CN108646142A - 基于行波法对电缆故障定位装置及定位方法 - Google Patents
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Abstract
基于行波法对电缆故障定位装置及定位方法。对于交联聚乙烯绝缘电缆故障点的测寻大多基于行波法，对于高阻或闪络性故障采用高压脉冲反射法和二次脉冲法所得到的波形都较杂乱，辨识度不高。本发明组成包括：冲击电压发生器（1），冲击电压发生器分别与冲击电压叠加电路（2）、轻型高频高压电源电路（3）连接，直流高压和冲击电压叠加电路与待测电缆（4）、检测装置（5）连接，高频变压器与LCC滤波电路（8）连接，滤波电路与半桥逆变电路（9）连接，半桥逆变电路与全桥整流电路（10）和驱动电路（11）连接，全桥整流电路与工频电路（12）连接，驱动电路与保护电路（13）连接，保护电路与倍压整流电路输出端连接。本发明用于对电缆故障点的精确定位。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于行波法对电缆故障定位装置及定位方法。
背景技术：
由于社会经济的飞速发展，国家对电力的需求日益上升，促进了电力工业的迅速发展。国家对电力工业的依赖不断上升的同时也对供电的可靠性和质量提出了更高的要求。电力电缆因为占地少、供电可靠性好、受外界因素影响小、无干扰电波等优势在110kV及以下系统中得到了广泛应用。随着电力电缆的大量投运，相应的电缆故障率也随着使用年限上升，造成停电事故和巨大的经济损失，为此快速检测故障点并修复故障成为迫切需要。
对于交联聚乙烯绝缘电缆故障点的测寻大多基于行波法，电缆的低阻或断线故障采用低压脉冲反射法可以得到辨识度很高的波形，但对于高阻或闪络性故障采用高压脉冲反射法和二次脉冲法所得到的波形都比较杂乱，辨识度不高。为了测量的准确性和获得较清晰的波形，通常会采取增加脉冲电压幅值或采用交流高压的方法，但这种方法本身存在很大弊端，在寻找故障点的同时会使电缆中绝缘薄弱的部分击穿，通电时间越长，对电缆的损伤越大，电缆故障点也会增多，使反射回来的脉冲波杂乱，不易识别故障点反射脉冲。显然在这种情况下无法多次利用该方法对电缆故障进行定位。因此，发明一种对电缆的各类故障都能精确定位的方法是十分必要的。
当发生电缆高阻故障时，R z 一般大于10Z 0 ，此时反射系数很小，很难检测出来，目前采用的方法通常是施加高压脉冲，利用高压脉冲击穿故障点使故障点电阻降低，但在检测过程故障点的电阻并非恒定不变的，故反射系数也会随之改变，导致反射波形杂乱，很难辨别出故障点反射脉冲。
发明内容：
本发明的目的是为了解决传统行波法在测量电缆高阻故障时会对电缆本身产生损伤并且得到的测试波形辨识度不高的问题，本发明基于行波法提出了一种电缆故障定位的新方法，并根据此方法的要求设计了一种电缆故障定位装置。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于行波法对电缆故障定位装置，其组成包括：冲击电压发生器，
所述的冲击电压发生器采用直流高压给主电容充电并将输出与叠加电路、轻型高频高压电源连接，所述的直流高压和冲击电压通过叠加电路与待测电缆、检测装置连接，所述的轻型高频高压电源中的高频逆变电路通过高频变压器与倍压整流电路连接，所述的高频变压器与LCC滤波电路连接，所述的滤波电路与半桥逆变电路连接，所述的半桥逆变电路分别与全桥整流电路、驱动电路连接，所述的全桥整流电路与工频电源连接，所述的驱动电路与保护电路连接，所述的保护电路与所述的倍压整流电路输出端连接。
所述的基于行波法对电缆故障定位装置，所述的倍压整流电路与所述的
