電力電纜故障距離診斷及檢測探析

馬梁

（晉煤集團長平公司設計中心，山西晉城048000）

1 工頻量故障測距法

1）阻抗法。a.基本原理：假設輸電電纜在不同故障情況下所算出的系統阻抗與故障測距裝置安裝處到電纜故障發生點的距離成正比；b.減小過渡電阻的影響：為了減小過渡電阻對輸電電纜故障測距結果的影響，很多人一直在努力進行大量研究，微處理器的發展及應用也為減小過渡電阻對故障測距的影響提供了幫助［1］。

2）故障分析法。故障分析法是測量故障發生時的電流值和電壓值，然后對故障信號進行計算分析，實時得出故障發生點的距離。與前面介紹的阻抗法故障測距最大的不同之處是不用測量電纜的阻抗，其適應性更為廣泛。單側電氣量算法利用一側的電流、電壓值；雙側電氣量法要用到輸電電纜兩側的電流值和電壓值。

3）故障時的電壓法的基本原理。電力系統發生短路故障時，故障點處的電壓值最小。找到故障電纜上電壓的極值即為故障點。電壓的極值是指最小電壓或者最大電壓點。但電纜發生故障，電纜故障發生點的短路相或者相間電壓最小，故障分量的電壓在故障發生點最大。為了準確進行故障定位，輸電電纜需要用分布參數模型進行計算，以減小誤差。要對輸電電纜各點的電壓進行比較，首先要得到各點的電壓，再確定最小電壓。

2 行波測距原理與分類

行波故障測距法的優點為精度高、速度快。行波測距法在原理上分為單端法和雙端法兩種。單端法是利用行波在輸電電纜故障點反射和透射的特點，測得反射波的時間，根據波速、時間和距離之間的關系算得故障距離；雙端法是利用輸電限流故障時的行波向輸電電纜兩端傳播的特性，在輸電電纜的兩端分別測量初始行波，根據到達輸電電纜兩端的時間差進行測距。實際上也可以在系統發生故障的時候，人為向系統注入脈沖信號，以和故障行波信號同樣的道理測得故障距離。把輸電電纜故障時系統本身發出的行波信號作為測距信號進行單端測距叫做A型法，把輸電電纜故障時系統本身發出的行波信號作為測距信號進行雙端測距叫做B型法，人為注入脈沖作為測距信號叫做C型法［2］。

3 各種測距方法的優劣比較

3.1 單端和雙端測距法比較

1）工頻量單端和雙端測距法比較。工頻量的單端法是基于輸電電纜一端的電壓和電流量來計算故障距離，單端測距主要還存在以下問題：a.電纜故障時過渡電阻的存在或系統等效阻抗的變化對測距準確度的影響；b.輸電電纜或雙端測距系統的阻抗的不對稱性對測距結果的嚴重影響。

2）行波法單端和雙端測距比較。

a.單端行波測距法的優點：第一，單端行波測距法比雙端行波測距法的投資成本降低了一半，可以不用時間定位或兩端數據通信等，故障測距結果的實時性比較高；第二，如果能準確判斷出電纜故障點返回測量點的行波，由于故障測距不受兩端設備和時間不一致的影響，測距的精度基本能夠滿足電力系統對故障測距精確度的嚴格要求，而且通過對電力系統現場大量的故障數據統計和分析，基本可以保證故障測距的誤差要求。

b.單端行波測距法的缺點主要在于原理上的缺陷。行波的極性和最大值（也就是幅值）是行波信號最重要的特征之一，在很多電力系統線路接線結構和多種故障情況下，無法實現單端測距，而且，此法還存在測量死區的問題。

c.雙端行波法是根據故障點產生的向輸電電纜兩側母線運動的行波到達兩側母線的時間之差來計算故障距離，理論上可靠性較高。

d.雙端行波法的優點：第一，由于輸電電纜的兩端都只測量第一次到達的初始行波，不易受輸電電纜的過渡電阻、電力系統運行方式、輸電電纜的分布電容等影響，所以雙端行波測距法比單端行波測距法測距結果的可靠性更高；第二，雙端行波測距法的測距結果一般都能夠滿足電力系統對精確故障測距的嚴格要求，測距誤差基本可以保證；第三，根據設計參數或實測參數推算輸電電纜的總長度經常會導致結果不夠準確。

