CN113295977B - 一种电缆绝缘状态及故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆绝缘状态及故障监测方法，具体包括：步骤S1收集电缆绝缘泄露电流；步骤S2由实时采集的电缆绝缘泄露电流预测泄露电流趋势；步骤S3根据泄露电流预测结果判断电缆绝缘状态；步骤S4当电缆绝缘状态异常时，向电缆中注入零序电压并判断电缆老化程度；步骤S5由步骤S4得到的绝缘电阻，与电缆高阻故障下的电阻最大值比较，判断电缆是否需要断开；步骤S6若电缆判定为断开，采用低压脉冲法判断电缆故障点的大致位置；步骤S7在电缆故障点大致位置，利用高频感应定位法对故障点快速精准定位。本发明能快速精准定位电缆故障，维护人员可及时对故障电路进行抢修，保障电缆正常运行，实现电缆绝缘“准在线”监测，可减少电缆监测设备功耗。

Description

一种电缆绝缘状态及故障监测方法

技术领域

本发明属于电缆绝缘状态监测技术领域，特别是涉及一种电缆绝缘状态及故障监测方法。

背景技术

近年来，电力电缆因其优越的电气性能和耐化学稳定性、便于敷设安装等优点在电网建设和线路改造中得到越来越广泛的应用。然而电缆在运行较长时间后会出现绝缘故障，主要由电缆绝缘老化所致。因此，快速准确监测电缆绝缘状态与精准检测故障点，有利于维护人员在尽可能短的时间内排查故障并针对性维修，提高电缆运行安全性。

目前，电力电缆绝缘监测的方法主要有：直流分量法，通过检测电缆接地线当中的泄漏电流直流电流分量大小进行绝缘状态监测，但该直流分量很微弱，当电缆外皮绝缘电阻值较低时，易受大地中杂散电流的影响；直流电压叠加法，当对运行中绝缘逐渐劣化的电缆施加低直流电压时，将产生与劣化程度相应的直流电流。但由于大地中杂散电流变化大，测量误差大，同时此法只适合在低压电缆绝缘监测中使用；低频叠加法是在电缆的芯线与金属护层之间施加低频电压，检测出电流中损耗电流分量，然后算出绝缘电阻，对电缆劣化程度进行判断，但由于采集的低频信号十分微弱，监测结果容易受到工频及高次谐波等干扰因素影响；tanδ方法反映电缆自身介质损耗的特性，能有效预防工频和外界的杂散信号对其造成干扰，测量精准性较高，但tanδ值很小，难以精准测量；局部放电法也是一个在线监测电力电缆绝缘的常用方法，但由于现场背景干扰相当大，在线监测局部放电也比较困难。且在电缆实际运行中故障发生多为高阻故障，所以亟待一种检测和预警高阻故障的方法。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电缆绝缘状态及故障监测方法，使电力电缆检测环境因素形成的测量误差小、监测精准度高及适用性更广，以实现电力系统可靠稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种电缆绝缘状态及故障监测方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：收集电缆绝缘泄露电流；

步骤S2：根据实时采集的电缆绝缘泄露电流预测泄露电流趋势；

步骤S3：根据得到的泄露电流预测结果判断电缆绝缘状态；

步骤S4：当电缆绝缘状态异常时，向电缆中注入零序电压并判断电缆老化程度；

步骤S5：由步骤S4得到的绝缘电阻，与电缆高阻故障下的电阻最大值比较，判断电缆是否需要断开；

步骤S6：若电缆判定为断开，采用低压脉冲法判断电缆故障点的大致位置；

步骤S7：在电缆故障点大致位置，利用高频感应定位法对故障点快速精准定位。

进一步的，所述步骤S1具体为：

实时测量电缆各相首端电流I₁和末端电流I₂，由基尔霍夫电流定律得各相电缆绝缘泄露电流I_▽为：

I_▽＝I₁-I₂。

进一步的，所述步骤S2为利用多目标优化的混合预测算法进行泄露电流趋势预测，具体为：

首先利用指数移动加权平均法预测泄露电流，其数学模型如下：

其中，S_t为t时刻利用指数移动加权平均法的预测泄露电流；I_▽t为t时刻采集的各相电缆绝缘泄露电流；α为加权因子，介于(0,1)之间；

接着利用长短期记忆网络法对泄露电流进行预测，其数学模型为：

其中，h_t为t时刻利用长短期记忆网络法的预测泄露电流；o_t为t时刻输出门的状态；c_t为t时刻记忆细胞状态；且

o_t＝σ(ω_o·[h_t-1,I_▽t]+b_o)