叠加电路的电缆匹配电阻Rm连接，所述的冲击电压发生器与所述的叠加电路的保护电阻Rd连接，所述的保护电阻Rd与隔直球隙gd串联，所述的电缆匹配电阻Rm、所述的隔直球隙gd分别与待测电缆连接。
所述的基于行波法对电缆故障定位装置，所述的检测装置包括高压探头
和示波器。
所述的基于行波法对电缆故障定位装置，所述的轻型高频高压电源电路
的输出电压为10kV，频率为20kHZ，220V的工频电压经过桥式整流电路得到脉动直流电压后经过滤波电容C L 后输出幅值约为300V的直流电压，此直流电压相当于一个直流源加在后面逆变电路的输入端，此时，由PWM控制芯片SG3525输出一组互补的PWM驱动信号，并通过由芯片IR2110组成的驱动电路去控制半桥逆变电路的两个MOSFET交替导通，经过逆变电路后输出的电压为交流方波电压，为减小开关管瞬间开通和关断产生的尖峰电流，设计了LCC滤波电路，此时输出的波形近似为正弦波；逆变电路输出的交流电压经高频变压器升压，倍压整流电路在交流高压的正半周期D 1 导通，对C H1 充电，负半周期D 2 导通，对C H2 充电，最后把C H1 和C H2 上的电压进行叠加，即为最终输出的直流高压。
所述的基于行波法对电缆故障定位装置，所述的冲击电压发生器产生幅值为5kV，波前时间0.2us，半波时间2us的冲击电压波，为了得到更为清晰的波形，还要避免行波在电缆所加信号端发生反射，故在信号的输入端加50Ω的电缆匹配电阻。
首先，用直流电压给主电容C 1充电，当其两端电压高于球隙的击穿电压时，球隙击穿主电容对冲击电容C 2放电，由于，C 2被快速充电，然后C 1、C 2共同经过R t 放电，就会在负载电容C 2上得到脉冲电压，通过匹配电阻传入电缆中；考虑在电缆中能量的损耗问题，选取主电容C 1 为2uf，冲击电容C 2 为0.2uf；根据所要得到脉冲电压的波前时间T f 和半波时间T t 可以采用如下近似公式计算冲击电路各部分参数：
根据权利要求1-5之一所述的基于行波法对电缆故障定位装置的故障定位方法，针对电缆的低阻故障，在采用行波法对电缆故障进行检测时，将电缆当做长线处理，采用分布参数模型，通过求解均匀传输线的偏微分方程可得到行波在电缆中的波阻抗，波速，式中，C为光速，C＝3 10 8 m/s， r－电缆芯线周围介质的相对介电常数， r－电缆芯线周围介质的相对磁导率，L 0 是单位长度电缆的电感，C 0 是单位长度电缆的电容。
电磁波在电缆线路中传播的过程中，当遇到阻抗不匹配点时会发生折射和反射，当电缆发生故障时，故障点阻抗就会与电缆其他部分阻抗不匹配，通过脉冲波在故障点的反射来确定故障点的位置；其反射程度可用反射系数表示，反射系数是反射电压U b 与入射电压U f 之比来；设电缆波阻抗为Z 0 ，阻抗不匹配点的等效阻抗为Z 1 ，则电压反射系数为：
通过在电缆终端放置检测装置可以检测出反射脉冲到达终端的时间，从而确定故障点位置。
设电缆的总长为L，故障点与测量端的距离为x，反射脉冲波经传播x距离后，直接到达测量点M，比反射脉冲波经电缆的另一端反射过来到达测量端的时间t 1，可得故障点位置：
由于不同电缆材料会导致脉冲波在电缆中的传播速度不同，也可以观察第三个脉冲出现的时间t 2，这个脉冲是第一个脉冲由测量端反射到另一端，再由另一端反射回来，因此经历了2L的距离，所以可得故障点位置：
在实际电缆线路中故障点电阻可以等效为R z ，故障点两边的电缆分别用大小等于波阻抗Z 0 的电阻来代替，故障电阻R z 与第二段电缆的波阻抗Z 0 并联，构成第一段电缆的负载，即：
此时，故障点的反射系数为：
显然，由于高阻故障的故障点电阻不断改变，导致反射系数不恒定，测试波形不易辨别。针对电缆的高阻故障，首先在电缆中通入直流高压，使其故障点击穿，处于燃弧状态，电缆由高阻故障变为易于检测的低阻故障，此时，故障点反射系数恒定；然后在直流高压的基础上叠加较低脉冲电压，即可根据所加脉冲电压的反射波到达测量端的时间确定电缆故障位置。
