，高速數(shù)據(jù)采集與處理單元內(nèi)部硬件邏輯回路對各通道信號按設(shè)定的采樣順序和采樣頻率自動進行高速采樣和A／D轉(zhuǎn)換，且將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果自動高速寫入循環(huán)SRAM中。

2 算法設(shè)計
2．1 預(yù)警
    預(yù)警算法的作用是保證被監(jiān)視范圍內(nèi)部線路發(fā)生“可恢復(fù)故障”時裝置能夠可靠預(yù)警，而電網(wǎng)發(fā)生瞬時擾動、被監(jiān)視范圍外部線路發(fā)生故障或開關(guān)操作時裝置能夠可靠不預(yù)警。
    高頻采集系統(tǒng)將傳感器傳輸?shù)男盘栠M行高速采集。設(shè)iset為設(shè)定的閥值(可恢復(fù)故障的最低波幅)，當(dāng)采集到的某一次信號滿足
   
    時(波形幅值達到閥值以上，通過高速比較器實現(xiàn))。對觸發(fā)時刻前后某個特定時間段內(nèi)的電流采樣值進行積分：
   
    式中J0為每個積分周期初始時刻電流的采樣序號；△J為每個積分周期包含的采樣點數(shù)。如圖2所示。

    若數(shù)值積分大于或等于設(shè)定值，則可能發(fā)生了“可恢復(fù)故障”，即滿足：
   
    式中Aset為預(yù)先設(shè)定的閥值，即給定的“可恢復(fù)故障”的數(shù)值積分絕對值的最小值。
    綜上所述，可確定系統(tǒng)自動存儲SRAM中記錄的波形的條件為：
   
    滿足上述條件后，系統(tǒng)自動從SRAM的記錄波形中截取該段時刻以及周圍時刻的一部分波形儲存，將儲存的多次諧波進行相關(guān)度的檢驗。檢驗中所利用的公式可表達為：
   
    a[j+i+32]為濾波完成后的信號函數(shù)，b[i]為所選用的卷積窗函數(shù)，Cj為卷積結(jié)果，n為卷積窗的采樣點數(shù)，32是指發(fā)生可恢復(fù)故障時系統(tǒng)將自動記錄該時刻之前的32次米樣數(shù)據(jù)。
    所得卷積結(jié)果越大，則表明相關(guān)程度越高。當(dāng)相關(guān)程度達到某一臨界值時，確定發(fā)生可恢復(fù)故障。系統(tǒng)自動記錄一次數(shù)，即系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)生一次“可恢復(fù)故障”。然后對該波形進行測距運算。
    當(dāng)一定時間段內(nèi)系統(tǒng)記錄的可恢復(fù)故障的次數(shù)達到一定量，系統(tǒng)開始向用戶發(fā)出預(yù)警，并視故障發(fā)生的頻率由少到多而依次發(fā)出黃色、橙色、紅色預(yù)警。
2．2 故障測距
    對于通過超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的“瞬時性可恢復(fù)接地故障”數(shù)據(jù)，由于其暫態(tài)過程特性，其中也包含有“瞬時性可恢復(fù)接地故障”的行波過程信息，利用該行波故障測距技術(shù)，我們攻克了測算故障距離的問題，在故障預(yù)警的同時，通過行波測距自動算法，能明確指示故障點距離。
    采用單端行波原理，利用線路故障后在線路一端(裝置安裝端)測量點提取的第1個正向行波浪涌與其在故障點反射波之間的時延計算本端測量點到故障點之間的距離，在圖1所示的系統(tǒng)中，當(dāng)故障初始行波浪涌到達故障線路兩端母線時將產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象，如圖3所示。

    假定M端為測量端，且行波從本端母線到故障點的傳播方向為正方向。故障初始行波浪涌(以電流行波為例)到達M端時形成本端第1個反向行波浪涌，記為。該行波浪涌在M端母線的反射波形成本端第1個正向行波浪涌，記為，它將向故障點方向傳播。行波浪涌到達故障點時將發(fā)生反射和透射，其中故障點反射波返回M端時表現(xiàn)為反向行波浪涌，記為，從測量點繼續(xù)向故障點反射的正向行波浪涌，記為，依次類推。和分別表示所有來自故障方向的暫態(tài)電流行波浪通(反向行波浪涌)以及所有向著故障方向傳播的暫態(tài)電流行波浪涌(正向行波浪涌)，可以證明來自故障方向的每一個電流行波浪涌與其在母線的反射波浪涌之間始終具有同極性的關(guān)系。
    當(dāng)電纜發(fā)生“可恢復(fù)故障”時，由故障點發(fā)出的第1個正向電流行波浪涌與其在故障點的反射波浪涌在波形上存在同極性相似、時延為2τ(τ為行波從測量點到故障點的傳播時間)的關(guān)系，因而可以設(shè)計匹配濾波器檢測故障點反射波浪涌。
    由故障點發(fā)出的第1個正向電流行波浪涌為，t∈[0，△T]，其中△T略大于該行波浪涌所占的時間寬度，則匹配濾波器的沖擊響應(yīng)可以表示為：

    △t為采樣間隔。
    當(dāng)k=int(2τ／△t)時故障點反射波到達本端測量點，相應(yīng)的匹配濾波器輸出在k=int[(△T+2τ)／△t)時達到最大值。反之，設(shè)匹配濾波器輸出在k=kmax時達到最大值，則故障點反射波到達本端測量點的時刻為t=kmax△t-△T。故障點到本端測量點的距離DL可以表示為：
   
    式中v為波速度。
    為了提高測距的精確度，我們采用多次測距綜合分析的方法進行故障測距，即“打點法”。

    如圖4所示，橫坐標(biāo)表示測得故障的距離，縱坐標(biāo)表示故障行波能量。對系統(tǒng)取得的每一次故障行波，都有一個故障測距結(jié)果，以及行波的能量值，在坐標(biāo)軸上對應(yīng)做出一個點代表此次行波。理論上講，如果所做的點數(shù)趨近于無窮多，這些點的分布趨近于正態(tài)分布?？梢匀?br /> 所有點最密集的地區(qū)的中心，即正態(tài)分布的對稱軸，作為最終的測距結(jié)果。

3 結(jié)束語
    目前，本電纜故障在線監(jiān)測項目已經(jīng)在山東華聚能源公司濟二礦電廠實施，在線監(jiān)測裝置已經(jīng)對電廠最重要的10條6kV電纜實現(xiàn)了故障在線監(jiān)測，已經(jīng)監(jiān)測到了600余次水樹枝放電，并對其中放電頻次最高的一條電纜進行了預(yù)警，同時準(zhǔn)確地測出故障點在210m處。
    通過理論研究及實際應(yīng)用，本電纜故障在線檢測技術(shù)已經(jīng)成熟，完全可以實現(xiàn)運行電纜的在線動態(tài)監(jiān)測，超前預(yù)測、預(yù)知電纜故障趨勢信息，對于礦井安全生產(chǎn)，電力行業(yè)安全可靠供電具有極大的社會、安全和經(jīng)濟效益，推廣前景良好。