基于小波變換的高壓電纜混合線路故障定位方法及驗證試驗

曹俊平，黃 勃，王成珠，李乃一，周路遙，江 航，王振國

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000；3.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

隨著電力系統的迅速發展，輸電線路在原有高壓電纜線路、架空線路的基礎上發展為高壓電纜-架空線混合線路，且應用越來越廣泛。混合線路中電纜段故障多為永久性故障，重合閘成功概率較小，且會造成電纜設備再次受到故障大電流的沖擊，惡化了設備的絕緣狀態和運行條件；而架空段故障多為瞬時放電，重合閘成功概率較大，可快速恢復供電。混合線路不同區段故障的運維策略存在較大差異[1-2]，因此，快速、準確地進行混合線路區間定位及故障測距對保證電力系統安全穩定運行具有十分重要的意義。

輸電線路故障測距方法根據其原理不同主要分為阻抗法和行波法[3]。阻抗法是根據計算故障回路的阻抗來獲得測距裝置安裝處與故障點的距離；行波法主要利用故障時產生的電壓、電流行波信號，根據行波在測量點與故障點往返一次的時間差（單端法）或初始行波到達線路兩端的時間差（雙端法）測量故障距離。與阻抗法相比，行波法具有受故障類型、過渡電阻、兩側系統阻抗、負荷電流影響小等優點，但需要高速采樣，對數據處理及分析提出了較高的要求。隨著對行波理論研究的深入和小波分析工具的應用，行波測距裝置得到了大量的實際應用[4]。高壓電纜-架空線混合線路具有阻抗不連續的特點，對阻抗法而言不再是均勻傳輸線的模式；對行波法而言同樣存在波阻抗差異較大而導致的波速不一致等問題。國內外對于單獨的電纜或架空線故障定位方法研究較多，已提出了多種故障定位原理和算法[5-8]，但對兩種線路的混合系統研究較少。

本文提出一種基于小波原理的混合線路故障定位方法，開展了110 kV 高壓電纜線路區間內和區間外故障模擬試驗，以驗證該故障定位方法的可行性和有效性。

1 混合線路故障定位原理

1.1 混合線路故障區間判斷

根據高壓電纜混合線路的結構特點和電氣特性[9-11]，在架空線路段與電纜線路段分界點處及電纜末端分別監測工頻跳閘時刻的故障暫態電流方向，監測終端配置分布如圖1 所示。當故障點位于架空線路段內時，電纜段兩端的故障電流同方向流向架空線路故障點；當故障點位于電纜線路段內時，電纜段兩端的故障電流相向流向電纜線路故障點，故通過監測電纜線路兩端暫態電流方向可判斷故障點是否位于電纜段區間內。判斷原則為：若高壓電纜線路兩端監測點的故障暫態電流波頭極性相反，則說明故障發生在電纜段區間內；若高壓電纜線路兩端監測點故障暫態波頭電流極性相同，則說明故障發生在架空段，即電纜段區間外。

圖1 監測終端配置分布

1.2 電纜區間故障精確定位

當高壓電纜線路發生故障時，導體對地擊穿瞬間，產生的故障沖擊電流將以行波的形式流經電纜接地引下線，并向兩端傳播[12-14]。因此，可通過高頻TA（電流互感器）監測采集電纜兩端接地引下線的行波電流信號，利用雙端行波定位原理實現故障的精確定位。當行波電流到達測試兩端時，對應的時刻分別為t1 和t2，則傳播時間差為δt，行波定位原理見圖2，因此故障點到測試端的距離可以由下式計算得到：

式中：L 為電纜總長；v 為行波信號在電纜中的傳播速度，交聯聚乙烯絕緣高壓電纜波速度為170 m/μs。

圖2 行波定位原理

然而混合線路發生故障時的行波信號是一種突變且非平穩的高頻暫態信號，其中包含從各個阻抗不連續點反射的行波波頭，難以準確分辨行波信號的突變點[15-16]。經多次仿真研究，本文選用Db6 小波對原始行波信號進行5 層分解，將其分解為多個低頻逼近分量和高頻干擾分量，舍棄高頻干擾分量，根據小波系數的模極大值點得到行波信號的突變點，實現故障的精確定位。小波變換原理如圖3 所示，其中D*為低頻逼近分量，G*為高頻干擾分量，下標數字為小波變換的次數。