所述的基于行波法对电缆故障定位装置的定位方法，所述的直流高压和冲击电压叠加电路的作用是在直流高压下使电缆故障点击穿，然后在直流电流的作用下使故障点保持燃弧状态，此时在电缆线路上叠加冲击电压,具体过程是先在电缆线路上施加直流高压U 1 ，在电缆故障点未击穿前，电缆线路的阻抗远大于R d ，直流高压加在电缆上，1点电位约为U 1 ，此时球隙的作用是防止直流高压对脉冲电压发生器产生影响，当故障点在直流高压下击穿时，由于直流电流的作用使故障点一直处于燃弧状态，电缆相当于短路接地，1点的电位迅速降为零，直流电压降落在保护电阻R d 上，为了保证故障点可以保持燃弧状态，保护电阻不宜选的过大，考虑到维持电弧电流约为50mA，故取保护电阻为100kΩ；此时，球隙间的电位差为U 2 ，给球隙点火脉冲使球隙g d 击穿，由于电缆处于短路接地状态，阻抗很小，所以冲击电压大部分施加在电缆上，通过此脉冲波在处于燃弧状态故障点处的反射，能够得到清晰的反射脉冲波形，进而确定故障点位置。
有益效果：
本发明通过采用直流高压叠加冲击电压对电缆故障点定位的方法，很好的解决了传统行波法在检测电缆故障点时对电缆有损坏且得到的测试波形不清晰等问题。
本发明的检测装置包括高压探头和示波器，检测方案有两种，一种是检测故障点反射回来的脉冲电压，另一种是检测故障点反射回来的脉冲电流。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明电缆分布参数等值电路原理图。
图中：R 0 、L 0 、G 0 和C 0 分别为电缆线路单位长度的电阻、电感、电导和电容。
附图3是本发明行波法电缆故障测距简易原理图。
附图4是本发明放电脉冲时间间隔图。
附图5是本发明冲击电压发生器原理图。
图中：AT为自耦变压器、T为变压器，r为保护电阻，D为高压硅堆，g为球隙，R f 为波头电阻，R t 为波尾电阻，R m 为电缆匹配电阻，C 1 为主脉冲电容，C 2 为负载电容，R为故障点的等效电阻。
附图6是本发明轻型高频高压电源原理图。
图中：VT 1 到VT 4 为整流二极管，V 1 ，V 2 为电力场效应晶体管MOSFET，VD 1 、VD 2 为续流二极管，D 1 、D 2 为高压整流硅堆，L S 为滤波电感，C S1 、C S2 为滤波电容，r为保护电阻，C H1 、C H2 为高压电容。
附图7是本发明直流高压叠加冲击电压电路原理图。
图中：g d 为隔直球隙，R d 为保护电阻。
附图8是本发明电缆故障定位主电路拓扑图。
具体实施方式：
实施例1：
一种基于行波法对电缆故障定位装置，其组成包括：冲击电压发生器1，
所述的冲击电压发生器采用直流高压给主电容充电并将输出与叠加电路2、轻型高频高压电源3连接，所述的直流高压和冲击电压通过叠加电路与待测电缆4、检测装置5连接，所述的轻型高频高压电源中的高频逆变电路通过高频变压器7与倍压整流电路6连接，所述的高频变压器与LCC滤波电路8连接，所述的滤波电路与半桥逆变电路9连接，所述的半桥逆变电路分别与全桥整流电路10、驱动电路11连接，所述的全桥整流电路与工频电源12连接，所述的驱动电路与保护电路13连接，所述的保护电路与所述的倍压整流电路输出端连接。
实施例2：
根据实施例1所述的基于行波法对电缆故障定位装置，所述的倍压整流
电路与所述的叠加电路的电缆匹配电阻Rm连接，所述的冲击电压发生器与所述的叠加电路的保护电阻Rd连接，所述的保护电阻Rd与隔直球隙gd串联，所述的电缆匹配电阻Rm、所述的隔直球隙gd分别与待测电缆连接。
实施例3：
