CN110376498A - 一种电缆局部放电在线定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种电缆局放源在线定位的方法，首先通过离线实验模拟了局放脉冲信号在电缆中的传播，得到了局部放电脉冲信号在电缆中的传播规律，即局放脉冲信号电压幅值与脉宽均随传输距离的增加而呈单调性变化，并建立了局放信号脉宽与传输距离对应关系的数据库；然后通过时域与频域变换，推导出理想情况下考虑频率特性的脉宽变化函数关系式；最后将局放信号脉宽与传输距离对应关系的数据库，与脉宽变化函数关系式相结合，提出了基于电缆频率特性及信号脉冲宽度的电缆局部放电在线定位方法，实验证明该方法具有较高的准确性与实用性。

Description

一种电缆局部放电在线定位方法
技术领域
本发明涉及电缆的故障定位领域，具体涉及一种电缆局部放电在线定位方法。
背景技术
局部放电(partial discharge，PD)监测评估电力电缆绝缘状态的主要方法之一。电缆局部放电是由于电缆本体部分小范围绝缘损伤而导致放电的早期故障，对电缆的正常运行干扰较小，但随着电缆运行时间的增加，电缆发生局部放电的频率会大幅增加，导致电缆绝缘进一步恶化，并最终发展成为永久性故障。目前关于电缆局部放电故障定位的方法，大部分都为离线检测，并且受环境噪声以及脉冲反射信号的影响较大，导致定位不准确，难以实现长距离电缆的局部放电源定位。如何进行较长电缆局部放电的在线准确定位，是当前要解决的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明在分析局部放电脉冲信号在电缆中的衰减特性后，提供一种电缆局部放电在线定位方法，该方法能够利用更少的监测点与监测数据，实现对较长电缆局部放电故障的准确定位。对维护电缆的正常运行、保障电缆供电质量具有重要意义。
本发明采取的技术方案为：
一种电缆局部放电在线定位方法，包括以下步骤：
步骤1：通过离线实验，模拟局部放电脉冲信号在电缆中的传播，得到局部放电脉冲信号在电缆中的传播规律，即局部放电脉冲信号电压幅值与脉宽均随传输距离的增加而呈单调性变化；并建立了局部放电脉冲信号脉宽与传输距离对应关系的数据库；
步骤2：选择合适的脉冲函数，模拟原始局部放电脉冲信号，通过多次时域与频域变换，推导出理想情况下，考虑频率特性的局部放电脉冲信号脉宽变化与传输距离间的函数关系式；
步骤3：在线监测电缆的电压变化，通过监测到的信号，判断电缆的运行状态，即判断电缆是否发生了局部放电现象；当电缆发生局部放电故障时，监测电缆故障时的脉冲电压信号，提取局部放电电压信号的脉宽参数；
步骤4：将步骤3中的脉宽参数，分别代入步骤1中的数据库与步骤2中的函数关系式，分别求解出各对应的故障距离，按照迭代方法，对求解结果进行迭代计算，直至迭代结果满足误差要求；
步骤5：根据局部放电源位置求解公式，求解局部放电源故障距离。
所述步骤1中，考虑电缆结构的特殊性，局部放电信号在电缆中的传播衰减严重，因此为能够更加准确的反映出电缆故障时故障信息的实际传输情况。本发明基于PSCAD/EMTDC建立了一条频率相关相域模型的电缆，根据仿真实验结果，利用MATLAB将脉冲信号各参数与传输距离进行拟合，得到了完整的脉冲幅值变化拟合曲线，为得到脉冲随传输距离变化的衰减情况，按以下步骤对两者进行拟合：
S11：沿电缆线设置n个监测点，分别表示为N1、N2、……、Nn，距电缆故障点的距离分别为l1、l2、……、ln；
S12：按高斯函数形式，在电缆本体上设置局部放电源与故障发生时间；