圖3 小波變換原理

定義函數ψ（t）為小波母函數，若滿足平方可積和容許性條件，即：

由母小波經伸縮和平移而張成的一系列子函數，即小波基函數為：

式中：a 為尺度因子；τ 為時移因子。

平方可積空間L2（R）中任意函數在小波基下按式（4）進行分解，即：

由式（4）可見，連續小波是一種相似性比較運算，尺度的增大或縮小導致母小波被拉長或壓縮，波動頻率隨之改變，再與被分析信號比較相似程度，得到被分析信號在該頻段空間上的映射值，即小波系數。

小波變換能夠對行波信號的奇異性進行檢測[17-18]，小波變換f（t）是在尺度s 上經θs（t）平滑后的一階倒數，當行波信號變換最強烈時，f（t）出現極大值，即小波系數的模極大值點對應行波信號的突變點，從而實現故障的精確定位。

基于小波原理的混合線路故障定位方法運用故障暫態電流的極性來判斷故障區間，并運用小波分析技術提取行波到達時刻，優化系統算法結構，實現故障的精確定位。

2 混合線路故障定位方法驗證試驗

在110 kV 高壓電纜狀態仿真試驗平臺上對混合線路進行故障精確定位模擬試驗，該混合線路仿真試驗平臺由升壓裝置、電纜段和架空導線段構成，結構示意見圖4。其中，電纜段由有中間接頭和無中間接頭兩段電纜組成，兩段電纜通過約5 m 長的銅排連接，銅排連接段用以模擬架空線路區間故障；電纜段由高壓電纜本體、GIS（氣體絕緣組合封閉電器）終端、戶外終端及中間接頭構成，中間接頭位于電纜線路中間位置，電纜試驗回路長50 m，高壓電纜型號為YJLW03 64/1101×800 mm2，有中間接頭高壓電纜段用以模擬區間內故障，接地方式采用一端直接接地、一端保護接地，在電纜兩端配置信號采集模塊。

信號采集模塊由工頻采集模塊和行波采集模塊兩部分組成。前者主要用于監測線路的工頻電流，安裝在電纜本體上；后者主要用于實時監測電纜線路的絕緣隱患放電行波以及故障行波，在直接接地端安裝在對應的接地纜上，在保護接地處安裝在電纜本體上。另外，采用快速響應的寬頻行波電流傳感器，其頻率響應范圍達到10 kHz～2 MHz，頻響快，不失真，且響應速度小于2 ns，可有效提取接地線上的絕緣損傷放電信號[19-20]。同時，采用高精度同步時鐘，具有20 ns 級精度的GPS（全球定位系統）時鐘對時，可有效提高定位精度。

對混合線路架空段及電纜段進行故障模擬試驗[21-22]，故障設置方式如下。

（1）混合線路架空段故障模擬試驗

在連接銅排處設置尖端缺陷，升壓時對地放電，模擬高壓電纜區間外故障。尖端缺陷現場設置如圖5 所示，金屬尖端一端靠近連接銅排，另一端通過銅線與接地網連接，連接銅排外部包覆金屬擴徑線，使外部電場均勻，易于控制模擬故障時的擊穿放電電壓。

（2）混合線路電纜段故障模擬試驗

圖4 混合線路試驗平臺結構示意圖

圖5 架空段-尖端放電故障現場設置

圖6 電纜段-中間接頭絕緣缺陷現場設置

在高壓電纜中間接頭設置絕緣缺陷，升壓時擊穿放電，模擬高壓電纜區間內故障。中間接頭絕緣缺陷現場設置如圖6 所示，在安裝后的中間接頭橡膠件中間位置打一個深度約20 mm 的孔洞，植入銅絲后末端引出至橡膠件外表面，再恢復橡膠件外表面銅網屏蔽，銅網接于接地網。

