CN107748317B

CN107748317B - 一种地下电缆高阻故障的精确定位系统

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Publication number: CN107748317B
Application number: CN201711228264.2A
Authority: CN
Inventors: 杨军
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: CN107748317A

Abstract

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种地下电缆高阻故障的精确定位系统通过现场检测装置之间的备间基准同步脉冲信号，然后测量计数到故障电磁波到来，得到时间t_i，CPU将时间t_i以及GPS模块得到位置信息发送给数据处理分析系统，最后得到地下电缆高阻故障的精确位置。

Description

一种地下电缆高阻故障的精确定位系统

技术领域

本发明属于线缆故障定位技术领域，更为具体地讲，涉及一种地下电缆高阻故障的精确定位系统，用于实现对地下电缆高阻故障进行快速精确定位。

背景技术

随着我国快速的城市化进程和已有城市经济规模不断扩大，城市用电负荷逐年上升，与之配套的城市配电网也向着更高电压、更大容量的趋势发展。越来越多的35kV、110kV及220kV变电站修建在城市中。随着城市电网的升级改造老旧的10kV、35kV、110kV及220kV架空线逐渐被地下电力电缆所替代。较之于架空线在城市上空的穿越，铺设于地下的电力电缆有利于环境美化和城市空间的整洁，并且对人身和地面其他生产生活设施造成的影响较小。此外由于电缆隐蔽在地下，受外部气候条件的影响较小。相对于传统的城市架空线路来讲，采用地下电力电缆供电可靠性更高、运行维护费用更低。城市配网线路的下地是今后发展的一个方向。

但是，地下电缆在运行过程中因为机械损伤、过热、护层的腐蚀、绝缘受潮、过电压、设计制作的工艺不良和材料缺陷等原因还是会产生这样或那样的故障。由于电缆一般埋在地下1米左右，不可能依靠人工目视定位，必须借助其它技术手段加以完成。

目前国内外对于地下电缆的故障检测一般分为三步：一是判断地下电缆的故障类型；二是预测故障点的大概位置；三是找到地下电缆故障点准确位置。其中，预定位一般使用的是离线方法，其主要技术分为两大类即基于阻抗测距和基于行波测距。

基于阻抗测距主要是根据故障电流和电压与故障距离的函数关系，在测距过程中利用电路单端、双端的电压和电流，通过计算函数方程得出故障点的位置。在电缆测距中较为常用的阻抗法有以下两种：

(1)、根据电弧与电阻的关系，运用线路的分布参数理论，对线路各点的电压和电流进行计算。由于在故障点处的电流和电压为同相位,通过相应的函数方程计算出电缆故障的位置。

(2)、根据长线方程,对线路两端进行计算，获得的故障处电压幅值应该相同，根据这一特性可知线路故障时其电压的分布规律，利用搜索迭代方法，便能够求出电缆故障点的位置。

阻抗法的典型应用就是电桥法,但是由于故障电阻的不同会引起测距精度不准确,而且在高阻故障时极容易造成故障点闪络,导致电缆绝缘损坏，因此该定位法主要用于低阻地线的定位。

基于行波测距是依据电磁波在电缆上遇到波阻抗不连续节点会产生反射的特性来预测故障距离，可分为二次脉冲反射法、高压脉冲反射法、脉冲电流法及低压脉冲反射法。

(1)、二次脉冲反射法：首先测出高阻故障线芯反射波形图,然后在故障电缆线芯加高压直流电压,当电压到达某一数值且场强足够大时,介质被击穿造成导电通道,故障点瞬时被大电子流短路并击穿,导致故障点的电压降低为零左右,而电流突然增大产生放电电弧。根据电弧理论,此电弧的阻抗很小,可认为是低阻抗或短路故障,此时再测出低阻故障点的反射波形图,这两种反射波形图叠加后进行分析计算,两条波形曲线分开的地方即为故障点。

(2)、高压脉冲反射法：利用脉冲高压信号击穿电缆故障点,测量故障点放电的电压脉冲在故障点和观察点之间来回一次的时间,计算故障点到观测点的距离。目前此方法是电缆故障现场进行查找故障点时使用最多的一种方法。

(3)、冲击电流法：施加高压脉冲在电缆上,当电压增加到某一定值时,故障点被击穿产生闪络现象,并产生放电脉冲向测量点运动,放电脉冲通过测量点后,被电容反射,反射波会在故障点再次被反射回测量点。放电脉冲不断地往返在电容和故障点间,在电缆的测量端把来回反射的波形记录下来,通过时标测出电波往返一次的时间,依据电波在电缆中的传播速度得出故障距离。

(4)、低压脉冲反射法：低压脉冲反射法又称雷达法,向故障电缆输入低压脉冲信号,当脉冲信号遇到故障点时,脉冲信号被反射,反射脉冲会回到测量仪器。根据信号来回的时间差和脉冲在电缆上传播的速度,就可以测试出故障距离。