S13：分析在每个监测点获取的脉冲信号，计算并提取相应的脉冲电压幅值U(x)；
S14：分别用不同类型的函数，对电压幅值U(x)与故障距离l(x)进行拟合，根据拟合度，选择最佳拟合函数为最终函数。
所述步骤3中，由于局部放电脉冲信号的频率会达到20～300MHz，因此本发明选用高频霍尔电压传感互感器监测电缆电压信号的变化。它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映。
本发明一种电缆局部放电在线定位方法，具有以下有益效果：
(1)通过仿真实验对本发明提出的方法进行了验证，结果表明该方法在实现电缆局部放电源在线定位上的定位误差较小，主要介于0.4～0.6之间，满足线路故障测距综合误差不超过1％的标准，具有较高的实用性和有效性。
(2)本发明所提的电缆局部放电定位方法，是以脉冲电压信号的衰减与传输距离间的变化关系为基础、以脉冲宽度与传输距离的函数表达式，为依据实现对局部放电源的定位，该方法只需要监测分析局部放电的入射波信号，而不用考虑反射波信号的衰减变化，随着故障距离的增加，其定位误差的波动范围逐渐减小，因此可以实现长距离电缆的局部放电源定位。根据本发明中的仿真研究，长距离电缆是指长度范围在0～5000米范围内的交联聚乙烯电缆。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为故障定位方法技术路线图。
图2为U(x)与l(x)函数拟合流程图。
图3为局部放电脉冲幅值衰减拟合曲线图。
图4为局部放电脉冲脉宽变化拟合曲线图。
图5为完整的故障定位流程图。
图6为定位误差对比分析图。
具体实施方式
一种电缆局部放电源在线定位的方法，包含离线实验、理论分析和在线监测三个部分。其中首先离线实验模拟了局部放电脉冲信号在电缆中的传播，得到了局部放电脉冲信号在电缆中的传播规律，建立了局部放电信号脉宽与传输距离对应关系的数据库；在理论分析部分通过时域与频域变换推导出理想情况下考虑频率特性的脉宽变化函数关系式；在线监测部分通过传感器监测并提取电缆的局部放电脉冲信号及信号参数，将局部放电信号脉宽分别代入离线实验部分得到的数据库和理论分析部分中的函数关系式，按照一定规律经过迭代计算后即可实现对电缆局部放电源的快速、准确定位。
如图1所示为一种电缆局部放电在线定位方法的技术路线图，所述步骤1中，一种电缆局部放电在线定位方法，包含以下步骤：
步骤1：首先通过离线实验，模拟了局部放电脉冲信号在电缆中的传播，得到了局部放电脉冲信号在电缆中的传播规律，即局部放电脉冲信号电压幅值与脉宽均随传输距离的增加而呈单调性变化，并建立了局部放电信号脉宽与传输距离对应关系的数据库；
步骤2：选择合适的脉冲函数，模拟原始局部放电脉冲信号，通过多次时域与频域变换，推导出理想情况下，考虑频率特性的局部放电信号脉宽变化与传输距离间的函数关系式；
步骤3：通过传感器在线监测电缆的电压变化，通过监测到的信号判断电缆的运行状态，即判断电缆上是否发生了局部放电现象；当电缆发生局部放电故障时，由信号监测系统监测电缆故障时的脉冲电压信号，提取局部放电电压信号的脉宽参数；
步骤4：将步骤3中的脉宽参数分别代入步骤1中的数据库与步骤2中的函数关系式，分别求解出各对应的故障距离，按照迭代方法对求解结果进行迭代计算，直至迭代结果满足误差要求；
步骤5：根据局部放电源位置求解公式求解局部放电源故障距离。
如图2所示为U(x)与l(x)函数拟合流程图，所述步骤1中，一种电缆局部放电在线定位方法，要得到局部放电信号脉冲参数随传输距离变化的拟合曲线包含以下步骤：
