基于行波技術高壓配電線路絕緣故障定位方法

中色非洲礦業有限公司 查瓊睿

目前，高壓配電線路出線走廊架設環境惡劣，長期裸露在外，導致故障頻發。絕緣故障是高壓配電線路常發的故障類型之一，其對高壓配電網運行的穩定性與安全性會造成不良影響，如果不能對絕緣故障及時檢測、定位、處理，不僅會降低高壓配電線路使用壽命，而且嚴重情況下會引發線路放電、火災等事故，導致高壓配電網停運，為電力企業造成嚴重的經濟損失，因此對高壓配電線路絕緣故障定位較為有必要的。最初對線路絕緣故障定位采取的方式為人工方式，由技術人員憑借自身的經驗，確定絕緣故障距離和位置，這種方式定位結果具有一定的主觀性，因此定位準確性無法得到有效保障。

隨著人工智能、互聯網、信息技術等現代化技術的不斷發展，自動化定位方式逐漸取代傳統方式，但是國內關于線路絕緣故障智能定位研究起步比較晚，目前尚處于初步探索階段，現行方法無法取得預期定位效果，不僅絕對誤差比較大，而且耗時比較長，無法滿足實際需求，為此提出基于行波技術的高壓配電線路絕緣故障定位方法。

利用高速采集器對高壓配電線路反射行波信號采集，并利用小波變換技術對原始反射行波信號降噪處理，通過提取反射行波特征識別到絕緣故障信號，根據故障信號行波速度與時間確定絕緣故障距離和位置，以此實現基于行波技術的高壓配電線路絕緣故障定位。

1 高壓配電線路行波采樣、信號小波變換

1.1 高壓配電線路行波采樣

行波技術是利用行波法定位裝置向測量目標發射脈沖源，脈沖源信號沿著高壓配電線路向前傳播，由高速采集器采集到傳播介質反射回來的行波信號，通過對行波信號幅值、波形分析，識別到絕緣故障信號，再根據絕緣故障行波信號的傳播速度、時間，對高壓配電線路絕緣故障測距定位[1]。根據故障定位需求，此次采用OUFA-AET484行波法故障定位裝置，該裝置主要由脈沖源、高速采集器以及上位機組成。將定位裝置固定安裝在待測高壓配電線路的一端，由脈沖源向配電線路發射電磁波[2]。

根據實際情況對脈沖源寬度參數設定，假設脈沖源寬度為z，如果脈沖寬度比較大，在一段時間內脈沖源發射的行波與反射波相遇，并相互重疊，則會導致高速采集器無法有效采集到反射波信號，無法辨別出高壓配電線路反射波形；如果脈沖寬度比較小，脈沖源無法全面覆蓋到待測線路上，則會出現測試盲區，同樣也會影響到采樣質量。因此在采樣中將脈沖源寬度取值區間設定為100～150ns，具體數值需要根據高壓配電線路的直徑大小確定，配電線路直徑越大，脈沖源寬度也要隨著增大[3]。在其基礎上對高速采集器的采樣周期、頻率以及范圍等參數設定，將采集到的高壓配電線路行波信號發送到上位機上，待后續對其濾波、故障信號識別、故障測距定位。

1.2 高壓配電線路行波信號小波變換

考慮到在對高壓配電線路行波信號采樣過程中會受到變壓器、高壓電纜等外界因素干擾，導致采集的信號樣本中會存在一部分除有效信號以外的噪聲信號。噪聲信號的存在會影響到后續線路信號波形分析精度，故采用小波變換技術對采集的行波信號樣本進行濾波處理。根據以上分析，為了達到降噪的目的，實際就是抑制噪聲信號u（t），盡可能突出有效高壓配電線路反射行波信號w（t），降低噪聲強度ε，因此首先利用小波變換技術對原始行波信號進行分解處理，得到連續小波序列，表示為：

式中：Ψ（v,k）為變換后的小波序列；v為小波伸縮因子；k為小波平移因子；Ψ為小波基函數；t為時間序列。利用上述公式對原始行波信號變換分解后，將行波反射信號分量與噪聲信號分量保存在隔離系數中，利用閾值將各個隔離層中的信號分量進行比對，若信號分量大于閾值，則保存在該隔離系數中的信號分量為噪聲，對其進行濾除；若未超過閾值，則信號分量為有效高壓配電線路反射行波信號，對其保留。再將保存在隔離系數中的信號分量進行重構，重組反射行波信號，實現對高壓配電線路行波信號降噪處理。

2 配電線路絕緣故障測距定位

接下來通過信號傳導波形特征，識別到絕緣故障信號。以信號傳導時間為橫坐標，以高壓配電線路信號值為縱坐標，建立高壓配電線路行波圖，將每個時間點對應的信號值映射到以上建立二維坐標系中。考慮到實際中高壓配電線路行波傳導線上傳播并非無損耗傳導，行波在不同的媒介間傳遞，由于電磁場的能量相互轉換會產生損耗，因此高壓配電線路行波符合衰減規律，其用公式表示為：，式中：y為高壓配電線路行波衰減系數；W為脈沖源發射的行波信號幅值；G為行波傳導空間的電場能量分布；S為高壓配電線路波阻抗。

根據高壓配電線路的電容與電感可以推導出線路的波阻抗，公式為：，式中：L為高壓配電線路的電容；C為高壓配電線路的電感。根據行波傳導衰減規律，確定每個時間節點的行波信號值，其計算公式為：

式中：K（x,t）為在t時刻高壓配電線路的行波信號值；x為高壓配電線路行波傳導距離；K-為以脈沖源為起點沿高壓配送線路反方向傳導的行波；v為高壓配送線路反射行波速度；K+為以脈沖源為起點沿高壓配送線路正方向傳導的行波。

