CN105954627B - 一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统及方法，该故障判断系统包括两个运行电流和故障电流复用传感器和电流采集器以及一个故障分析器，两个运行电流和故障电流复用传感器分别设置在电缆两端与户外终端连接处，运行电流和故障电流复用传感器分别连接一个电流采集器，电流采集器均连接故障分析器；运行电流和故障电流复用传感器分别采集电缆两端流过的电流，电流采集器获取运行电流和故障电流并发送至故障分析器，故障分析器根据故障电流大小和极性以及故障电流发生时刻前后设定时间段内的运行电流波形进行分析，进而进行故障判断。与现有技术相比，本发明具有结构简单、效率高、供电可靠性高等优点。

Description

一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种故障判断系统及方法，尤其是涉及一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统及方法。

背景技术

高压电缆以其占地少、敷设方便、人身安全保障、供电可靠性高、维护工作量少等优点在高压输变电网络中得到了广泛应用。但和架空线相比，电缆原材料、安装和维护成本要高很多，所以很多地方还是采用电缆与架空线混合使用。

对于110kV及以上等级高压输电线路而言，大多数电缆-架空线混合线路的跳闸故障是由架空线引起的，架空线的跳闸故障基本上属于瞬时故障，可以投入重合闸装置自动恢复，对输电线路运行可靠性指标影响不大。但若是电缆侧发生故障跳闸，再次重合闸瞬间会释放出巨大能量，如爆炸、高温电弧等，会导致故障事态急剧恶化，因此在没有消除缺陷的情况下盲目重合闸，可能会直接引发事故扩大，造成更大的经济损失。

目前电缆-架空线混合线路一旦发生故障跳闸，很难在短时间判断故障所在区间，只能花费大量时间协调输电和运行两个不同的部门，采用人工巡查方式分别对电缆和架空线逐一排查。往往需要耗费一天甚至几天时间确定故障类型，然后修复送电，不仅工作效率低，而且大大降低了供电可靠性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统，所述的电缆和架空线混合线路包括电缆和架空线，所述的电缆一端通过第一户外终端连接变压器，电缆另一端通过第二户外终端连接架空线，该故障判断系统包括两个运行电流和故障电流复用传感器、两个电流采集器和一个故障分析器，所述的两个运行电流和故障电流复用传感器分别设置在电缆两端，两个运行电流和故障电流复用传感器分别连接一个电流采集器，两个电流采集器均通信连接故障分析器；

两个运行电流和故障电流复用传感器分别采集电缆两端流过的电流，两个电流采集器分别根据运行电流和故障电流复用传感器采集的电流获取运行电流和故障电流并发送至故障分析器，故障分析器根据故障电流大小和极性以及故障电流发生时刻前后设定时间段内的运行电流波形进行分析，进而进行故障判断。

所述的运行电流和故障电流复用传感器为合金磁性材料的霍尔电流传感器，安装运行电流和故障电流复用传感器时将电缆和接地线穿过该运行电流和故障电流复用传感器进行安装。

所述的电流采集器包括故障电流和运行电流分离单元、运行电流采集单元、故障电流采集单元和故障电流触发单元，故障电流和运行电流分离单元输入端连接运行电流和故障电流复用传感器，故障电流和运行电流分离单元输出端设有运行电流输出端口和故障电流输出端口，运行电流采集单元连接运行电流输出端口并记录运行电流波形，故障电流触发单元连接故障电流输出端口，故障电流采集单元连接故障电流触发单元，故障电流输出端口输出的故障电流大于设定值时，故障电流触发单元触发工作，故障电流采集单元采集故障电流波形，并记录故障电流触发的时间信息。

所述的故障分析器包括故障电流波形存储单元、运行电流波形存储单元、故障电流触发时间存储单元、波形分析单元和判断结果输出单元，所述的故障电流波形存储单元存储两个电流采集器发送的故障电流波形，所述的运行电流波形存储单元存储两个电流采集器发送的运行电流波形，所述的故障电流触发时间存储单元存储故障电流触发的时间信息，所述的判断结果输出单元连接波形分析单元；