e.雙端行波測距法的缺點主要是：第一，雙端行波測距裝置的投資成本比較高，而且還需要GPS對時系統以及輸電電纜兩側的數據進行互相通信等；第二，在多回路電纜系統結構的應用原理上存在嚴重不足，需要用單端行波測距法配合測距，來彌補其不足之處。

3.2 工頻量和行波測距法比較

在初期資金投入方面來看，工頻量測距法可以利用已有的大量的已投運的設備，硬件投資相對較小，而且實現起來相對比較容易；而行波測距法不同，它需要另外增加專門的設備，硬件投資較多，技術要求也比較復雜。但是在故障測距計算所需處理時間上，行波測距法明顯要比工頻量故障測距法好很多。處理時間主要是指測量電壓和電流信號的時間。隨著自動化水平的不斷提高，切除故障的時間將大大縮短，但故障切除的時間仍然會比行波信號的采集時間長了很多。以工頻測距法來說，要想縮短時間，難度非常大。測距精度是故障測距首先要考慮的最重要的指標，在原理上，行波測距法受過渡電阻和電纜不對稱等因素的影響很小，精度高于工頻量測距法；但行波測距法存在反射波的識別問題，且有死區問題，但工頻量測距法可以輕松實現近距離的故障測距，且結果較準確，這一點上，兩種測距算法不相上下。

4 現有故障測距方法的改進

基于全球衛星定位系統GPS同步技術的純雙端行波故障測距裝置已經在電力輸電系統應用多年，該裝置利用的是輸電線路發生故障時產生的暫態電壓行波信息。大量的理論分析和實際運行經驗表明，這種故障測距裝置的精確度可以繼續縮小，或者說應用于電纜故障測距的誤差會更加小。

單端量行波故障測距裝置的基本原理是在輸電電纜發生故障時，利用故障測距點感受到的由故障初始行波浪涌經測量端母線反射后所形成的第1個正向行波浪涌與來自故障方向的第2個反向行波浪涌之間的時延計算得出輸電電纜故障點的距離，其中正向行波與反向行波分別是測量點暫態電壓與暫態電流關于輸電電纜波阻抗的線性組合。但是由于以下幾個方面的原因，目前國內電力系統只采用故障時的電流行波信號進行輸電電纜故障測距：第一，輸電電纜故障時的暫態電壓行波信號不容易獲取；第二，輸電電纜的波阻抗也不容易準確獲得；第三，當變電站的母線上出線回路數比較多時，電力系統可靠性相對比較穩定，輸電電纜發生故障時對電力系統的電壓變化影響很小，也就是說輸電電纜發生故障時的暫態電壓行波信號比較弱，異常現象不太明顯，但是故障時的暫態電流行波信號卻比較強，故障時的現象比較明顯。

那么現在就以同一條母線上任一條非故障的電纜作為參考電纜，通過比較由故障電纜的暫態電流和該條參考電纜的暫態電流形成的反向行波浪涌與其對應的正向行波浪涌的極性，就可以識別出來自輸電電纜故障方向的行波浪涌，并且消除來自參考電纜遠端母線的反射波和各種行波信號擾動的影響。

5結語

本文對電力系統輸電電纜的故障測距方法進行了全面的論述，對常用的阻抗法、故障分析法、行波法的原理也加以說明，最后對各種測距方法進行了比較，并提出了自己的想法，希望對今后的工作有所幫助。

［1］ 林子翔，樊璟.常用電力電纜故障診斷方法及檢測手段［J］.科技資訊，2014（8）：101-102.

［2］ 楊春宇.電力電纜故障分析與診斷技術的研究［D］.大連：大連理工大學，2013.