利用110 kV 高壓電纜狀態仿真試驗平臺開展驗證試驗，在含有中間接頭的電纜段終端安裝工頻采集模塊和行波采集模塊，先后分別開展架空線段和電纜段的故障模擬試驗，驗證混合線路故障精確定位方法的可行性。

3 試驗結果與分析

3.1 混合線路故障區間定位

（1）混合線路架空段故障模擬試驗

逐步升高試驗電壓直至連接銅排發生放電，記錄電纜兩側終端處采集模塊監測到的故障工頻暫態電流波形，試驗結果如圖7 所示。

圖7 混合線路架空段故障模擬試驗結果

由圖7（c）起始波頭放大圖可知，架空線段故障模擬試驗的工頻暫態故障電流起始波頭極性相同，根據故障區間判斷規則可知，故障位于高壓電纜線路區間外，與設置于架空段模擬故障一致，故該方法可正確判斷高壓電纜線路區間外故障。

（2）混合線路電纜段故障模擬試驗

逐步升高試驗電壓直至高壓電纜中間接頭擊穿，記錄電纜兩側終端處采集模塊監測到的故障工頻暫態電流波形，試驗結果如圖8 所示。

圖8 混合線路電纜段故障模擬試驗結果

由圖8（c）起始波頭放大圖可知，電纜段故障模擬試驗的工頻暫態故障電流起始波頭極性相反，根據故障區間判斷規則可知，故障位于高壓電纜線路區間內，與設置于高壓電纜段內故障一致，故該方法可正確判斷高壓電纜線路區間內故障。

3.2 混合線路電纜段故障精確定位

通過監測故障點產生的行波傳輸到電纜兩側終端行波采集模塊的時間差與行波在電纜中傳播的速度關系，分析計算故障點距離監測終端的距離位置，從而定位故障點。

分別進行兩次電纜段中間接頭故障模擬試驗，逐步升高試驗電壓直至高壓電纜中間接頭擊穿，記錄電纜兩側終端處采集模塊監測到的故障工頻暫態電流波形，經小波分析，第一次和第二次故障模擬試驗行波采集模塊監測得到的行波波形波頭分別如圖9、圖10 所示。

圖9 第一次電纜段故障行波電流監測波形

圖10 第二次電纜段故障行波電流監測波形

依據故障點精確定位計算公式（1），得到兩次電纜段中間接頭故障精確定位計算結果分別為15.8 m 和20.9 m，與模擬試驗設置的中間接頭故障點距離測試端25 m 的偏差分別為9.2 m 和4.1 m，詳見表1；受模擬試驗高壓電纜線路長度限制，故障定位計算結果偏差較大，同時，該方法的定位精度主要取決于行波電流傳感器采集精度和同步時鐘精度。由試驗結果可見，基于小波理論的雙端故障定位方法可實現高壓電纜線路區間內故障的精確定位，定位精度偏差在9.2 m 之內，對長度達幾公里的高壓電纜線路而言，該故障定位精度可有效指導現場故障點查找，提升搶修效率。

表1 高壓電纜區間內故障精確定位試驗數據

4 結論

通過開展110 kV 高壓電纜線路區間內和區間外故障模擬試驗，驗證了基于小波原理的混合線路故障定位方法的故障區間和精確定位效果，得出以下結論：

（1）基于小波理論的故障定位方法可實現高壓電纜混合線路故障區間定位，可準確判斷故障點位于高壓電纜線路區間內還是區間外。

（2）基于小波理論的故障定位方法可實現高壓電纜線路區間內故障點的精確定位，定位精度偏差9.2 m 之內，可有效指導現場故障定查找，提升搶修效率。

（3）基于小波理論的故障定位方法的定位精度取決于行波電流傳感器采集精度和同步時鐘精度。