所述的波形分析单元首先获取故障电流波形存储单元中的故障电流波形，若故障电流波形均不存在，则判断结果输出单元输出电缆和架空线混合线路未发生任何故障；

若故障电流波形存储单元中至少存在一个故障电流波形，则波形分析单元获取故障电流触发时间存储单元中的故障电流触发的时间信息，波形分析单元从运行电流波形存储单元中提取故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形均保持不变，则判定该故障电流为雷击电流信号，判断结果输出单元输出电缆和架空线混合线路未发生任何故障，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形为正常电流波形，故障电流结束后设定时间内的运行电流波形中运行电流为零，则波形分析单元根据获取的故障电流波形判断电缆或架空线故障，若只存在一个故障电流波形，则判断结果输出单元输出电缆发生故障，若存在两个故障电流波形且两个故障电流波形首波极性相同，则判断结果输出单元输出架空线发生故障，若存在两个故障电流波形且两个故障电流波形首波极性相反，则判断结果输出单元输出电缆发生故障。

该故障判断系统还包括服务器，所述的服务器通信连接所述的故障分析器，故障分析器将故障判断结果发送至服务器。

一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断方法，该方法包括如下步骤：

两个运行电流和故障电流复用传感器实时采集流过电缆两端的电流；

两个电流采集器分别对运行电流和故障电流复用传感器采集的电流进行运行电流和故障电流实时采集并记录运行电流波形，当故障电流达到设定故障阈值时，电流采集器记录故障电流波形并记录故障电流触发的时间信息，同时将运行电流波形、故障电流波形和故障电流触发的时间信息发送至故障分析器；

故障分析器分别对两个电流采集器采集到的运行电流波形、故障电流波形和故障电流触发的时间信息进行分析处理，进而进行故障判断，具体判断方法为：

若两个电流采集器均没有采集到故障电流波形，则判定电缆和架空线混合线路未发生任何故障；

若两个电流采集器至少有一个采集到故障电流波形，则根据故障电流触发的时间信息获取故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形均保持不变，则判定该故障电流为雷击电流信号，电缆和架空线混合线路未发生任何故障，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形为正常电流波形，故障电流结束后设定时间内的运行电流波形中运行电流为零，则判定电缆和架空线混合线路发生故障，进而根据两个电流采集器采集的故障电流波形判断电缆或架空线发生故障。

所述的判断电缆或架空线发生故障具体为：

若两个电流采集器均采集到故障电流波形，且故障电流首波极性相同，则架空线发生故障；

若两个电流采集器均采集到故障电流波形，且故障电流首波极性相反，则电缆发生故障；

若只有一个电流采集器采集到故障电流波形，则电缆发生故障。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统通过两个运行电流和故障电流复用传感器实时监测电缆与架空线混合线路中电缆两端的电流，并通过两个电流采集器分别记录运行电流，同时两个电流采集器能够在线路发生故障跳闸时第一时间记录故障电流，从而通过故障分析器进行智能分析，快速判断出故障发生的具体情况，针对性地制定消缺措施，缩短故障处理时间，快速恢复线路供电，大大提高了效率，提高供电可靠性；

(2)运行电流和故障电流复用传感器为合金磁性材料的霍尔电流传感器，该电流和故障电流复用传感器在几安至数十千安的范围的电流信号线性度良好，能够同时兼具测量故障电流和运行电流的功能，同时电流和故障电流复用传感器时，让接地线从传感器中间穿过，可以消除接地线中电流对测试数据的影响；

(3)本发明的判断方法简单，以运行电流作为故障电流有效性的依据之一，简单实用。

附图说明

图1为本发明故障判断系统的结构示意图；

图2为本发明故障电流和运行电流分离单元电路结构示意图；

图3为电缆发生故障时的系统结构示意图；

图4为架空线发生故障时的系统结构示意图。

图中，1为电缆，2为架空线，3为变压器，4为第一户外终端，5为第二户外终端，6为第一运行电流和故障电流复用传感器，7为第二运行电流和故障电流复用传感器，8为第一电流采集器，9为第二电流采集器，10为故障分析器，11为服务器，12为无线通信网络，13为运行电流输出端口，14为故障电流输出端口，F1为电缆故障点，F2为架空线故障点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统，电缆和架空线混合线路包括电缆1、户外终端、变压器3和架空线2，电缆1一端通过第一户外终端4连接变压器3，电缆1另一端通过第二户外终端5连接架空线2，该故障判断系统包括两个运行电流和故障电流复用传感器、两个电流采集器和一个故障分析器10，两个运行电流和故障电流复用传感器分别设置在电缆1两端，两个运行电流和故障电流复用传感器分别连接一个电流采集器，两个电流采集器均通信连接故障分析器10，该实施例中第一户外终端4与电缆1连接处设置的运行电流和故障电流复用传感器为第一运行电流和故障电流复用传感器6，第二户外终端5与电缆1连接处设置的运行电流和故障电流复用传感器为第二运行电流和故障电流复用传感器7，第一电流采集器8连接第一运行电流和故障电流复用传感器6，第二电流采集器9连接第二运行电流和故障电流复用传感器7，同时第一电流采集器8和第二电流采集器9均通过无线通信网络12通信连接故障分析器10。另外该故障判断系统还包括服务器11，服务器11通信连接故障分析器10，故障分析器10将故障判断发送至服务器11。两个运行电流和故障电流复用传感器分别采集电缆1两端流过的电流，两个电流采集器分别根据运行电流和故障电流复用传感器采集的电流获取运行电流和故障电流并发送至故障分析器10，故障分析器10根据故障电流大小和极性以及故障电流发生时刻前后设定时间段内的运行电流波形进行分析，进而进行故障判断。