S11：沿电缆线设置n个监测点，分别表示为N1、N2、……、Nn，距电缆故障点的距离分别为l1、l2、……、ln；
S12：按式(6)所示的高斯函数形式，在电缆本体上设置局部放电源与故障发生时间；
S13：分析在每个监测点获取的脉冲信号，计算并提取相应的脉冲电压幅值U(x)；
S14：分别用不同类型的函数，对电压幅值U(x)与故障距离l(x)进行拟合，根据拟合度选择最佳拟合函数为最终函数。
如图3所示为局部放电脉冲幅值衰减拟合曲线图，如图4所示为局部放电脉冲脉宽变化拟合曲线图，由图3和图4可知，局部放电脉冲信号电压幅值与脉宽均随传输距离的增加而呈单调性变化，即每一个波形的脉宽参数对应唯一的信号传输距离，即：故障距离。
所述步骤2中，本发明利用高斯函数模拟局部放电脉冲信号，其数学表达式为：
式中，u(t)为局部放电脉冲信号的瞬时电压值，单位：V；U0为初始脉冲电压幅值，单位：V；σ为时间尺度因子，单位：s；a为位置参数，单位：s。
所述步骤2中，理想情况下考虑频率特性的局部放电信号脉宽变化与传输距离间的函数关系式的推导步骤为：
S21：为便于分析，取a＝0,利用Fourier变换将式(1)所示的高斯脉冲变换到频域，得到局部放电信号的频域表达式：
S22：考虑局部放电信号在频域中的衰减，将局部放电频域表达式(2)乘以衰减系数函数e-ωαx，得到完整的频域衰减公式：
式中，α为衰减常数，单位：N·(m·Hz)-1。
S23：利用Fourier逆变换将式(3)变换到时域，得到完整的考虑频率衰减特性的局部放电信号时域传播表达式：
S24：为得到脉冲信号与传输距离x之间的变化关系，将式(4)中t设置为0，得到局部放电脉冲的电压随传输距离间的表达式为：
局部放电信号脉冲宽度WL(x)随传输距离x的变化为:
同理可得到从电缆末端计算的脉冲宽度WR(l-x)与脉冲传播距离l-x的函数关系式，即:
式中，l为所监测的电缆的全长，单位：m。
所述步骤3中，由于局部放电脉冲信号的频率会达到20～300MHz，因此本发明选用高频霍尔电压传感互感器监测电缆电压信号的变化。它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映。
如图5所示为完整的故障定位流程图，所述步骤4中，求解故障距离的迭代计算步骤为：
S41：分别在电缆的首端与末端监测局部放电脉冲信号波形，提取相应的脉冲宽度WL(x)、WR(l-x)；
S42：将WL(x)、WR(l-x)分别代入式(6)和式(7),获得两个故障距离xL、xR，将所得的两个距离作为第一次迭代的故障距离xL-1、xR-1；
S43：根据脉冲宽度与故障距离之间的拟合函数关系，确定xL-1、xR-1对应的脉冲宽度WL(x)-1、WR(l-x)-1，将其分别代入式(6)和式(7),获得第二次迭代的故障距离xL-2、xR-2；
S44：重复上述步骤，直至n次迭代后所求故障距离满足式(8)所定义的标准。
式中xL-n、xR-n分别为n次迭代后从电缆R侧和L侧得到的故障距离；Δx为误差系数；xf局部放电源的故障距离。
局部放电源的具体位置求解公式为：
式中，xf为从R侧计算的局部放电源的故障距离。
如图6所示，为本发明所提方法与基于小波变换的电缆故障定位方法，在不同故障距离下的定位误差。从图6中可以看出本发明中所提方法在近距离的范围内的定位误差略显偏高、但当故障距离较远时两者的定位误差差别较小，变化趋势趋于稳定，整体定位误差均低于0.6％，满足线路故障测距综合误差不超过1％的标准，具有较高的实用性和有效性。