根据实施例1或2所述的基于行波法对电缆故障定位装置，所述的检测
装置包括高压探头和示波器。
实施例4：
根据实施例1或2或3所述的基于行波法对电缆故障定位装置，所述的
轻型高频高压电源电路的输出电压为10kV，频率为20kHZ，220V的工频电压经过桥式整流电路得到脉动直流电压后经过滤波电容C L 后输出幅值约为300V的直流电压，此直流电压相当于一个直流源加在后面逆变电路的输入端，此时，由PWM控制芯片SG3525输出一组互补的PWM驱动信号，并通过由芯片IR2110组成的驱动电路去控制半桥逆变电路的两个MOSFET交替导通，经过逆变电路后输出的电压为交流方波电压，为减小开关管瞬间开通和关断产生的尖峰电流，设计了LCC滤波电路，此时输出的波形近似为正弦波；逆变电路输出的交流电压经高频变压器升压，倍压整流电路在交流高压的正半周期D 1 导通，对C H1 充电，负半周期D 2 导通，对C H2 充电，最后把C H1 和C H2 上的电压进行叠加，即为最终输出的直流高压。
实施例5：
根据实施例1或2或3或4所述的基于行波法对电缆故障定位装置，所述的冲击电压发生器产生幅值为5kV，波前时间0.2us，半波时间2us的冲击电压波，为了得到更为清晰的波形，还要避免行波在电缆所加信号端发生反射，故在信号的输入端加50Ω的电缆匹配电阻。
首先，用直流电压给主电容C 1充电，当其两端电压高于球隙的击穿电压时，球隙击穿主电容对冲击电容C 2放电，由于，C 2被快速充电，然后C 1、C 2共同经过R t 放电，就会在负载电容C 2上得到脉冲电压，通过匹配电阻传入电缆中；考虑在电缆中能量的损耗问题，选取主电容C 1 为2uf，冲击电容C 2 为0.2uf；根据所要得到脉冲电压的波前时间T f 和半波时间T t 可以采用如下近似公式计算冲击电路各部分参数：
实施例6：
根据权利要求1-5之一所述的基于行波法对电缆故障定位装置的故障定位方法，针对电缆的低阻故障，在采用行波法对电缆故障进行检测时，将电缆当做长线处理，采用分布参数模型，通过求解均匀传输线的偏微分方程可得到行波在电缆中的波阻抗，波速，式中，C为光速，C＝3 10 8 m/s， r－电缆芯线周围介质的相对介电常数， r－电缆芯线周围介质的相对磁导率，L 0 是单位长度电缆的电感，C 0 是单位长度电缆的电容。
电磁波在电缆线路中传播的过程中，当遇到阻抗不匹配点时会发生折射和反射，当电缆发生故障时，故障点阻抗就会与电缆其他部分阻抗不匹配，通过脉冲波在故障点的反射来确定故障点的位置；其反射程度可用反射系数表示，反射系数是反射电压U b 与入射电压U f 之比来；设电缆波阻抗为Z 0 ，阻抗不匹配点的等效阻抗为Z 1 ，则电压反射系数为：
通过在电缆终端放置检测装置可以检测出反射脉冲到达终端的时间，从而确定故障点位置。
设电缆的总长为L，故障点与测量端的距离为x，反射脉冲波经传播x距离后，直接到达测量点M，比反射脉冲波经电缆的另一端反射过来到达测量端的时间t 1，可得故障点位置：
由于不同电缆材料会导致脉冲波在电缆中的传播速度不同，也可以观察第三个脉冲出现的时间t 2，这个脉冲是第一个脉冲由测量端反射到另一端，再由另一端反射回来，因此经历了2L的距离，所以可得故障点位置：
在实际电缆线路中故障点电阻可以等效为R z ，故障点两边的电缆分别用大小等于波阻抗Z 0 的电阻来代替，故障电阻R z 与第二段电缆的波阻抗Z 0 并联，构成第一段电缆的负载，即：
此时，故障点的反射系数为：
显然，由于高阻故障的故障点电阻不断改变，导致反射系数不恒定，测试波形不易辨别。针对电缆的高阻故障，首先在电缆中通入直流高压，使其故障点击穿，处于燃弧状态，电缆由高阻故障变为易于检测的低阻故障，此时，故障点反射系数恒定；然后在直流高压的基础上叠加较低脉冲电压，即可根据所加脉冲电压的反射波到达测量端的时间确定电缆故障位置。