运行电流和故障电流复用传感器为合金磁性材料的霍尔电流传感器，安装运行电流和故障电流复用传感器时将电缆1和接地线穿过该运行电流和故障电流复用传感器进行安装。电流采集器包括故障电流和运行电流分离单元、运行电流采集单元、故障电流采集单元和故障电流触发单元，故障电流和运行电流分离单元输入端连接运行电流和故障电流复用传感器，故障电流和运行电流分离单元输出端设有运行电流输出端口13和故障电流输出端口14。具体的，故障电流和运行电流分离单元电路图如图2所示，第一运行电流和故障电流复用传感器6或第一运行电流和故障电流复用传感器7采集到的电流作为一个电流源，通过电阻R1和电阻R2把电流信号变成电压信号，电阻R1取值几百欧姆，电阻R2取值几十欧姆，通常将电阻R1的阻值为电阻R2阻值的20倍左右。运行电流采集单元连接运行电流输出端口13并记录运行电流波形，故障电流触发单元连接故障电流输出端口14，故障电流采集单元连接故障电流触发单元，故障电流输出端口14输出的故障电流大于设定值时，故障电流触发单元触发工作，故障电流采集单元采集故障电流波形，并记录故障电流触发的时间信息。具体地，设定运行电流检测范围0～1000A，故障电流检测范围2000A～20kA。假设第一运行电流和故障电流复用传感器6或第一运行电流和故障电流复用传感器7采集到的电流为1000A，通过设定电阻R1和电阻R2的阻值，电阻R1和电阻R2取出电压为1000mV，电阻R2分出电压为47.6mV，此时故障电流端口14没有达到故障电流设定值，不会被触发，运行电流输出端口13输出为运行电流；假设第一运行电流和故障电流复用传感器6或第一运行电流和故障电流复用传感器7采集到的电流为10kA，电阻R1和电阻R2取出电压为10V，电阻R2分出电压为476mV，此时故障电流端口14达到故障电流设定值，故障电流触发单元触发工作，故障电流采集单元采集故障电流波形，并记录故障电流触发的时间信息，若此时为雷击电流信号，则故障发生后运行电流正常存在，若为真正的线路故障，则故障发生后运行电流为零。

故障分析器包括故障电流波形存储单元、运行电流波形存储单元、故障电流触发时间存储单元、波形分析单元和判断结果输出单元，故障电流波形存储单元存储两个电流采集器发送的故障电流波形，运行电流波形存储单元存储两个电流采集器发送的运行电流波形，故障电流触发时间存储单元存储故障电流触发的时间信息，判断结果输出单元连接波形分析单元；

波形分析单元首先获取故障电流波形存储单元中的故障电流波形，若故障电流波形均不存在，则判断结果输出单元输出电缆和架空线混合线路未发生任何故障；

若故障电流波形存储单元中至少存在一个故障电流波形，则波形分析单元获取故障电流触发时间存储单元中的故障电流触发的时间信息，波形分析单元从运行电流波形存储单元中提取故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形均保持不变，则判定该故障电流为雷击电流信号，则判断结果输出单元输出电缆和架空线混合线路未发生任何故障，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形为正常电流波形，故障电流结束后设定时间内的运行电流波形中运行电流为零，则波形分析单元根据获取的故障电流波形判断电缆或架空线故障，若只存在一个故障电流波形，则判断结果输出单元输出电缆1发生故障，若存在两个故障电流波形且两个故障电流波形首波极性相同，则判断结果输出单元输出架空线2发生故障，若存在两个故障电流波形且两个故障电流波形首波极性相反，则判断结果输出单元输出电缆1发生故障。