利用以上公式將線路行波信號值映射到二維坐標系中，生成高壓配電線路行波圖，根據行波圖確定高壓配電線路行波信號幅值。根據實際情況設定故障信號識別閾值，如果行波信號幅值大于閾值，則表示該時刻高壓配電線路行波信號發生跳變，信號波動異常，此時線路發生絕緣故障，對應的行波信號為故障信號；反之，則表示高壓配電線路處于正常運行狀態，檢測信號為正常信號。

提取到異常信號，根據異常信號傳導速度、時間，確定高壓配電線路絕緣故障點距離，其計算公式為：H=v|t1-t2|，式中：H為高壓配電線路絕緣故障距離；t1為發射脈沖時間；t2為反射脈沖時間。以此定位到絕緣故障的具體位置，進而完成基于行波技術的高壓配電線路絕緣故障定位。

3 試驗論證

3.1 試驗準備與設計

為驗證所提方法的可行性與可靠性，選擇某高壓配電線路為試驗對象，該高壓配電線路總長為7000m，線路數量為7條，線纜直徑為3.5m，線路使用時間比較長，部分區域已經出現明顯老化現象，絕緣故障率較高，符合實驗需求，利用本文設計方法對該高壓配電線路絕緣故障定位。選擇兩種傳統方法作為對比，分別為基于機器視覺和基于改進決策樹，用傳統方法1與傳統方法2表示。

根據該高壓配電線路實際情況，試驗準備了一臺行波法定位裝置，將脈沖源寬度設定為110ns，脈沖信號發射頻率設定為2.15Hz，高速采集器采樣頻率設定為2.15Hz，采樣周期設定為0.05s，采樣范圍設定為500us。本次實驗共采集到100份信號樣本，按照上述流程對信號小波變換、故障信號識別、故障測距定位，具體定位結果描述如下。

配電線路1，故障電流波形幅度為3.46V，測距值為456.15m；配電線路2，故障電流波形幅度為5.26V，測距值為604.86m；配電線路3，故障電流波形幅度為6.24V，測距值為286.25m；配電線路4，故障電流波形幅度為4.52V，測距值為395.84m；配電線路5，故障電流波形幅度為3.86V，測距值為529.71m；配電線路6，故障電流波形幅度為4.48V，測距值為764.56m；配電線路7，故障電流波形幅度為5.25V，測距值為128.99m。本文設計方法基本可以完成高壓配電線路絕緣故障定位任務，以下對具體的故障定位效果進行對比分析。

3.2 試驗結果與討論

試驗以定位絕對誤差為三種方法性能評價指標，絕對誤差越大，高壓配電線路絕緣故障定位精度越低，其計算公式為：，式中：F為高壓配電線路絕緣故障定位絕對誤差；c為絕緣故障測距值；s為實際絕緣故障距離。本次試驗以干擾頻率為變量，在對高壓配電線路絕緣故障定位過程中，使用AOIH干擾設備對行波進行干擾，每種干擾水平下采集1個故障樣本，利用上述公式計算出不同干擾水平下絕緣故障定位絕對誤差，使用電子表格對試驗數據記錄，具體數據見表1。

表1 三種方法絕對誤差對比（%）

從表1可看出，設計方法定位絕對誤差相對比較小，雖然三種方法定位絕對誤差值均隨著干擾水平的增加而不斷增長，但設計方法絕對誤差增長幅度比較小，當行波干擾水平達到7.15Hz時，設計方法絕對誤差僅為0.19%，數值較小，基本可忽略不計，絕緣故障定位結果基本與實際一致，設計方法可以將絕對誤差控制在1%以內，說明設計方法可實現對高壓配電線路絕緣故障高精度定位；而兩種傳統方法絕對誤差均隨著行波干擾水平的提升而大幅度增長，當行波干擾水平達到7.15Hz時，傳統方法1與傳統方法2絕對誤差分別為21.46%、20.36%，遠遠高于設計方法，因此證明在定位精度方面設計方法更佳。

為進一步驗證設計方法的適用性，對三種方法定位耗時進行對比。試驗以故障點距離為變量，記錄不同故障點距離情況下三種方法故障定位耗時，根據記錄的數據繪制三種方法絕緣故障定位耗時對比圖如圖1所示。

圖1 三種方法絕緣故障定位耗時對比圖

從圖1可以看出，設計方法絕緣故障定位耗時相對比較短，雖然三種方法定位耗時均隨著故障點距離的增加而不斷延長，但是設計方法相對于兩種傳統方法定位耗時更短一些，時間延長比例比較小，當對800m故障點定位時設計方法耗時僅2.56s，比傳統方法1提前將近6s，以傳統方法2提前將近9s，設計方法定位速度更快一些。因此，本次試驗證明了無論是在精度方面還是在速度方面，設計方法均表現出明顯的優勢，相比較兩種傳統方法更適用于高壓配電線路絕緣故障定位，具有良好的定位效果。

4 結語

針對傳統方法存在的不足與缺陷，將行波技術應用到高壓配電線路絕緣故障定位中，設計了一套全新的定位方法，有效降低了絕緣故障定位絕對誤差，以及提高了故障定位效率，實現了對傳統方法的優化與創新。本次研究為高壓配電線路絕緣故障定位提供了參考依據，有助于提高高壓配電線路絕緣故障定位工作的智能化與自動化，提高絕緣故障定位技術水平。但是本文研究方法尚在實際中得到大量操作與實踐，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會在方法優化設計方法展開進一步研究，為高壓配電線路絕緣故障定位提供有力的理論支撐。