摘要：文章基于電纜的水樹(shù)枝發(fā)生機(jī)理，研究利用捕捉暫態(tài)信號(hào)對(duì)電纜故障進(jìn)行分析判斷，并利用行波探測(cè)和測(cè)距技術(shù)對(duì)電纜故障點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜故障進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警，保障供電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：行波；電纜；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)
0 引言
煤礦3～35kV供電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地(諧振接地)運(yùn)行方式，一般稱(chēng)為小電流接地方式。長(zhǎng)期以來(lái)，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(cè)之所以困難，其主要原因在于故障電流小及接地點(diǎn)電弧不穩(wěn)定。特別在經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的系統(tǒng)中，流過(guò)電纜故障線(xiàn)路的穩(wěn)態(tài)電流十分微弱，甚至比健全線(xiàn)路感受到的電流變化還小。而故障點(diǎn)的不穩(wěn)定電弧，將使故障電壓電流信號(hào)嚴(yán)重畸變。由于已開(kāi)發(fā)出的在線(xiàn)檢測(cè)方法主要是利用各種穩(wěn)態(tài)信號(hào)，受此影響，實(shí)際使用效果均不理想。因此，有必要研究利用暫態(tài)信號(hào)對(duì)電纜故障進(jìn)行分析判斷的電纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警，實(shí)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(duì)于XLPE電纜，水樹(shù)枝老化是造成電纜在運(yùn)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(chǎng)畸變，會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)行電壓下引發(fā)水樹(shù)枝，水樹(shù)枝的生長(zhǎng)相對(duì)較慢，但伴隨水樹(shù)枝生長(zhǎng)，水樹(shù)枝尖端的電場(chǎng)將愈加集中，局部高電場(chǎng)強(qiáng)度最終會(huì)導(dǎo)致水樹(shù)枝尖端產(chǎn)生電樹(shù)枝，造成運(yùn)行電纜的瞬間燃弧，電纜絕緣下降，隨著水樹(shù)枝不斷的生長(zhǎng)積累，最終造成電纜絕緣損毀。
由水樹(shù)枝造成的瞬時(shí)性燃弧具有可恢復(fù)性的特點(diǎn)，我們稱(chēng)它為“可恢復(fù)故障”。隨著這種故障的次數(shù)積累，達(dá)到一定程度后，電弧連續(xù)且不可恢復(fù)，在運(yùn)行系統(tǒng)即表現(xiàn)為接地故障，電纜損毀需要維修。瞬時(shí)性可恢復(fù)故障的持續(xù)時(shí)間一般在3～5ms(四分之一周波內(nèi))。對(duì)于持續(xù)時(shí)間很短的瞬時(shí)性可恢復(fù)故障來(lái)說(shuō)，常規(guī)的電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置(包括小電流接地故障檢測(cè)裝置)一般來(lái)不及動(dòng)作、給出報(bào)警信息。
由此，我們研究能夠捕捉、記錄到瞬時(shí)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(shí)方法，同時(shí)研究此類(lèi)故障最終造成電纜損毀的有效次數(shù)積累，通過(guò)仿真和模擬實(shí)驗(yàn)，確立電纜故障預(yù)警判據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行提供有效依據(jù)。
對(duì)于通過(guò)超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障數(shù)據(jù)，由于其暫態(tài)過(guò)程特性，其中也包含有瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障的行波過(guò)程信息，利用該行波信息，可進(jìn)一步測(cè)算故障距離。
XLPE電力電纜故障在線(xiàn)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(hào)，高速信號(hào)采集單元捕捉、記錄“瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障”信息，可實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)和記錄一條或多條被測(cè)XLPE電力電纜，當(dāng)被測(cè)電纜發(fā)生“可恢復(fù)故障”時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生金屬屏蔽層或鋼鎧等接地導(dǎo)體的瞬時(shí)電磁暫態(tài)信號(hào)，利用特定判據(jù)或人工分析方法即可對(duì)被測(cè)電力電纜進(jìn)行故障預(yù)警，并能指示故障點(diǎn)距離。
在正常運(yùn)行過(guò)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(duì)各通道信號(hào)按設(shè)定的采樣順序和采樣頻率自動(dòng)進(jìn)行高速采樣和A／D轉(zhuǎn)換，且將A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)高速寫(xiě)入循環(huán)SRAM中。
2 算法設(shè)計(jì)
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(xiàn)路發(fā)生“可恢復(fù)故障”時(shí)裝置能夠可靠預(yù)警，而電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)擾動(dòng)、被監(jiān)視范圍外部線(xiàn)路發(fā)生故障或開(kāi)關(guān)操作時(shí)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?hào)進(jìn)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(hào)滿(mǎn)足
時(shí)(波形幅值達(dá)到閥值以上，通過(guò)高速比較器實(shí)現(xiàn))。對(duì)觸發(fā)時(shí)刻前后某個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)的電流采樣值進(jìn)行積分：
式中J0為每個(gè)積分周期初始時(shí)刻電流的采樣序號(hào)；△J為每個(gè)積分周期包含的采樣點(diǎn)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(mǎn)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(duì)值的最小值。