如图3所示，当电缆1任意一点发生故障，如图3中的电缆故障点F1，电缆故障点F1产生的短路故障电流将从电缆故障点F1流入大地，流回变压器3，在电缆故障点F1-电缆1-第一户外终端4-变压器3-大地间形成回路，此时第一故障电流传感器采集到故障电流信号，而第二故障电流传感器没有采集到故障电流信号，电缆1发生故障后，线路跳闸，运行电流数据为零。

当该线路为双电源线路时，即如图3所示架空线后再连接一根电缆，电缆端部再连接一个变压器，此时，若图3中的电缆发生故障，此时第一故障电流传感器和第二电流传感器均采集到故障电流信号，且方向相反。

如图4所示，架空线2任意一点发生故障，如图4中的架空线故障点F2，架空线故障点F2产生的短路故障电流将从大地流回变压器3，在架空线故障点F2-第二户外终端5-第一户外终端4-变压器3与大地间形成回路，此时第一故障电流传感器和第二故障电流传感器都将采集到故障电流信号，且方向一致。架空线2发生故障后，线路跳闸，运行电流数据为零。

在雷雨天气时，架空线2偶尔也会遭受雷击，此时第一故障电流传感器和第二故障电流传感器也会采集到故障电流信号，为了将雷击电流信号与线路故障产生的电流信号区分开，避免误判，因此采集运行电流，根据故障电流发生前设定时间和故障电流发生后设定时间的运行电流数据，判断故障电流的有效性。

通过上述分析，本发明一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断方法，该方法包括如下步骤：

(1)两个运行电流和故障电流复用传感器实时采集流过电缆1两端的电流；

(2)两个电流采集器分别对运行电流和故障电流复用传感器采集的电流进行运行电流和故障电流实时采集并记录运行电流波形，当故障电流达到设定故障阈值时，电流采集器记录故障电流波形并记录故障电流触发的时间信息，同时将运行电流波形、故障电流波形和故障电流触发的时间信息发送至故障分析器10；

(3)故障分析器10分别对两个电流采集器采集到的运行电流波形、故障电流波形和故障电流触发的时间信息进行分析处理，进而进行故障判断，具体判断方法为：

若两个电流采集器均没有采集到故障电流波形，则判定电缆和架空线混合线路未发生任何故障；

若两个电流采集器至少有一个采集到故障电流波形，则根据故障电流触发的时间信息获取故障电流开始前设定时间至故障电流结束后设定时间内的运行电流波形，该实施例采集故障电流开始前5分钟的运行电流波形以及故障电流结束后5分钟内的运行电流波形，若故障电流结束后5分钟内的运行电流波形与故障电流开始前5分钟的运行电流波形保持不变，则判定该故障电流为雷击电流信号，电缆和架空线混合线路未发生任何故障，若故障电流开始前5分钟的运行电流波形存在，而故障电流结束后5分钟内的运行电流为零，则判定电缆和架空线混合线路发生故障，进而根据两个电流采集器采集的故障电流波形判断电缆1或架空线2发生故障；

具体判断电缆1或架空线2发生故障的方法为：

若两个电流采集器均采集到故障电流波形，且故障电流首波极性相同，则架空线2发生故障；若两个电流采集器均采集到故障电流波形，且故障电流首波极性相反，则电缆1发生故障；若只有一个电流采集器采集到故障电流波形，则电缆1发生故障。

Claims (6)

1.一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统，所述的电缆和架空线混合线路包括电缆(1)和架空线(2)，所述的电缆(1)一端通过第一户外终端(4)连接变压器(3)，电缆(1)另一端通过第二户外终端(5)连接架空线(2)，其特征在于，该故障判断系统包括两个运行电流和故障电流复用传感器、两个电流采集器和一个故障分析器(10)，所述的两个运行电流和故障电流复用传感器分别设置在电缆(1)两端，两个运行电流和故障电流复用传感器分别连接一个电流采集器，两个电流采集器均通信连接故障分析器(10)；

两个运行电流和故障电流复用传感器分别采集电缆(1)两端流过的电流，两个电流采集器分别根据运行电流和故障电流复用传感器采集的电流获取运行电流和故障电流并发送至故障分析器(10)，故障分析器(10)根据故障电流大小和极性以及故障电流发生时刻前后设定时间段内的运行电流波形进行分析，进而进行故障判断；

