電力電纜故障模擬裝置培訓系統設計

楊舍近,李 軍,劉衛華,張亞平,王建軍

(國網河南省電力公司漯河供電公司,河南 漯河 462000)

0 引言

輸電線路擔負著電力輸送的重任,對電網安全有著重要影響。當輸電線路出現故障時,電網的正常運行會受到嚴重影響。所以,對輸電線路進行定位、找出其存在的問題至關重要。電力電纜的等級隨著電力系統的建設而不斷提高。作為電力系統中的重要組成部分,輸電線路若發生故障,將會對電力系統的整體安全與穩定產生直接影響。如果不能及時發現線路故障,會導致大范圍斷電,給國家的經濟帶來無法估計的巨大損失。如何迅速、準確地發現線路的故障,降低線路維護成本,減少線路的停電損失,是當前電力工程師和研究人員十分關注的問題[1]。文獻[2]提出基于保護層電流構建新型判據的培訓系統。該系統基于電纜金屬保護層首末2端的電流,構建1種新型判斷依據,以實現電纜故障分類。該系統結合測量電纜交叉互聯方式,確定電流相位,將統一金屬護層回路首末兩端的接地電流相位差絕對值作為新的特征量,從而完成培訓系統設計。文獻[3]提出了基于半波傅氏算法的培訓系統,通過分析故障相原因,對單相接地故障特征進行深入分析,并結合半波傅氏算法設計培訓流程。然而,上述2種方法功能單一,不能突破空間限制,無法真實重現電力電纜故障環境。

為此,本文設計了電力電纜故障模擬裝置培訓系統。該系統在硬件部分設計了線路、旋鈕部件、絕緣底板,通過電力電纜故障判別、故障模擬裝置培訓流程實現了系統軟件設計,通過硬件與軟件之間的相互配合保證電力電纜故障模擬裝置培訓的順利進行。

1 系統硬件結構設計

電力電纜故障模擬裝置培訓系統主要針對電力電纜的電氣測試、故障檢測與查找,并對電纜工程人員的工作任務進行了反向開發。通過分析電力電纜在輸電線路上的常用故障數據,系統得出了影響這些數據指標的主要因素。通過故障模擬裝置呈現上述主要因素,可使各種故障現象真實再現,從而靈活控制模擬裝置。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 System hardware structure diagram

由圖1可知,所有的系統資源都被儲存在遠程網絡服務器中。使用者只要裝備耳機、立體聲、打印機等計算機外設,就可以在局域網或因特網上使用培訓系統[4]。

1.1 線路設計

模擬裝置培訓系統的線路設計主要有線路敷設環境模型和線路仿真計算模型2個部分。其中,線路敷設環境模型主要是對不同線路的路徑、趨勢和周邊環境進行仿真。線路仿真計算模型則主要是對電纜故障進行粗測和定位[5]。根據實際設備的設計思路,系統采用電纜1和電纜2分別表示一條電纜的前后2段。線路設計部分包括電纜類型、長度、電壓等級、中間連接器數目、故障點類型等參數。針對不同的檢測方式,電源模塊的類型也不相同。這與供電線路的故障位置相對應[6]。在試驗條件相同時,為避免在模擬過程中出現固定的平滑波形,系統在模擬過程中增加了噪聲干擾模塊。系統運行過程中對操作模塊進行實時監測,可以實現線路幅度和尺寸的變化。

1.2 旋鈕部件

旋鈕部件主要用于多選一的場合。在選擇多種類型時,例如萬用表的齒輪、線路重合模式等,先要確定旋鈕的數據庫模式[7]。為此,可以使多個比特字段分別與多個選項相對應。在界面交互過程中,旋鈕部件可以很容易地根據使用者所點擊的位置場域前景進行選擇。旋鈕部件結構如圖2所示。

圖2 旋鈕部件結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of knob component structure

圖2中,綜重、單重、三重以及停用的數目與1位字段相對應,總共有4位字段。其中的每位字段都有2種前景。第一種前景在互動過程中使用,呈現形式為文字。人機交互中重合閘的選擇主要運用第二種前景。在屏幕上顯示的前景為第二種,由符號決策形式展示[8-9]。

若位域為1,重合閘的位置能被符號決策所展示;若位域為0,符號決策則能呈現透明效果。因此,當把所有前景合并到一起時,也就是圖2的右上方,則不會顯示具有0位域值的重合閘位置圖,而會顯示具有1位域值的重合閘位置圖。隨著重合閘旋鈕部件的制作完成,前景交互可通過點擊文字識別的前景完成[10]。與此同時,當用戶作出選擇時,旋鈕部件也會發生變化。