实施例7：
根据实施例5或6所述的基于行波法对电缆故障定位装置的定位方法，
所述的直流高压和冲击电压叠加电路的作用是在直流高压下使电缆故障点击穿，然后在直流电流的作用下使故障点保持燃弧状态，此时在电缆线路上叠加冲击电压,具体过程是先在电缆线路上施加直流高压U 1 ，在电缆故障点未击穿前，电缆线路的阻抗远大于R d ，直流高压加在电缆上，1点电位约为U 1 ，此时球隙的作用是防止直流高压对脉冲电压发生器产生影响，当故障点在直流高压下击穿时，由于直流电流的作用使故障点一直处于燃弧状态，电缆相当于短路接地，1点的电位迅速降为零，直流电压降落在保护电阻R d 上，为了保证故障点可以保持燃弧状态，保护电阻不宜选的过大，考虑到维持电弧电流约为50mA，故取保护电阻为100kΩ；此时，球隙间的电位差为U 2 ，给球隙点火脉冲使球隙g d 击穿，由于电缆处于短路接地状态，阻抗很小，所以冲击电压大部分施加在电缆上，通过此脉冲波在处于燃弧状态故障点处的反射，能够得到清晰的反射脉冲波形，进而确定故障点位置。
Claims (7)
1.一种基于行波法对电缆故障定位装置，其组成包括：冲击电压发生器，其特征是：所述的冲击电压发生器采用直流高压给主电容充电并将输出与叠加电路、轻型高频高压电源连接，所述的直流高压和冲击电压通过叠加电路与待测电缆、检测装置连接，所述的轻型高频高压电源中的高频逆变电路通过高频变压器与倍压整流电路连接，所述的高频变压器与LCC滤波电路连接，所述的滤波电路与半桥逆变电路连接，所述的半桥逆变电路分别与全桥整流电路、驱动电路连接，所述的全桥整流电路与工频电源连接，所述的驱动电路与保护电路连接，所述的保护电路与所述的倍压整流电路输出端连接。
2.根据权利要求1所述的基于行波法对电缆故障定位装置，其特征是：
所述的倍压整流电路与所述的叠加电路的电缆匹配电阻Rm连接，所述的冲击电压发生器与所述的叠加电路的保护电阻Rd连接，所述的保护电阻Rd与隔直球隙gd串联，所述的电缆匹配电阻Rm、所述的隔直球隙gd分别与待测电缆连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于行波法对电缆故障定位装置，其特
征是：所述的检测装置包括高压探头和示波器。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于行波法对电缆故障定位装置，其特征是：所述的轻型高频高压电源电路的输出电压为10kV，频率为20kHZ，220V的工频电压经过桥式整流电路得到脉动直流电压后经过滤波电容C L 后输出幅值约为300V的直流电压，此直流电压相当于一个直流源加在后面逆变电路的输入端，此时，由PWM控制芯片SG3525输出一组互补的PWM驱动信号，并通过由芯片IR2110组成的驱动电路去控制半桥逆变电路的两个MOSFET交替导通，经过逆变电路后输出的电压为交流方波电压，为减小开关管瞬间开通和关断产生的尖峰电流，设计了LCC滤波电路，此时输出的波形近似为正弦波；逆变电路输出的交流电压经高频变压器升压，倍压整流电路在交流高压的正半周期D 1 导通，对C H1 充电，负半周期D 2 导通，对C H2 充电，最后把C H1 和C H2 上的电压进行叠加，即为最终输出的直流高压。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于行波法对电缆故障定位装置，其特征是：所述的冲击电压发生器产生幅值为5kV，波前时间0.2us，半波时间2us的冲击电压波，为了得到更为清晰的波形，还要避免行波在电缆所加信号端发生反射，故在信号的输入端加50Ω的电缆匹配电阻。