綜上所述，可確定系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)SRAM中記錄的波形的條件為：
滿(mǎn)足上述條件后，系統(tǒng)自動(dòng)從SRAM的記錄波形中截取該段時(shí)刻以及周?chē)鷷r(shí)刻的一部分波形儲(chǔ)存，將儲(chǔ)存的多次諧波進(jìn)行相關(guān)度的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)中所利用的公式可表達(dá)為：
a[j+i+32]為濾波完成后的信號(hào)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(diǎn)數(shù)，32是指發(fā)生可恢復(fù)故障時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)記錄該時(shí)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(dá)到某一臨界值時(shí)，確定發(fā)生可恢復(fù)故障。系統(tǒng)自動(dòng)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(duì)該波形進(jìn)行測(cè)距運(yùn)算。
當(dāng)一定時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)記錄的可恢復(fù)故障的次數(shù)達(dá)到一定量，系統(tǒng)開(kāi)始向用戶(hù)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(cè)距
對(duì)于通過(guò)超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的“瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障”數(shù)據(jù)，由于其暫態(tài)過(guò)程特性，其中也包含有“瞬時(shí)性可恢復(fù)接地故障”的行波過(guò)程信息，利用該行波故障測(cè)距技術(shù)，我們攻克了測(cè)算故障距離的問(wèn)題，在故障預(yù)警的同時(shí)，通過(guò)行波測(cè)距自動(dòng)算法，能明確指示故障點(diǎn)距離。
采用單端行波原理，利用線(xiàn)路故障后在線(xiàn)路一端(裝置安裝端)測(cè)量點(diǎn)提取的第1個(gè)正向行波浪涌與其在故障點(diǎn)反射波之間的時(shí)延計(jì)算本端測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)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(dá)故障線(xiàn)路兩端母線(xiàn)時(shí)將產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象，如圖3所示。
假定M端為測(cè)量端，且行波從本端母線(xiàn)到故障點(diǎn)的傳播方向?yàn)檎较?。故障初始行波浪?以電流行波為例)到達(dá)M端時(shí)形成本端第1個(gè)反向行波浪涌，記為
。該行波浪涌在M端母線(xiàn)的反射波形成本端第1個(gè)正向行波浪涌，記為
，它將向故障點(diǎn)方向傳播。行波浪涌到達(dá)故障點(diǎn)時(shí)將發(fā)生反射和透射，其中故障點(diǎn)反射波返回M端時(shí)表現(xiàn)為反向行波浪涌，記為
，從測(cè)量點(diǎn)繼續(xù)向故障點(diǎn)反射的正向行波浪涌，記為
，依次類(lèi)推。
和
分別表示所有來(lái)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(lái)自故障方向的每一個(gè)電流行波浪涌與其在母線(xiàn)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(shí)，由故障點(diǎn)發(fā)出的第1個(gè)正向電流行波浪涌與其在故障點(diǎn)的反射波浪涌在波形上存在同極性相似、時(shí)延為2τ(τ為行波從測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的傳播時(shí)間)的關(guān)系，因而可以設(shè)計(jì)匹配濾波器檢測(cè)故障點(diǎn)反射波浪涌。
由故障點(diǎn)發(fā)出的第1個(gè)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(shí)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(shí)故障點(diǎn)反射波到達(dá)本端測(cè)量點(diǎn)，相應(yīng)的匹配濾波器輸出在k=int[(△T+2τ)／△t)時(shí)達(dá)到最大值。反之，設(shè)匹配濾波器輸出在k=kmax時(shí)達(dá)到最大值，則故障點(diǎn)反射波到達(dá)本端測(cè)量點(diǎn)的時(shí)刻為t=kmax△t-△T。故障點(diǎn)到本端測(cè)量點(diǎn)的距離DL可以表示為：
式中v為波速度。
為了提高測(cè)距的精確度，我們采用多次測(cè)距綜合分析的方法進(jìn)行故障測(cè)距，即“打點(diǎn)法”。
如圖4所示，橫坐標(biāo)表示測(cè)得故障的距離，縱坐標(biāo)表示故障行波能量。對(duì)系統(tǒng)取得的每一次故障行波，都有一個(gè)故障測(cè)距結(jié)果，以及行波的能量值，在坐標(biāo)軸上對(duì)應(yīng)做出一個(gè)點(diǎn)代表此次行波。理論上講，如果所做的點(diǎn)數(shù)趨近于無(wú)窮多，這些點(diǎn)的分布趨近于正態(tài)分布?？梢匀?br />
所有點(diǎn)最密集的地區(qū)的中心，即正態(tài)分布的對(duì)稱(chēng)軸，作為最終的測(cè)距結(jié)果。
3 結(jié)束語(yǔ)
目前，本電纜故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目已經(jīng)在山東華聚能源公司濟(jì)二礦電廠(chǎng)實(shí)施，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)對(duì)電廠(chǎng)最重要的10條6kV電纜實(shí)現(xiàn)了故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，已經(jīng)監(jiān)測(cè)到了600余次水樹(shù)枝放電，并對(duì)其中放電頻次最高的一條電纜進(jìn)行了預(yù)警，同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)出故障點(diǎn)在210m處。
通過(guò)理論研究及實(shí)際應(yīng)用，本電纜故障在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成熟，完全可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行電纜的在線(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，超前預(yù)測(cè)、預(yù)知電纜故障趨勢(shì)信息，對(duì)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(huì)、安全和經(jīng)濟(jì)效益，推廣前景良好。