通过预定位可以大致知道故障点的距离，此类定位设备技术相对成熟，应用也较为广泛，但定位误差一般在200～300米。剩下的工作则需要精确定位法来完成。

由于预定位存在一定的误差和盲区，只可判别出故障点的大概范围，为了缩减排障时间，有必要进行精确定位工作。目前采用的的精确定位方法有声测法、声磁同步法、音频感应法、跨步电压法和局部过热法。

(1)、声测法：在故障电力电缆一端施加脉冲高压后，故障点在高压作用下会产生放电，并产生回波、声波、电磁波等现象，利用故障点处的声波来判断故障点的方法就叫声测法。声波在土壤中的衰减是比较快的，对于直埋电缆,往往听到的故障处放电声波会在很小的范围之内，故障点处振动的声音最大，离故障点越远，振动的声音越小，而最终定位故障点根据经验会在0.5米的范围内。

(2)、声磁同步法：当施加高电压在故障电缆上使故障点击穿时，巨大的瞬时电流会在电缆周围(全长范围内)产生磁场信号和声音信号。分别通过不同的检测探头接收电磁信号和声音信号电磁信号传播的速度快，可认为其瞬间到达检测器，所以将声音信号从故障点到达检测器所需要的时间记为声磁延时值，根据声磁延时值可测算出故障距离,距离最小和声音最大点即为故障点。

(3)、音频感应法：将1KHZ左右的音频电流信号通入故障电缆信号接收使用检测线圈，信号地放大是在接收机中进行的，监听信号地变化用耳机，信号中断点即为电缆故障点。

(4)、跨步电压法：当电缆产生保护层绝缘破损的故障时施加高压脉冲给故障电缆，此时故障点会构成喇叭形的电位分布，依据此原理将电压表两头接在地面，电压表的指针会摆动以此来指示故障方向并找到故障点。

(5)、局部过热法：长时间连续向故障电缆施加高压冲击或直流高压直到击穿故障点，击穿电流会使故障点释放大量的热，用手触摸感受热度地变化直到感受到热度最高一点即为故障点,称为局部过热法。

现有的精确定位法虽然在一定程度上能实现故障点的精确定位，但存在着使用范围有限、定位时间较长的问题。因此，如何提高故障点高效的精确定位较少停电检修时间，是该类技术下一步发展需要突破的瓶颈所在。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种地下电缆高阻故障的精确定位系统，以提交故障点精确定位的效率。

为实现上述发明目的，本发明地下电缆高阻故障的精确定位系统，其特征在于，包括：

三台现场检测装置，每台现场检测装置又包括一作为内部时钟发生器的10MHz的高稳恒温晶体振荡器、时间同步系统以及同步信号接收/发送系统；

在三台现场检测装置中，一台作为作为整个系统的同步基准，高稳恒温晶体振荡器输出10MHz的晶振给时间同步系统，通过时间同步系统内部分频得到1KHz的设备间基准同步脉冲信号，然后以2.4G载波频率通过同步信号接收/发送系统发送出去；

在三台现场检测装置中，剩余两台作为接收方通过同步信号接收/发送系统接收由同步基准发出的设备间基准同步脉冲信号，并输出给时间同步系统；

在三台现场检测装置中，数据采集时钟均由各自高稳恒温晶体振荡器输出给时间同步系统产生，但是1KHz设备间基准同步脉冲信号的上升沿作为每次测量计数的时间起始点；

每台现场检测装置还包括电磁波检波系统、带通滤波器以及数据采集系统，并构成故障电磁波信号的检测系统；其中，电磁波波检波系统对故障电磁波进行接收，其设计是依据故障电磁波信号的频谱和强度的实验分析数据和现场实测数据来确定其中检波器件的参数和电路设计，带通滤波系统对故障电磁波的有效信号进行提取并对频谱外的其它干扰信号进行衰减，然后送入数据采集系统进行数据采集；

时间同步系统根据设备间基准同步脉冲信号对现场检测装置之间的时间进行同步，并为数据采集系统提供同步信号和数据采集时钟信号，其中，数据采集时钟信号由时间同步系统将高稳恒温晶体振荡器输出的10MHz晶振倍频到1GHz得到；

数据采集系统由FPGA实现，利用时间同步系统提供的数据采集时钟信号对数据进行采集，同时，将1KHz设备间基准同步脉冲信号的上升沿作为每次测量计数的时间起始点，作为同步基准的现场检测装置和作为设备间基准同步脉冲接收的另外两台现场检测装置都对1KHz设备间基准同步脉冲信号进行循环计数，每当故障电磁波来临时停止计数，每台现场检测设备得到电磁波信号距离1KHz设备间基准同步脉冲信号上升沿的时间t_i，i为现场检测装置的编号，整个系统同步基准的现场检测装置的编号为0，剩余两台现场检测装置编号为1、2；

