CN111638423B - 一种电力电缆护套层和铠装层接地故障的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种护套层和铠装层接地故障的电力电缆定位方法，包括以下步骤：在电缆线路首端的户外终端头上安装电压互感器，通过电压互感器分别测量缆芯层、护套层和铠装层的三相电压信号；在电缆线路首端的户外终端头上安装电流互感器；通过电流互感器分别测量缆芯层、护套层和铠装层的三相电流信号；计算故障点处各层回路的正序、负序、零序的电压和电流；计算接地电流；进而计算出电缆线路的故障位置。本发明的故障定位方法不受故障电阻的影响，只需根据电缆线路首端测量的电压和电流信息便能有效定位电缆线路接地隐患，极大减少电缆线路发生单相接地故障几率，具有计算方法简便、实用、定位精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电缆护套层和铠装层接地故障的定位方法。
背景技术
随着经济的迅速发展，城市用电量与日俱增，城市供电网络从架空线路向电缆转化。但因电缆质量与城市管网施工的影响，故障时有发生。然而，电缆一旦发生故障，找到故障点直至修复故障，将花费很长的时间，极大的降低了供电可靠性。因此，及时发现电缆故障隐患并准确的对故障进行定位，对于保证配电网安全运行具有重要意义。
目前，许多学者对此进行了大量的研究，提出了诸多故障定位方法。现有的故障定位方法按照不同的原理可以分为行波法和阻抗法。其中，行波法的主要优势在于受输电线路的运行方式、过渡电阻、互感器变换误差以及线路参数沿走廊分布不均匀等因素的影响比较小。但行波法存在难以确定实际波速，采样频率要求较高，易受其他设备干扰等不足。同时，行波法还有一个主要缺陷是过于依赖波头的检测，若波头检测失败则无法进行测距，且波头后的故障暂态数据也将无法用于测距，行波法用于电力电缆存在可靠性问题。阻抗法考虑了电缆的电容效应，但是模型只考虑了电缆芯导体，无法实现电缆护套层和铠装层接地故障的定位，在故障定位精度上仍有缺陷。
为此，本发明方法对电缆物理结构进行深入分析，首创性的将电缆结构中的护套层和铠装层区分开来，发明了一种不受故障电阻影响的电缆故障精确定位方法，力图在电缆出现故障时能及时、准确地定位故障点，迅速排除故障，避免由电缆线路外层绝缘破坏向单相接地故障演变，对于保障电缆线路长期安全运行、电缆故障后及时恢复正常供电具有重要意义。
发明内容
为解决现有电缆故障定位方法所存在的定位精度低的问题，本发明提出了一种电力电缆护套层和铠装层接地故障的定位方法，解决了接地电阻影响定位精度的问题，提高了电缆故障定位的准确性。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括如下步骤：
步骤1：在电缆线路首端的户外终端头上安装电压互感器；分别测量缆芯层的三相电压信号护套层的三相电压信号/>铠装层的三相电压信号
步骤2：在电缆线路首端的户外终端头上安装电流互感器；分别测量缆芯层的三相电流信号护套层的三相电流信号/>铠装层的三相电流信号
步骤3：利用下式计算出电缆线路故障距离D：
式中，Er、Fr、Gr、Hr和Jr分别是系数E、F、G、H和J的实部，Ei、Fi、Gi、Hi和Ji分别是系数E、F、G、H和J的虚部；L为电缆线路全长；为电缆护套层单位阻抗；/>为电缆铠装层单位阻抗；/>为护套层首端电压；/>为铠装层首端电压；/>为护套层故障点电流；/>为铠装层故障点电流；n为1、2和0，分别代表正序参数、负序参数和零序参数。
本发明的技术效果在于：本发明在电缆户外终端头上安装电压互感器和电流互感器，采集电缆线路首端缆芯层、护套层和铠装层的电压和电流信号，计算出故障点处各层回路的正序、负序、零序的电压和电流，计算出接地电流和电缆故障位置。本发明的故障定位方法不受故障电阻的影响，只需根据电缆线路首端测量的电压和电流信息便能有效识别电缆线路接地隐患并判断故障位置，避免由电缆线路外层绝缘破坏向单相接地故障演变。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是一种护套层和铠装层接地故障的电力电缆定位方法的总体流程示意图。
图2是电缆首端缆芯层、护套层和铠装层三相电压测量接线图。
图3是电缆首端缆芯层、护套层和铠装层三相电流测量接线图。
图4是电力电缆护套层和铠装层对地发生接地故障电路图。
图5是电力电缆护套层和铠装层对地发生接地故障复合序网图。
具体实施方式
参见图2，图2为电缆户外终端头三相电压测量方法的接线图。在电缆户外终端头上安装电压互感器。电压互感器有原边绕组1、2、3和副边绕组4、5、6组成。六绕组均为三相绕组，原边绕组1、2、3分别是缆芯层绕组、护套层绕组、铠装层绕组，它们均采用星型接线方式，即其首端接电缆A、B、C相的缆芯层、电缆A、B、C相的护套层和电缆A、B、C相的铠装层，尾端星型连接后接地。副边绕组4、5、6也为星型接线方式，a1、b1、c1相绕组的首端和尾端接入定位仪7的4个电压信号输入端子；a2、b2、c2相绕组的首端和尾端接入定位仪8的4个电压信号输入端子；a3、b3、c3相绕组的首端和尾端接入定位仪9的4个电压信号输入端子。