Claims (6)

1.一种电缆局部放电在线定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：通过实验模拟局部放电脉冲信号在电缆中的传播，得到局部放电脉冲信号在电缆中的传播规律，并建立局部放电脉冲信号脉宽与传输距离对应关系；
步骤2：选择合适的脉冲函数，模拟原始局部放电脉冲信号，通过多次时域与频域变换，推导出理想情况下，考虑频率特性的局部放电脉冲信号脉宽变化与传输距离间的函数关系式；
步骤3：在线监测电缆的电压变化，通过监测到的信号，判断电缆的运行状态，即判断电缆是否发生了局部放电现象；当电缆发生局部放电故障时，监测电缆故障时的脉冲电压信号，提取局部放电电压信号的脉宽参数；
步骤4：将步骤3中的脉宽参数，分别代入步骤1中的数据库与步骤2中的函数关系式，分别求解出各对应的故障距离，按照迭代方法，对求解结果进行迭代计算，直至迭代结果满足误差要求；
步骤5：根据局部放电源位置求解公式，求解局部放电源故障距离。
2.根据权利要求1所述一种电缆局部放电在线定位方法，其特征在于：所述步骤1中，基于PSCAD/EMTDC建立了一条频率相关相域模型的电缆，根据仿真实验结果，利用MATLAB将脉冲信号各参数与传输距离进行拟合，得到了完整的脉冲幅值变化拟合曲线，为得到脉冲随传输距离变化的衰减情况，按以下步骤对两者进行拟合：
S11：沿电缆线设置n个监测点，分别表示为N1、N2、……、Nn，距电缆故障点的距离分别为l1、l2、……、ln；
S12：按高斯函数形式，在电缆本体上设置局部放电源与故障发生时间；
S13：分析在每个监测点获取的脉冲信号，计算并提取相应的脉冲电压幅值U(x)；
S14：分别用不同类型的函数，对电压幅值U(x)与故障距离l(x)进行拟合，根据拟合度，选择最佳拟合函数为最终函数。
3.根据权利要求1所述一种电缆局部放电在线定位方法，其特征在于：所述步骤2中，利用高斯函数，模拟局部放电脉冲信号，其数学表达式为：
式中，u(t)为局部放电脉冲信号的瞬时电压值，U0为初始脉冲电压幅值，σ为时间尺度因子，a为位置参数；
考虑频率特性的局部放电信号脉宽变化与传输距离间的函数关系式的推导步骤为：
S21：为便于分析，取a＝0,利用Fourier变换将式(1)所示的高斯脉冲变换到频域，得到局部放电信号的频域表达式：
S22：考虑局部放电信号在频域中的衰减，将局部放电频域表达式(2)乘以衰减系数函数e-ωαx，得到完整的频域衰减公式：
式中，α为衰减常数；
S23：利用Fourier逆变换将式(3)变换到时域，得到完整的考虑频率衰减特性的局部放电信号时域传播表达式：
S24：为得到脉冲信号与传输距离x之间的变化关系，将式(4)中t设置为0，得到局部放电脉冲的电压随传输距离间的表达式为：
局部放电信号脉冲宽度WL(x)随传输距离x的变化为：
同理得到从电缆末端计算的脉冲宽度WR(l-x)与脉冲传播距离l-x的函数关系式，即:
式中，l为所监测的电缆的全长。
4.根据权利要求1所述一种电缆局部放电在线定位方法，其特征在于：所述步骤3中，选用高频霍尔电压传感互感器监测电缆电压信号的变化；它可以测量任意波形的电流和电压。
5.根据权利要求1所述一种电缆局部放电在线定位方法，其特征在于：所述步骤4中，求解故障距离的迭代计算步骤为：
S41：分别在电缆的首端与末端监测局部放电脉冲信号波形，提取相应的脉冲宽度WL(x)、WR(l-x)；
S42：将WL(x)、WR(l-x)分别代入式(6)和式(7),获得两个故障距离xL、xR，将所得的两个距离作为第一次迭代的故障距离xL-1、xR-1；
S43：根据脉冲宽度与故障距离之间的拟合函数关系，确定xL-1、xR-1对应的脉冲宽度WL(x)-1、WR(l-x)-1，将其分别代入式(6)和式(7),获得第二次迭代的故障距离xL-2、xR-2；
S44：重复上述步骤，直至n次迭代后所求故障距离满足式(8)所定义的标准；
式中，xL-n、xR-n分别为n次迭代后从电缆R侧和L侧得到的故障距离；Δx为误差系数；xf局部放电源的故障距离。
6.根据权利要求1所述一种电缆局部放电在线定位方法，其特征在于：所述步骤5中，局部放电源的具体位置求解公式为：
式中，xf为从R侧计算的局部放电源的故障距离。
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Cassinelli et al. On the effect of inflow disturbances on the flow past a linear LPT vane using spectral/hp element methods

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Application publication date: 20191025

Assignee: SICHUAN LANXUNBAOER ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980046769

Denomination of invention: A Method for Online Localization of Partial Discharge in Cables

Granted publication date: 20210413

License type: Exclusive License

Record date: 20231110