1.3 絕緣底板

電力電纜故障模擬裝置培訓系統的絕緣底板如圖3所示。由圖3可知,開關電源電纜連接到故障控制面板,并為其供電;通過電性連接故障控制面板到電推桿底部,為系統提供正、負電源。電推桿支架可用于固定在絕緣襯底上的電推桿,以免其發生位移,且便于電推桿與正電源連接時的推出,以及與負電源連接時的縮回。尼龍轉接棒的第一轉接器安裝在電推桿的頂部,起到隔離絕緣電推桿和高壓帶電線的作用,且不銹鋼排的第一轉接器與尼龍轉接棒的第二轉接器相連。當電推桿工作時,不銹鋼排的第二轉接器與彈簧卡接觸。彈簧卡固定在絕緣底板上,并與不銹鋼排直接進行有效接觸。

2 系統軟件部分設計

2.1 電力電纜故障判別

電力電纜故障判別是系統設計的重要內容,維修人員根據系統基本信息判斷電力電纜故障類型。基于此,本文分析電力電纜傳輸過程中的全部信號,包括阻抗、導納、電容和導線自感。

阻抗計算式為:

RZ=R+ωφ

(1)

式中:RZ為阻抗,Ω;R為電阻,Ω;ω為角頻率,rad/s;φ為電感,H。

導納的計算式為:

Y=G+ωC

(2)

式中:Y為導納,S;G為電導,S/m;C為電容,F。

C的計算式為:

(3)

式中:β為介電常數,F/m;d為電纜外徑,mm;r為電纜內徑,mm。

導線自感的計算式為:

(4)

式中:σ為自感,H;k0為相對磁導率,H/m;kr為真空磁導率,H/m。

基于以上數據,本文分別假設2條電纜的波阻抗為Rz1與Rz2,并在節點A處連接這2條電纜。由此得到的電壓波形折射系數為:

(5)

反射系數為:

(6)

當2條電纜的波阻抗發生變化后,波形折射系數和反射系數的取值范圍可確定在實數[0,2]和[-1,1]范圍內。一旦某條電纜出現故障,電纜的阻抗將會發生改變,導致λ1和λ2也發生改變。通過式(1)～式(4)可確定各項模擬參數。在檢測故障時,電壓由行波電壓和折反射電壓疊加得到。因此,本文通過分析阻抗值來模擬故障。基于此,模擬的故障類型主要包括斷路故障、短路故障、低阻故障和高阻故障。

①斷路故障。

斷路故障發生時,阻抗接近無窮大,反射系數為1,出現了全反射情況。此時,反射電壓和入射電壓的極性一致[11]。

②短路故障和低阻故障。

當電纜故障點的絕緣電阻下降到電纜的特性阻抗時,導頻保持甚至直流電阻為零的故障被稱為低阻故障。短路故障是低阻故障的極端表現。該故障的阻抗為0、反射系數為-1,是一種反極性全反射狀態。

③高阻故障。

通過改變阻抗值的方法,在故障位置并聯1個電阻Rf,以模擬高阻故障。

為了區分低阻和高阻故障,本文采用并聯模型計算負載阻抗。計算式為:

(7)

式中:Rz0為初始阻抗,Ω。

系統電壓反射系數為:

(8)

式中:ε為不同阻抗比值。

當ε≥ 0時,并聯電阻的阻抗與入射電阻阻抗極性正好相反。此情況下的故障可判定為高阻故障;反之,判定為無故障。

故障模擬裝置培訓系統如圖4所示。

圖4 故障模擬裝置培訓系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of fault simulation device training system

2.2 故障模擬裝置培訓流程設計

故障模擬裝置培訓流程是系統的核心部分。在模擬系統的工作過程中,該流程負責任務管理、調度、數據處理以及數據交換。在故障模擬裝置培訓過程中,系統利用消息的處理機制,以廣播的形式向各模塊進行通知。故障模擬裝置培訓流程如圖5所示。

圖5 故障模擬裝置培訓流程圖Fig.5 Training flowchart of fault simulation device

由圖5可知,故障模擬裝置培訓流程的詳細內容如下。

①消息循環。

系統監控包括故障數據庫、規則庫、虛擬試驗設備在內的各功能模塊的故障信息,對獲取的全部信息進行消息循環處理。該處理過程需要根據定制的循環周期進行消息循環。

②故障數據同步。

系統采用了故障數據同步通道,實現了各模塊之間的數據傳輸,并在不同的應用層面實現了信息同步。同時,系統還具有多個報文通道,能夠在同一時間內將故障數據進行傳輸,從而達到故障數據的同步[12]。

③消息識別。

報文由報文廣播信道提取,并向相應的模擬服務器發送。模擬服務器的識別主要通過報文標識符來完成。每個報文都具有多種屬性。但報文識別碼唯一。

在設計各功能模塊時,系統應采用雙向通信的方法。系統不僅可以接收報文廣播信道的修正和報文的相關功能設置,還可以將相關用戶或管理者的運行記錄傳輸給報文廣播信道,以進行處理。