首先，用直流电压给主电容C 1充电，当其两端电压高于球隙的击穿电压时，球隙击穿主电容对冲击电容C 2放电，由于，C 2被快速充电，然后C 1、C 2共同经过R t 放电，就会在负载电容C 2上得到脉冲电压，通过匹配电阻传入电缆中；考虑在电缆中能量的损耗问题，选取主电容C 1 为2uf，冲击电容C 2 为0.2uf；根据所要得到脉冲电压的波前时间T f 和半波时间T t 可以采用如下近似公式计算冲击电路各部分参数：
。
6.根据权利要求1-5之一所述的基于行波法对电缆故障定位装置的故障定位方法，其特征是：
针对电缆的低阻故障，在采用行波法对电缆故障进行检测时，将电缆当做长线处理，采用分布参数模型，通过求解均匀传输线的偏微分方程可得到行波在电缆中的波阻抗，波速，式中，C为光速，C＝3 10 8 m/s， r－电缆芯线周围介质的相对介电常数， r－电缆芯线周围介质的相对磁导率，L 0 是单位长度电缆的电感，C 0 是单位长度电缆的电容。
电磁波在电缆线路中传播的过程中，当遇到阻抗不匹配点时会发生折射和反射，当电缆发生故障时，故障点阻抗就会与电缆其他部分阻抗不匹配，通过脉冲波在故障点的反射来确定故障点的位置；其反射程度可用反射系数表示，反射系数是反射电压U b 与入射电压U f 之比来；设电缆波阻抗为Z 0 ，阻抗不匹配点的等效阻抗为Z 1 ，则电压反射系数为：
通过在电缆终端放置检测装置可以检测出反射脉冲到达终端的时间，从而确定故障点位置。
设电缆的总长为L，故障点与测量端的距离为x，反射脉冲波经传播x距离后，直接到达测量点M，比反射脉冲波经电缆的另一端反射过来到达测量端的时间t 1，可得故障点位置：
由于不同电缆材料会导致脉冲波在电缆中的传播速度不同，也可以观察第三个脉冲出现的时间t 2，这个脉冲是第一个脉冲由测量端反射到另一端，再由另一端反射回来，因此经历了2L的距离，所以可得故障点位置：
在实际电缆线路中故障点电阻可以等效为R z ，故障点两边的电缆分别用大小等于波阻抗Z 0 的电阻来代替，故障电阻R z 与第二段电缆的波阻抗Z 0 并联，构成第一段电缆的负载，即：
此时，故障点的反射系数为：
显然，由于高阻故障的故障点电阻不断改变，导致反射系数不恒定，测试波形不易辨别。针对电缆的高阻故障，首先在电缆中通入直流高压，使其故障点击穿，处于燃弧状态，电缆由高阻故障变为易于检测的低阻故障，此时，故障点反射系数恒定；然后在直流高压的基础上叠加较低脉冲电压，即可根据所加脉冲电压的反射波到达测量端的时间确定电缆故障位置。
7.根据权利要求5或6所述的基于行波法对电缆故障定位装置的定位方法，其特征是：所述的直流高压和冲击电压叠加电路的作用是在直流高压下使电缆故障点击穿，然后在直流电流的作用下使故障点保持燃弧状态，此时在电缆线路上叠加冲击电压,具体过程是先在电缆线路上施加直流高压U 1 ，在电缆故障点未击穿前，电缆线路的阻抗远大于R d ，直流高压加在电缆上，1点电位约为U 1 ，此时球隙的作用是防止直流高压对脉冲电压发生器产生影响，当故障点在直流高压下击穿时，由于直流电流的作用使故障点一直处于燃弧状态，电缆相当于短路接地，1点的电位迅速降为零，直流电压降落在保护电阻R d 上，为了保证故障点可以保持燃弧状态，保护电阻不宜选的过大，考虑到维持电弧电流约为50mA，故取保护电阻为100kΩ；此时，球隙间的电位差为U 2 ，给球隙点火脉冲使球隙g d 击穿，由于电缆处于短路接地状态，阻抗很小，所以冲击电压大部分施加在电缆上，通过此脉冲波在处于燃弧状态故障点处的反射，能够得到清晰的反射脉冲波形，进而确定故障点位置。
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