每台现场检测装置还包括一个CPU、数据通信模块、数据显示模块以及一个GPS模块；

数据采集系统获得的时间t_i输出给CPU，GPS模块将位置信息输出给CPU，并时间t_i以及位置信息由数据通信模块发送给数据处理分析系统，GPS利用秒脉冲实现和变电站高压脉冲发送设备的粗略同步；

数据处理分析系统，用于接收三台现场检测装置发送来的时间t_i以及位置信息，得到地下电缆高阻故障的精确位置。

本发明的目的是这样实现的。

针对现有技术存在的问题，本发明地下电缆高阻故障的精确定位系统通过现场检测装置之间的备间基准同步脉冲信号，然后测量计数到故障电磁波到来，得到时间t_i，CPU将时间t_i以及GPS模块得到位置信息发送给数据处理分析系统，最后得到地下电缆高阻故障的精确位置。

附图说明

图1是本发明地下电缆高阻故障的精确定位系统中现场检测装置一种具体实施方式原理框图；

图2是现场检测装置的同步原理示意图；

图3是GPS空间位置定位原理图；

图4是电磁检测定位原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明地下电缆高阻故障的精确定位系统中现场检测装置一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图1所示，每台现场检测装置包括一作为内部时钟发生器的10MHz的高稳恒温晶体振荡器101、时间同步系统102以及同步信号接收/发送系统103。

在三台现场检测装置中，一台作为作为整个系统的同步基准，高稳恒温晶体振荡器101输出10MHz的晶振给时间同步系统102，通过时间同步系统102内部分频得到1KHz的设备间基准同步脉冲信号，然后以2.4G载波频率通过同步信号接收/发送系统103发送出去；

在三台现场检测装置中，数据采集时钟均由各自高稳恒温晶体振荡器输出给时间同步系统产生，但是1KHz设备间基准同步脉冲信号的上升沿作为每次测量计数的时间起始点。

每台现场检测装置还包括电磁波检波系统201、带通滤波器202以及数据采集系统203，并构成故障电磁波信号的检测系统；其中，电磁波波检波系统201对故障电磁波进行接收，其设计是依据故障电磁波信号的频谱和强度的实验分析数据和现场实测数据来确定其中检波器件的参数和电路设计，带通滤波系统202对故障电磁波的有效信号进行提取并对频谱外的其它干扰信号进行衰减，然后送入数据采集系统203进行数据采集。

时间同步系统102根据设备间基准同步脉冲信号对现场检测装置之间的时间进行同步，并为数据采集系统提供同步信号和数据采集时钟信号，其中，数据采集时钟信号由时间同步系统将高稳恒温晶体振荡器输出的10MHz晶振倍频到1GHz得到。

数据采集系统203由FPGA实现，利用时间同步系统102提供的数据采集时钟信号对数据进行采集，同时，将1KHz设备间基准同步脉冲信号的上升沿作为每次测量计数的时间起始点，作为同步基准的现场检测装置和作为设备间基准同步脉冲接收的另外两台现场检测装置都对1KHz设备间基准同步脉冲信号进行循环计数，每当故障电磁波来临时停止计数，每台现场检测设备得到电磁波信号距离1KHz设备间基准同步脉冲信号上升沿的时间t_i，i为现场检测装置的编号，整个系统同步基准的现场检测装置的编号为0，剩余两台现场检测装置编号为1、2；

每台现场检测装置还包括一个CPU 301、数据通信模块302、数据显示模块303以及一个GPS模块304；

数据采集系统203获得的时间t_i输出给CPU 301，GPS模块304将位置信息输出给CPU 301，并时间t_i以及位置信息由数据通信模块302发送给数据处理分析系统，GPS模块304利用秒脉冲实现和变电站高压脉冲发送设备的粗略同步，数据显示模块303用于用户数据的显示。

三台现场检测装置的时间t_i以及位置信息均发送给数据处理分析系统，从而得到地下电缆高阻故障的精确位置。

图2是现场检测装置的同步原理示意图。

由于设备间基准同步脉冲信号的发送和接受延时对同一台现场检测装置来讲基本固定，因此每次使用时通过现场检测装置间的相对位置计算出设备间基准同步脉冲信号传输延迟t，就可以用设备间基准同步脉冲信号获取每个设备接收到的故障电磁波的相对时间差，如图2所示。