3 仿真試驗

3.1 試驗裝置

系統在仿真試驗裝置中使用四芯的動力電纜。其中:三芯的電纜線主要用于模擬高壓電纜線芯;一芯的電纜線主要用于模擬高壓電纜外殼。高壓電纜、導體、絕緣層在此裝置中均有設置。脈沖通過高壓電纜輸入系統,再由外導體直接接地,并在距離裝置20 m的位置處設置1個三擋的電壓轉換開關,由此形成接地故障。在該裝置下,系統進行斷路故障、高阻故障、低阻故障以及短路故障分析。

對于數據采集,電力電纜故障仿真過程使用萬用表測量故障電纜相應信息。電纜信息資料如下:直流耐壓20 kV;交流耐壓15 kV;電纜長度1 500 m;中間頭1個;電纜行波速度160 m/s;電纜等效電感1.2 H;電纜等效電容3.2 F;電纜等效電阻3.2 Ω。

系統實時跟蹤故障點脈沖信號,記錄并顯示斷路故障、短路故障、低阻故障和高阻故障的測試波形。

3.2 仿真指標確定

以220 V電壓為例,本文分析斷路故障、短路故障、低阻故障和高阻故障類型下的故障電壓。不同類型的故障電壓如表1所示。

表1 不同類型的故障電壓Tab.1 Different types of fault voltages /V

由表1可知:整個電路由于短路的發生會處于某處斷開狀態,斷路部分的電壓為電源電壓;當短路發生后,電壓與阻抗電壓一致,表示電壓損耗百分值,阻抗電壓數值一般為4.5%～6%;當發生高阻故障時,故障電壓約為正常電壓的5倍左右;當發生低阻故障時,故障電壓約為正常電壓的4.7%～13.7%。

3.3 仿真結果與分析

本文分別使用基于保護層電流構建新型判據的培訓系統、基于半波傅氏算法的培訓系統和基于阻抗分析的電力電纜故障模擬裝置培訓系統,對比分析不同類型的故障電壓。

3種系統不同類型故障電壓對比分析如圖6所示。由圖6(a)可知,使用基于保護層電流構建新型判據的培訓系統、基于半波傅氏算法的培訓系統故障電壓分別由172 V、200 V上升到208 V、210 V,與實際斷路故障數據不一致。使用基于阻抗分析的電力電纜故障模擬裝置培訓系統,其故障電壓為220 V,與實際斷路故障數據一致。

圖6 3種系統不同類型故障電壓對比分析Fig.6 Comparison analysis of three systems with different types of fault voltage

由圖6(b)可知,使用基于保護層電流構建新型判據的培訓系統、基于半波傅氏算法的培訓系統,均在時間為3 min時與實際短路故障數據一致,而其余最大誤差均為1.2 V。使用基于阻抗分析的電力電纜故障模擬裝置培訓系統,與實際短路故障數據一致,誤差為0。

由圖6(c)可知,使用基于保護層電流構建新型判據的培訓系統,在時間為4 min時,與實際低阻故障數據存在1.9 V的誤差。使用基于半波傅氏算法的培訓系統,在時間為2 min時,與實際低阻故障數據存在3.7 V的誤差。使用基于阻抗分析的電力電纜故障模擬裝置培訓系統,與實際低阻故障數據一致,誤差為0。

由圖6(d)可知,使用基于保護層電流構建新型判據的培訓系統、基于半波傅氏算法的培訓系統,均在時間為3 min時,與實際高阻故障數據相差最大,最大誤差分別為13 V和22 V。使用基于阻抗分析的電力電纜故障模擬裝置培訓系統,只有在時間為4 min時,與實際高阻故障數據存在1 V的誤差,其余均一致。

4 結論

傳統電力電纜故障模擬裝置訓練系統無法正確反映現場的實際狀況。為提高故障電壓模擬的精準度,本文設計了電力電纜故障模擬裝置培訓系統。

①所設計系統改造了電纜故障仿真培訓設備的內部接線模式,模擬了不同線路路徑及周圍環境。系統設計的絕緣底板可安全模擬的故障類型包括電纜斷線故障、高阻故障、低阻故障及短路故障,并可通過分析阻抗值來判定故障情況。

②仿真試驗中,相比對照方法,所設計系統模擬得到的斷路故障、短路故障、低阻故障與高阻故障的數據均與實際各故障數據一致。這說明所設計系統能夠有效提高電力電纜故障模擬裝置的培訓效果,使故障電壓模擬的精度更高。

③所設計系統具有實際可行性與可靠性,能夠為電力電纜的故障檢測、分析與處理提供支持。