参见图3，图3为电缆户外终端头三相电流测量方法的接线图。在电缆户外终端头上安装电流互感器。电流互感器由三相绕组10、11、12组成，副边绕组10、11、12为星型连接绕组，其尾端相连接再接地，副边绕组10中的a1、b1、c1相绕组的首端接入定位仪13的3个电流信号输入端子；副边绕组11中的a2、b2、c2相绕组的首端接入定位仪14的3个电流信号输入端子；副边绕组12中的a3、b3、c3相绕组的首端接入定位仪15的3个电流信号输入端子。
根据测得的电缆首端缆芯层、护套层、铠装层的三相电压和三相电流求取电缆首端缆芯层、护套层、铠装层的三序电压和三序电流。
电缆首端缆芯层、护套层、铠装层的三序电压和三序电流公式分别为：
其中，k1为电压互感器的变比，k2为电流互感器的变比，α＝ej120。。下标h表示电缆首端，下标c、s、a和g分别表示缆芯层、护套层、铠装层和大地，上标1、2、0分别表示正序参数、负序参数、零序参数，如表示电缆首端缆芯层正序电压，/>表示电缆首端护套层负序电流。
当电缆线路发生护套层和铠装层对地的接地故障时，故障电路图如图4所示，利用下式计算出故障点处缆芯层、护套层和铠装层的三序电压和/>芯层、护套层和铠装层的三序电流/>和/>
其中，和/>分别为电缆缆芯层单位阻抗、电缆护套层单位阻抗和电缆铠装层单位阻抗；/>为缆芯层和护套层之间的单位容抗；/>为缆芯层和铠装层之间的单位容抗；/>为护套层和铠装层之间的单位容抗；/>为护套层和地之间的单位容抗；/>为铠装层和地之间的单位容抗；n为1、2和0，分别代表正序参数、负序参数和零序参数；
当电缆线路发生护套层和铠装层对地的接地故障时，其复合序网络电路图如图5所示，根据复合序网络图回路1可得接地电流If为：
其中，L为电缆线路全长，m为故障距离与线路全长之比，m＝D/L；
求取接地电流If后，再根据复合序网回路2可得：
Em2+Fm+GmRf+H＝RfJ
其中，
式中，Rf为电缆护套层和铠装层对地的接地电阻；
将以上公式中系数分别取实部和虚部得到方程组：
式中，Er、Fr、Gr、Hr和Jr分别是系数E、F、G、H和J的实部，Ei、Fi、Gi、Hi和Ji分别是系数E、F、G、H和J的虚部；
联立上述方程组可得故障距离占比m：
根据求取的故障距离占比m，确定电缆线路故障距离D：
从上式可以看出，本测量方法中的故障距离的计算与接地电阻Rf无关，因此这种电缆故障定位方法完全消除了接地电阻对故障定位结果的影响，大大提高了电缆故障定位的精度。本发明测量方法只需测量电缆首端缆芯层、护套层和铠装层的电压和电流信号，因此可避免双端数据同步的问题，实现电缆定位的准确性。
本发明的具体实施例采用10kV的三相三柱式电压互感器和电流互感器，该电压互感器变比为k1＝100/1，电流互感器的变比为k2＝1000/5。电缆线路为三相单芯电缆，电缆线路长度为10km，故障接地电阻为500Ω，表1列出了实验测得的故障距离、实际故障距离以及测距误差率。
从表1可看出，该方法测量误差误差不超过2.14％，测量精度高，能有效发现电缆绝缘破坏隐患。
表1
| 实际故障位置/m | 测得故障距离/m | 误差率 |
| 100 | 102.14 | 2.14％ |
| 200 | 197.85 | 1.07％ |
| 500 | 507.73 | 1.54％ |
| 1000 | 1020.72 | 2.07％ |
| 3000 | 3035.43 | 1.18％ |
| 5000 | 5054.47 | 1.09％ |
| 7000 | 6915.34 | 1.21％ |
| 9000 | 9067.49 | 0.75％ |
Claims (1)
1.一种电力电缆护套层和铠装层接地故障的定位方法，包括如下步骤：
步骤1：在电缆线路首端的户外终端头上安装电压互感器；分别测量缆芯层的三相电压信号护套层的三相电压信号/>铠装层的三相电压信号
步骤2：在电缆线路首端的户外终端头上安装电流互感器；分别测量缆芯层的三相电流信号护套层的三相电流信号/>铠装层的三相电流信号
步骤3：利用下式计算出电缆线路故障距离D：
式中，Er、Fr、Gr、Hr和Jr分别是系数E、F、G、H和J的实部，Ei、Fi、Gi、Hi和Ji分别是系数E、F、G、H和J的虚部；L为电缆线路全长；为电缆护套层单位阻抗；/>为电缆铠装层单位阻抗；为护套层首端电压；/>为铠装层首端电压；/>为护套层故障点电流；/>为铠装层故障点电流；n为1、2和0，分别代表正序参数、负序参数和零序参数。
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