在本实施例中，如图2所示，图中0号现场检测装置作为同步基准，0号现场检测装置的设备间基准同步脉冲信号和1号设备的接收到的设备间基准同步脉冲信号间的时间差为t。两台现场检测装置分别检测到电磁波信号，其中0号设备检测的电磁波信号据设备间基准同步脉冲信号上升沿为t₀时间，1号现场检测装置检测的电磁波信号距设备间基准同步脉冲信号上升沿为t₁时间，电磁波到达现场检测装置0和1的时间差为：

Δt₁＝t+t₁-t₀

采用同样的方法，2号现场检测装置检测的电磁波信号距设备间基准同步脉冲信号上升沿为t₂时间，电磁波到达现场检测装置0和2的时间差为得到现场检测装置0和2的时间差为：

Δt₂＝t+t₂-t₀；

得到现场检测装置0和2的时间差为：

Δt₂＝t+t₂-t₀。

本发明涉及空间电磁信号检测、多点时间同步和故障定位技术，主要用于实现对地下电缆高阻故障进行快速精确定位。现有精确定位技术使用起来较为不便，定位时间较长。采用本定位方法可以在设备安装到位后数秒钟就能确认高阻故障的经纬度坐标。其工作原理如下：

目前地下电缆在铺设时每隔500米(或1000米)左右就会有一次换相链接，由于屏蔽层一致性参数被破坏，会造成分布阻抗发生变化。由于行波的传播会受到波阻抗变化的干扰，因此采用行波法对地下电缆进行故障定位精度会受到较大的影响。但故障点在电压击穿放电时所产生的电磁波由于是空间发送方式，不会受到电缆连接阻抗变化的影响。因此，可以通过对电磁波信号进行检测从而达到对故障点的精确定位。

利用空间无线电定位的一个成功应用就是GPS卫星定位技术。其工作原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知起算数据，采用空间距离后交会的方法，确定待测点的位置。定位原理如图3所示。假设t时刻在地面待测点上安装上了GPS接收机，接收机本地时钟对GPS时间的钟差为Δt，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程：

上述四个方程式中待测点坐标X₀、Y₀、Z₀和Δt为未知参数，r₁～r₄分别为四颗卫星到接收机间的伪距实测值，C为GPS信号传播速度(光速)，X₀、Y₀、Z₀为待测坐标的空间直角坐标系，X_i、Y_i、Z_i(i＝1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻空间位置直角坐标系，Δt为接收机本地时钟对GPS时间的钟差。

根据方程(1)～(4)就可以得到接收机的空间位置坐标。上述定位的过程是一个接收装置接收四个发射装置的信号来对接收装置进行空间定位。

在本实施例中，故障点的定位过程和GPS的定位过程稍有不同，需要定位的故障点是信号发射源，测量装置是信号接收端。因此需要对GPS的定位原理稍做修改。首先假设本发明中故障点和测量点都在一水平面，因此可以按图4所示构架故障定位模型：

图4中(x₀,y₀)为故障点平面坐标，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)分别为0、1、2号现场检测装置平面坐标即位置信息(由GPS模块提供)，L为故障点到0号现场检测装置的距离，C为电磁波传播速度，Δt₁,Δt₂分别为故障点电磁波到达1号和2号现场检测装置与到达0号现场检测装置的时间差。由图4可以得到以下方程：

在式(5)～(7)中(x₀,y₀)坐标和L为未知数，其余参数通过GPS/北斗设备与检测设备可获得，如果故障波到三台现场检测装置备的时间延迟的测量精度可以控制在10ns内，则通过式(5)～(7)所计算出的故障点坐标就可以控制在3～5米内。

如果高差太大需要检测故障点的空间位置则可采用四个检测设备。但对于目前国内大多数的地下电缆在故障点200米的范围内，地面的高差很少有超过10米的，因此高差产生的误差可以在计算中忽略不计，故大多数情况下可采用平面坐标对故障点进行定位计算。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种地下电缆高阻故障的精确定位系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的精确定位系统，其特征在于，数据处理分析系统按照以下方式得到地下电缆高阻故障的精确位置：

0号现场检测装置作为同步基准，0号现场检测装置的设备间基准同步脉冲信号和1号设备的接收到的设备间基准同步脉冲信号间的时间差为t，两台现场检测装置分别检测到电磁波信号，0号设备检测的电磁波信号距设备间基准同步脉冲信号上升沿为t₀时间，1号现场检测装置检测的电磁波信号距设备间基准同步脉冲信号上升沿为t₁时间，电磁波到达现场检测装置0和1的时间差为：

Δt₁＝t+t₁-t₀；

2号现场检测装置检测的电磁波信号距设备间基准同步脉冲信号上升沿为t₂时间，电磁波到达现场检测装置0和2的时间差为得到现场检测装置0和2的时间差为：

Δt₂＝t+t₂-t₀；

根据以下方程：

得到故障点平面坐标(x₀,y₀)；

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)分别为0、1、2号现场检测装置平面坐标即位置信息，C为电磁波传播速度。