计及电缆金属护层结构的电缆故障测距与识别方法

摘要

目前，电力电缆的应用越来越广泛，但由于电力电缆通常埋于地下，具有难观测性，故障查找、检修困难，因而快速、准确的电力电缆故障定位与识别技术的需求也越来越迫切。因此，本文着重研究电缆的准确故障测距与识别方法，首先结合实际电缆结构参数，建立充分体现实际电缆结构的线路模型，模拟电缆不同的故障类型，获取仿真数据;然后利用双π模型计及电缆金属护层结构，考虑电力电缆特殊结构对电缆故障测距与识别方法的影响，根据电缆故障特征完成故障测距与识别。
　　电力电缆具有特殊的金属护层结构，分析其对电缆线路电磁场的影响，将电场影响用电容表示，磁场影响用互感表示，则可以将电缆金属护层等效为导体，利用集中参数双π模型计及电缆金属护层结构，计及金属护层结构对电缆的电气影响;基于基尔霍夫定律，推算出单相、三相单芯电缆双π模型首末两端电气量的关系式，得到计及电缆金属护层结构的电缆数学模型;分析不同电缆故障类型的特征，可以发现无论故障相何处发生单相故障，其前后电流一定存在差值，但正常相相应处的前后电流仍相等，并且可以通过故障点处的电气量计算得到故障电阻值，通过故障电阻值大小可以识别故障类型。
　　研究一种基于电缆结构的故障测距与识别方法，能够准确得到故障距离并识别出电缆单相故障。该方法考虑电缆的实际结构，在此模型基础上，将电缆单相故障类型分为芯-护层故障（主绝缘故障）、护层对地故障（外绝缘故障）以及芯-护层对地故障（单相接地故障）。当故障发生，根据三相单芯电缆数学模型，利用导芯及护层首端电气量得到线路沿线的电流值，根据非故障相对应故障点处前后电流故障分量相等的特征，可迭代搜索得到故障距离。然后代入所得故障距离，利用电缆首端的故障分量信息，求取故障位置处的导芯与护层间、护层与地之间的阻抗值，根据阻抗值大小确定故障类型。该方法只需利用导芯及护层首端故障分量的相量值，能够实现护层对地故障、芯-护层故障以及芯-护层对地故障的准确测距与类型识别，不受过渡电阻的影响，易于实现。
　　负荷阻抗与故障电阻是影响故障测距精度的两大主要因素，上述单端故障测距方法使用了恒阻抗负荷模型，但仿真分析发现，若负荷侧引入变压器模型，将使恒阻抗负荷模型不再适用故障测距方案，因此需要将负荷端阻抗值的变化考虑进电缆故障测距方法。若直接使用电缆末端电气量，则需要同步装置得到双端同步数据，因而电缆负荷侧使用等效阻抗模型，计及变压器复杂电磁变化对负荷阻抗影响的同时，也消去了双端数据同步的需要。即引入电缆末端电气量数据，对未知的负荷阻抗进行参数识别;利用实时负荷等效阻抗进行故障定位，规避负荷阻抗未知或给定值不准确对定位精度的影响。此电缆双端故障测距方法不仅不受负荷阻抗与故障电阻的影响，而且无需双端数据同步。
　　论文所做的理论研究和仿真结果表明:当电缆发生单相故障时，计及电缆金属护层结构，考虑电缆内部及三相电缆之间的相互影响，利用非故障相进行故障测距的电缆单端法测距与识别方法精度高,且不受故障距离、故障类型、故障电阻、故障初相角以及电缆护层接地方式的影响;同时，基于负荷实时阻抗模型的改进阻抗双端法，可有效解决故障电阻、负荷阻抗模型以及双端信息同步问题，提高电缆故障测距与识别的准确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电力电缆故障测距研究现状

1．2．2 电力电缆故障识别研究现状

1．3 本文主要完成的工作

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要工作内容

第2章 电力电缆建模与故障特征分析

2．1 单芯电力电缆建模

2．1．1 单芯电力电缆结构

2．1．2 单相单芯电缆模型

2．1．3 三相单芯电缆模型

2．2 电缆单相故障特征分析

2．2．1 导芯-护层对地故障特征分析

2．2．2 导芯-护层故障特征分析

2．2．3 护层对地故障特征分析

2．3 本章小结

第3章 电缆单端故障测距与识别方法研究

3．1 电缆单端故障测距与识别基本原理

3．1．1 电缆单端故障测距原理分析

3．1．2 电缆单端故障识别原理分析

3．1．3 故障测距与识别算法流程

3．2 故障测距与识别方法及仿真实现

3．2．1 仿真模型

3．2．2 算例分析

3．2．3 模型对比

3．2．4 电缆模型的适用性分析

3．3 故障测距算法适应性分析

3．3．1 故障距离对测距算法的影响

3．3．2 故障电阻对测距算法的影响

3．3．3 故障初相角对测距算法的影响

3．3．4 金属护层接地方式对测距算法的影响

3．3．5 噪声对测距算法的影响

3．4 故障识别算法适应性分析

3．4．1 故障距离与故障类型对故障识别的影响

3．4．2 故障电阻对故障识别的影响

3．4．3 故障初相角对故障识别的影响

3．4．4 护层接地方式以及噪声对故障识别的影响

3．5 本章小结

第4章 电缆双端故障测距与识别方法研究

4．1 变压器对恒阻抗负荷模型的影响分析

4．1．1 变压器绕组连接方式简介

4．1．2 仿真验证变压器对恒阻抗负荷模型的影响

4．2 基于双端信息的电缆故障测距与识别

4．2．1 基于双端信息的电缆故障测距与识别原理

4．2．2 故障测距与识别流程

4．2．3 算例分析

4．3 仿真分析

4．3．1 负荷侧变压器对测距与识别算法的影响

4．3．2 故障电阻对测距与识别算法的影响

4．3．3 故障类型对测距与识别算法的影响

4．3．4 电缆长度对测距与识别算法的影响

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果