其中，f_t为t时刻忘记门的状态；i_t为t时刻输入门的状态；

为t时刻临时记忆细胞状态；且

f_t＝σ(ω_f·[h_t-1,I_▽t]+b_f)

i_t＝σ(ω_i·[h_t-1,I_▽t]+b_i)

其中，I_▽t为t时刻采集的各相电缆绝缘泄露电流；σ为sigmoid函数；ω_o为输出门权重矩阵；b_o为输出门偏置项；ω_f为忘记门权重矩阵；b_f为忘记门偏置项；ω_i为输入门权重矩阵；b_i为输入门偏置项；ω_c为输入单元状态矩阵；b_c为输入单元状态偏置项；

最后预测泄露电流结果的数学模型为：

其中，

为t时刻泄露电流的最终泄露电流预测结果；w₁为分配给长短期记忆网络法完成泄露电流预测的权重系数；w₂为分配给指数移动加权平均法完成泄露电流预测的权重系数；且w₁+w₂＝1。

进一步的，所述步骤S3具体为：

将步骤S2得到的预测泄露电流的最终泄露电流预测结果与2倍的电缆正常泄露电流进行比较，若预测泄露电流小于等于2倍的电缆正常泄露电流，则判定为电缆绝缘正常；并返回步骤S1继续执行；若预测泄露电流大于2倍的电缆正常泄露电流则判定为电缆绝缘异常。

进一步的，所述步骤S4具体为：

当电缆绝缘状态异常时，向电缆中注入零序电压，然后监测泄露电流I_Δ，此时的泄露电流I_Δ为电缆系统电压和注入零序电压叠加作用产生的，则零序电压单独作用时的泄露电流I为：

I＝I_Δ-I_▽

此时可将电缆等效为零序电路，可得：

其中，U为零序电压；I为零序电压作用下产生的泄漏电流；j为虚数单位；X_L为滤波电抗；R₁为线路电阻；X₁为线路电抗；R_d为电缆绝缘电阻；ω为角频率；C_d为电缆绝缘电容；

滤波电感及线芯阻抗引入的阻抗值与绝缘电阻相比，忽略不计，可得：

整理上式可得：

根据复数计算可得：

由上式可得：

tanθ＝-ωR_dC_d

可得：

式中，θ为零序电压和零序电压作用产生的泄露电流的相位差；

根据得到的绝缘电阻，查阅相应电缆的绝缘状态表，判断电缆的老化程度。

进一步的，所述步骤S5具体为：

若绝缘电阻值小于等于电缆高阻故障下的阻值范围内最大值，则返回步骤S1，继续收集电缆绝缘泄露电流；

若绝缘电阻值大于电缆高阻故障下的阻值范围内最大值，利用断路器拉闸将电缆断开。

进一步的，所述步骤S6具体为：

首次采用直流耐压烧穿模块对电缆进行击穿实验；即利用直流耐压烧穿设备接于电缆接头，打开烧穿设备设定电源电压大小，然后设备不间断向电缆注入冲击电压，电缆高阻故障点经过冲击电压，此点会被击穿，高阻故障也变为低阻故障；

接着采用低压脉冲法判断电缆故障点的大致位置：测试时，电缆故障测试仪发射低压脉冲信号，同时开始采样；发射脉冲沿电缆传播，遇到故障点产生反射，反射脉冲回到测试端被仪器记录下来；发射与反射脉冲在采样记录中间隔的时间，对应着脉冲在发生故障位置与测试端之间往返传播一次的时间，已知脉冲在电缆中的运行速度，可以计算出故障点的距离；

式中：V为脉冲传播速度；Δt为脉冲往返传播一次的时间。

进一步的，所述步骤S7具体为：

将被测电缆连接到高频发生器输出端口，然后向电缆中注入高频电流；用电磁场感应探头沿初定故障点位置附近的电缆路径探测电磁场的变化情况；根据显示的最大数值确定故障点位置。

