簡要分析了電纜故障檢測中最常見的單相接地故障的電流波形，圍繞行波法故障定位闡述了故障電流的行波傳播特征，并介紹了基于行波法的電力電纜故障檢測測距算法。所得結(jié)論可為電力電纜故障檢測的在線診斷提供借鑒。
根據(jù)電纜故障檢測點(diǎn)絕緣電阻的不同，可將故障分為開路故障、低阻故障和高阻故障，而高阻故障又分為泄漏性故障和閃絡(luò)性故障。在這些常見的故障中，發(fā)生頻率最高的是單相接地故障。本文以單相接地故障為基本研究內(nèi)容，分析了基于行波法的電力電纜故障檢測測距算法。
1 單相接地故障波形分析
中性點(diǎn)接地方式有很多種，主要有以下3種，即中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。對于前兩種情況，由于故障發(fā)生時(shí)的電流比較大，所以，比較容易從電流中獲得暫態(tài)信息。而對于后一種情況，由于故障電流比較小，經(jīng)過衰減的故障電流中所攜帶的暫態(tài)信息到達(dá)測量端后不易被識別。
利用PSCAD仿真軟件對直接接地和不接地系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可以得到故障波形的具體特征。小電阻接地故障的波形類似于直接接地，而通過消弧線圈接地故障的波形類似于不接地故障。
設(shè)置A相接地故障，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，得到了電流波形特征，具體如圖1所示。
由圖1可知，在直接接地和不接地方式下，故障電流信號中的高頻信息能夠提供大量的暫態(tài)特征，對故障測距有積極的作用。直接接地系統(tǒng)故障回路的低阻抗使高頻幅值維持在比較低的水平，所以，擴(kuò)大局部環(huán)節(jié)能夠輕易識別出行波在故障點(diǎn)和測量端反射波頭的情況。在中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中，由于不直接接地系統(tǒng)故障回路的阻抗高，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)故障電流變小，高頻信息非常明顯。但是，因?yàn)楦哳l信息本身的幅值比較小，一旦過渡電阻的阻值過大，它的幅值就會更小，實(shí)際的干擾信息會掩蓋這些高頻信息，所以，必須對信號進(jìn)行必要的處理，從而得到有效的故障暫態(tài)信號。
2 故障電流行波傳播特性
2.1 行波傳播特性分析
電纜中共有6個模量，其中，a模、b模、c模是從電纜的屏蔽層注入的，d模、e模、f模是從電纜的導(dǎo)體注入的。在單相接地故障中，對行波的分析主要是對d模的分析。當(dāng)發(fā)生相間短路故障時(shí)，對行波的研究則主要依靠對e模和f模的研究。為了讓行波傳播速度保持同步，研究中只能選用高頻率的信號作為分析對象。在現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用采樣中選用低頻率信號作為研究對象，同時(shí)，還要滿足高頻率信號的高衰減系數(shù)的研究信號頻率不能過高的要求。通過對各種因素的綜合考慮，本文研究對象可以選擇的高頻信號范圍是幾十至幾百千赫茲。
衰減常數(shù)和相位常數(shù)與多種因素密切相關(guān)，比如電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)、長度等。對于低頻率的行波，它可以實(shí)現(xiàn)較長距離的傳送，而且衰減系數(shù)也小。例如，1×104 Hz的行波傳播6 000 m后只衰減了1/10，但是，當(dāng)行波為1×106 Hz時(shí)，其只傳送了200 m就出現(xiàn)了同樣的衰減量。
2.2 電流行波的頻譜分析
為了研究相關(guān)分析的科學(xué)性和高頻信號選擇的可靠性，可以分析電流行波的頻譜，對比、分析不同頻率分量對應(yīng)幅值的結(jié)果可以知曉相關(guān)研究的正確性。
在分析不接地故障的電流波形時(shí)，具體的研究對象為發(fā)生故障時(shí)的電流波形片段，其信號電流波形結(jié)果如圖2所示。圖2中涉及到了對工頻成分和故障行波復(fù)合信號的分析?？紤]到采樣定理，可以將分析信號頻率的最大值確定在這個范圍：|ωk|≤1/2Δt.其中，Δt代表的是采樣間隔，Δω=1/T代表的是頻率的精細(xì)度，T代表的是采樣周期。在此，只分析最高頻率即可。當(dāng)Δt為1/2 μs時(shí)，通過計(jì)算得到頻率最大值為1×106 Hz。提高采樣頻率可以研究更高的頻率。
3 基于行波法的電力電纜故障檢測測距算法分析
一旦電力電纜發(fā)生故障，就會出現(xiàn)在輸電線路上傳播的故障行波。該行波有在故障點(diǎn)和兩端母線處反射、透射的特性。故障波和干擾波可以根據(jù)故障行波的暫態(tài)特性區(qū)分開，結(jié)合小波分析計(jì)算出故障行波到達(dá)檢測點(diǎn)的時(shí)間及其折反射波抵達(dá)檢測點(diǎn)的時(shí)間，從而測定故障距離。
具體算法可以參照圖3.其中，t1、t2和t3分別代表的是故障發(fā)生時(shí)行波抵達(dá)A端母線的時(shí)間點(diǎn)、B端母線反射波抵達(dá)A端母線的時(shí)間點(diǎn)和故障點(diǎn)反射波抵達(dá)A端母線的時(shí)間點(diǎn)。使用小波變換可以得到最初的連續(xù)2個小波變換模極大值之間的時(shí)延和相對極性，進(jìn)而計(jì)算出故障距離。
將第一個模極大值點(diǎn)所對應(yīng)的入射行波波頭到達(dá)的時(shí)間記為tl，第二個模極大值點(diǎn)所對應(yīng)的來自于對端母線或者是故障點(diǎn)的反射波波頭到達(dá)的時(shí)間記為t2或者t3，則模極大值之間的時(shí)延為：
Δt =tl-t2. （1）
Δt =t3-t1. （2）
如果使用來自對端B母線的反射行波，那么，故障距離x為：
x=L-v×Δt/2. （3）
如果使用來自故障點(diǎn)F的反射波，那么，故障距離x為：
x= v×Δt/2. （4）
式（3）（4）中：L為被檢測電纜線路的全長；v為行波線模分量的傳播速度。
本文建立在對單相接地故障電流波形分析的基礎(chǔ)上，以行波法故障定位為中心，利用小波變換等變換域處理方法，通過對行波電流突變點(diǎn)的檢測分析出突變點(diǎn)的時(shí)間特征，從而完成電力電纜故障檢測的在線檢測。