所述的故障分析器包括故障电流波形存储单元、运行电流波形存储单元、故障电流触发时间存储单元、波形分析单元和判断结果输出单元，所述的故障电流波形存储单元存储两个电流采集器发送的故障电流波形，所述的运行电流波形存储单元存储两个电流采集器发送的运行电流波形，所述的故障电流触发时间存储单元存储故障电流触发的时间信息，所述的判断结果输出单元连接波形分析单元；

所述的波形分析单元首先获取故障电流波形存储单元中的故障电流波形，若故障电流波形均不存在，则判断结果输出单元输出电缆和架空线混合线路未发生任何故障；

若故障电流波形存储单元中至少存在一个故障电流波形，则波形分析单元获取故障电流触发时间存储单元中的故障电流触发的时间信息，波形分析单元从运行电流波形存储单元中提取故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形均保持不变，则判定该故障电流为雷击电流信号，判断结果输出单元输出电缆和架空线混合线路未发生任何故障，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形为正常电流波形，故障电流结束后设定时间内的运行电流波形中运行电流为零，则波形分析单元根据获取的故障电流波形判断电缆或架空线故障，若只存在一个故障电流波形，则判断结果输出单元输出电缆(1)发生故障，若存在两个故障电流波形且两个故障电流波形首波极性相同，则判断结果输出单元输出架空线(2)发生故障，若存在两个故障电流波形且两个故障电流波形首波极性相反，则判断结果输出单元输出电缆(1)发生故障。

2.根据权利要求1所述的一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统，其特征在于，所述的运行电流和故障电流复用传感器为合金磁性材料的霍尔电流传感器，安装运行电流和故障电流复用传感器时将电缆(1)和接地线穿过该运行电流和故障电流复用传感器进行安装。

3.根据权利要求1所述的一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统，其特征在于，所述的电流采集器包括故障电流和运行电流分离单元、运行电流采集单元、故障电流采集单元和故障电流触发单元，故障电流和运行电流分离单元输入端连接运行电流和故障电流复用传感器，故障电流和运行电流分离单元输出端设有运行电流输出端口(13)和故障电流输出端口(14)，运行电流采集单元连接运行电流输出端口(13)并记录运行电流波形，故障电流触发单元连接故障电流输出端口(14)，故障电流采集单元连接故障电流触发单元，故障电流输出端口(14)输出的故障电流大于设定值时，故障电流触发单元触发工作，故障电流采集单元采集故障电流波形，并记录故障电流触发的时间信息。

4.根据权利要求1所述的一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断系统，其特征在于，该故障判断系统还包括服务器(11)，所述的服务器(11)通信连接所述的故障分析器(10)，故障分析器(10)将故障判断结果发送至服务器(11)。

5.一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)两个运行电流和故障电流复用传感器实时采集流过电缆(1)两端的电流；

(2)两个电流采集器分别对运行电流和故障电流复用传感器采集的电流进行运行电流和故障电流实时采集并记录运行电流波形，当故障电流达到设定故障阈值时，电流采集器记录故障电流波形并记录故障电流触发的时间信息，同时将运行电流波形、故障电流波形和故障电流触发的时间信息发送至故障分析器(10)；

(3)故障分析器(10)分别对两个电流采集器采集到的运行电流波形、故障电流波形和故障电流触发的时间信息进行分析处理，进而进行故障判断，具体判断方法为：

若两个电流采集器均没有采集到故障电流波形，则判定电缆和架空线混合线路未发生任何故障；

若两个电流采集器至少有一个采集到故障电流波形，则根据故障电流触发的时间信息获取故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形以及故障电流结束后设定时间内的运行电流波形均保持不变，则判定该故障电流为雷击电流信号，电缆和架空线混合线路未发生任何故障，若故障电流开始前设定时间的运行电流波形为正常电流波形，故障电流结束后设定时间内的运行电流波形中运行电流为零，则判定电缆和架空线混合线路发生故障，进而根据两个电流采集器采集的故障电流波形判断电缆(1)或架空线(2)发生故障。

6.根据权利要求5所述的一种用于电缆和架空线混合线路的故障判断方法，其特征在于，所述的判断电缆(1)或架空线(2)发生故障具体为：

若两个电流采集器均采集到故障电流波形，且故障电流首波极性相同，则架空线(2)发生故障；

若两个电流采集器均采集到故障电流波形，且故障电流首波极性相反，则电缆(1)发生故障；

若只有一个电流采集器采集到故障电流波形，则电缆(1)发生故障。