本发明的有益效果是：从实际运行电缆在线式绝缘监测和离线式故障定位相互配合综合考虑，能快速精准定位电缆故障，维护人员可及时对故障电路进行抢修，保障了电缆正常运行。同时，实现电缆绝缘“准在线”监测，既减少了电缆监测设备的功耗，又不受电缆长度和系统负载的影响。通过接地故障电流部分补偿，抑制了弧光接地的发生。可对电缆潜在性高阻故障起到预警及处理作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例提供的一种电缆绝缘状态及故障监测方法流程示意图；

图2是电缆等效零序回路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示为本实施提供的一种电缆绝缘状态及故障监测方法流程示意图，包括以下步骤：

步骤S1：收集电缆绝缘泄露电流；

实时测量电缆各相首端电流I₁和末端电流I₂，由基尔霍夫电流定律得各相电缆绝缘泄露电流I_▽为：

I_▽＝I₁-I₂ (1)

步骤S2：根据步骤S1实时采集的各相电缆绝缘泄露电流I_▽预测泄露电流趋势；

利用多目标优化的混合预测算法进行泄露电流趋势预测，具体为：

首先利用指数移动加权平均法(EWMA)完成泄露电流预测，其数学模型如下：

其中，S_t为t时刻利用指数移动加权平均法的预测电流；I_▽t为t时刻采集的各相电缆绝缘泄露电流；α为加权因子，介于(0,1)之间，表示中心点附近的泄漏电流值与中心点泄漏电流值的接近程度，α越大，表示离中心点泄漏电流值越接近，一般取0.3到0.4。

接着利用长短期记忆网络法(LSTM)对泄露电流进行另一个预测：其数学模型为：

其中，h_t为t时刻利用长短期记忆网络法的预测电流；o_t为t时刻输出门的状态；c_t为t时刻记忆细胞状态；且

o_t＝σ(ω_o·[h_t-1,I_▽t]+b_o) (4)

其中，f_t为t时刻忘记门的状态；i_t为t时刻输入门的状态；

为t时刻临时记忆细胞状态；且

f_t＝σ(ω_f·[h_t-1,I_▽t]+b_f) (6)

i_t＝σ(ω_i·[h_t-1,I_▽t]+b_i) (7)

其中，I_▽t为t时刻采集的各相电缆绝缘泄露电流；σ为sigmoid函数；ω_o输出门权重矩阵；b_o为输出门偏置项；ω_f为忘记门权重矩阵；b_f为忘记门偏置项；ω_i为输入门权重矩阵；b_i为输入门偏置项；ω_c为输入单元状态矩阵；b_c为输入单元状态偏置项。

电缆绝缘泄露电流预测结果数学模型为：

其中，

为t时刻泄露电流的最终预测结果；w₁为分配给LSTM完成泄露电流预测的权重系数；w₂为分配给EWMA完成泄露电流预测的权重系数；且w₁+w₂＝1。

步骤S3：根据步骤S2得到的泄露电流预测结果判断电缆绝缘状态；

将步骤S2得到的预测泄露电流的最终预测结果

与2倍的电缆正常泄露电流I_d进行比较，若预测泄露电流

小于等于2倍的电缆正常泄露电流I_d，则判定为电缆绝缘正常；并返回步骤S1继续执行上述步骤。当预测泄露电流

大于2倍的电缆正常泄露电流I_d则判定为电缆绝缘异常。

此处选择2倍的电缆正常泄露电流作为判定是因为2倍的电缆正常泄露电流是电缆绝缘良好与开始出现问题的临界值。

步骤S4：当电缆绝缘状态异常时，向电缆中注入零序电压并判断电缆老化程度；

当电缆绝缘状态异常时，向电缆中注入零序电压，然后监测泄露电流I_Δ，此时的泄露电流I_Δ为电缆系统电压和注入零序电压叠加作用产生的，则零序电压单独作用时的泄露电流I为：

I＝I_Δ-I_▽ (10)

此时可将电缆等效为图2所示的零序电路，由图2可得：

其中，U为零序电压；I为零序电压作用下产生的泄漏电流；j为虚数单位；X_L为滤波电抗；R₁为线路电阻；X₁为线路电抗；R_d为电缆绝缘电阻；ω为角频率；C_d为电缆绝缘电容。

滤波电感及线芯阻抗引入的阻抗值与绝缘电阻相比，可以忽略不计，则式(11)可以化简为：

整理式(12)可得：

根据复数计算可得：

由式(14)可得：

tanθ＝-ωR_dC_d (15)

综合式(12)-(15)可得：

式中，θ为零序电压和零序电压作用产生的泄露电流的相位差。

根据得到的绝缘电阻R_d，查阅相应电缆的绝缘状态表，判断电缆的老化程度。

利用Matlab Simulink及PSCAD等仿真软件，验证提出对中低压配电网中的三相电缆系统进行零序电压注入，测量电缆线芯首末两端的电流实现漏电流和绝缘状态监测，在电缆注入不同零序电压幅值，不同程度老化情况下对电缆绝缘的不同监测效果如表1。

表1

由表1可知，本发明的仿真值和理论值较为接近，可以较为准确的判断电缆的老化程度。当线路发生单相接地故障后，零序电压的注入，还能实现接地故障电流的部分补偿，继而抑制弧光接地的发生。

步骤S5：根据步骤S4中得到的绝缘电阻R_d，与电缆高阻故障下的电阻最大值比较，判断电缆是否需要断开；

若绝缘电阻值R_d小于等于电缆高阻故障下的阻值范围内最大值，则返回步骤S1，并重复上述步骤。

若绝缘电阻值R_d大于电缆高阻故障下的阻值范围内最大值，利用断路器拉闸将电缆断开。

步骤S6：若电缆判定为断开，采用低压脉冲法判断电缆故障点的大致位置；

首次采用直流耐压烧穿模块对电缆进行击穿实验；即利用直流耐压烧穿设备接于电缆接头，打开烧穿设备设定电源电压大小，然后设备不间断向电缆注入冲击电压，电缆高阻故障点经过冲击电压，此点会被击穿，高阻故障也变为低阻故障。

接着采用低压脉冲法判断电缆故障点的大致位置：测试时，电缆故障测试仪发射低压(几十伏)脉冲信号，同时开始采样；发射脉冲沿电缆传播，遇到故障点产生反射，反射脉冲回到测试端被仪器记录下来；发射与反射脉冲在采样记录中间隔的时间，对应着脉冲在发生故障位置与测试端之间往返传播一次的时间，已知脉冲在电缆中的运行速度，可以计算出故障点的距离。

式中：V为脉冲传播速度；Δt为脉冲往返传播一次的时间。

分别进行故障距离为3km、5km和8km的单相接地故障、两相接地故障和单相断路故障下的故障位置验算过程，总结其定位误差表2所示，从表2中可以看出采用电缆故障行波法中的低压脉冲法对电缆故障进行定位是可行的，误差在5％范围内。相比表3中采用阻抗法对电缆故障进行定位具有明显的优势，定位更加准确，误差更小。

表2

表3

步骤S7：根据步骤S6中确定的电缆故障点大致位置，然后在其附近利用高频感应定位法对电缆故障点快速精准定位。

利用高频感应定位法对电缆故障点快速精准定位：高频感应定位法利用高频信号发生器向电缆输入高频电流，并产生高频电磁波，然后在地面上用探头沿初定位置附近的电缆路径接收电缆周围高频电磁场，电磁场的变化经接收处理后直接在液晶屏幕上显示出来，根据显示出数值的大小可直接快速判断故障点位置。

具体为将被测电缆连接到高频发生器输出端口，打开仪器电源开关，扭动旋转开关调整输出高频电流值；用电磁场感应探头沿初定故障点位置附近的电缆路径探测电磁场的变化情况；观察接收机上液晶显示的数字的大小；最后根据显示的最大数值确定故障点位置。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电缆绝缘状态及故障监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1：收集电缆绝缘泄露电流；

步骤S2：根据实时采集的电缆绝缘泄露电流预测泄露电流趋势；

步骤S3：根据得到的泄露电流预测结果判断电缆绝缘状态；

步骤S4：当电缆绝缘状态异常时，向电缆中注入零序电压并判断电缆老化程度；

步骤S5：由步骤S4得到的绝缘电阻，与电缆高阻故障下的电阻最大值比较，判断电缆是否需要断开；

步骤S6：若电缆判定为断开，采用低压脉冲法判断电缆故障点的大致位置；

步骤S7：在电缆故障点大致位置，利用高频感应定位法对故障点快速精准定位；

所述步骤S2为利用多目标优化的混合预测算法进行泄露电流趋势预测，具体为：

首先利用指数移动加权平均法预测泄露电流，其数学模型如下：

其中，S_t为t时刻利用指数移动加权平均法的预测泄露电流；I_▽t为t时刻采集的各相电缆绝缘泄露电流；α为加权因子，介于(0,1)之间；

接着利用长短期记忆网络法对泄露电流进行预测，其数学模型为：

其中，h_t为t时刻利用长短期记忆网络法的预测泄露电流；o_t为t时刻输出门的状态；c_t为t时刻记忆细胞状态；且

其中，f_t为t时刻忘记门的状态；i_t为t时刻输入门的状态；

为t时刻临时记忆细胞状态；且

其中，

为t时刻采集的各相电缆绝缘泄露电流；σ为sigmoid函数；ω_o为输出门权重矩阵；b_o为输出门偏置项；ω_f为忘记门权重矩阵；b_f为忘记门偏置项；ω_i为输入门权重矩阵；b_i为输入门偏置项；ω_c为输入单元状态矩阵；b_c为输入单元状态偏置项；

最后预测泄露电流结果的数学模型为：

其中，

为t时刻泄露电流的最终泄露电流预测结果；w₁为分配给长短期记忆网络法完成泄露电流预测的权重系数；w₂为分配给指数移动加权平均法完成泄露电流预测的权重系数；且w₁+w₂＝1。

2.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘状态及故障监测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

实时测量电缆各相首端电流I₁和末端电流I₂，由基尔霍夫电流定律得各相电缆绝缘泄露电流

为：

3.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘状态及故障监测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

将步骤S2得到的预测泄露电流的最终泄露电流预测结果与2倍的电缆正常泄露电流进行比较，若预测泄露电流小于等于2倍的电缆正常泄露电流，则判定为电缆绝缘正常；并返回步骤S1继续执行；若预测泄露电流大于2倍的电缆正常泄露电流则判定为电缆绝缘异常。

4.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘状态及故障监测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

当电缆绝缘状态异常时，向电缆中注入零序电压，然后监测泄露电流I_Δ，此时的泄露电流I_Δ为电缆系统电压和注入零序电压叠加作用产生的，则零序电压单独作用时的泄露电流I为：

各相电缆绝缘泄露电流

此时可将电缆等效为零序电路，可得：

其中，U为零序电压；I为零序电压作用下产生的泄漏电流；j为虚数单位；X_L为滤波电抗；R₁为线路电阻；X₁为线路电抗；R_d为电缆绝缘电阻；ω为角频率；C_d为电缆绝缘电容；

滤波电感及线芯阻抗引入的阻抗值与绝缘电阻相比，忽略不计，可得：

整理上式可得：

根据复数计算可得：

由上式可得：

tanθ＝-ωR_dC_d

可得：

式中，θ为零序电压和零序电压作用产生的泄露电流的相位差；

根据得到的绝缘电阻，查阅相应电缆的绝缘状态表，判断电缆的老化程度。

5.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘状态及故障监测方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

若绝缘电阻值小于等于电缆高阻故障下的阻值范围内最大值，则返回步骤S1，继续收集电缆绝缘泄露电流；

若绝缘电阻值大于电缆高阻故障下的阻值范围内最大值，利用断路器拉闸将电缆断开。

6.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘状态及故障监测方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：

首次采用直流耐压烧穿模块对电缆进行击穿实验；即利用直流耐压烧穿设备接于电缆接头，打开烧穿设备设定电源电压大小，然后设备不间断向电缆注入冲击电压，电缆高阻故障点经过冲击电压，此点会被击穿，高阻故障也变为低阻故障；

接着采用低压脉冲法判断电缆故障点的大致位置：测试时，电缆故障测试仪发射低压脉冲信号，同时开始采样；发射脉冲沿电缆传播，遇到故障点产生反射，反射脉冲回到测试端被仪器记录下来；发射与反射脉冲在采样记录中间隔的时间，对应着脉冲在发生故障位置与测试端之间往返传播一次的时间，已知脉冲在电缆中的运行速度，可以计算出故障点的距离；

式中：V为脉冲传播速度；Δt为脉冲往返传播一次的时间。

7.根据权利要求1所述的一种电缆绝缘状态及故障监测方法，其特征在于，所述步骤S7具体为：

将被测电缆连接到高频发生器输出端口，然后向电缆中注入高频电流；用电磁场感应探头沿初定故障点位置附近的电缆路径探测电磁场的变化情况；根据显示的最大数值确定故障点位置。

Images