考虑脉冲信号传输特性的矿用电缆故障定位方法.pdf

工矿自动化 Ind us t r y and Mine Aut o mat io n 第45卷第11期 2019年11月 Vo l . 45 No . 11 No v. 2019 文章编号 1671-251X201911-0093-05 DOI 10. 13272/j. is s n. 1671-251x . 2019050001 考虑脉冲信号传输特性的矿用电缆故障定位方法 程江洲， 唐阳，谢诗雨， 熊双菊， 王劲峰 三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002 扫码移动阅读 摘要为解决电缆分接头对脉冲信号的反射干扰造成故障定位困难的问题，分析了脉冲信号沿电缆传输 特性脉冲信号幅值、脉宽随传输距离的增加呈单调线性变化。在此基础上提出了一种考虑脉冲信号传输特 性的矿用电缆故障定位方法通过向电缆中注入原始脉冲信号获得反射脉冲信号，根据反射脉冲信号的脉 宽、幅值变化识别电缆故障点反射脉冲信号，从而排除电缆分接头反射脉冲信号的干扰，实现故障准确定位。 搭建了矿用电缆故障定位仿真模型对该方法进行验证，仿真结果表明，该方法具有较高的故障定位精度，定 位误差小于1。 关键词矿用电缆；电缆故障定位；脉冲信号传输特性；反射脉冲识别；行波测距 中图分类号TD611 文献标志码A Mine-us ed c abl e f aul t l o c at io n met h o d c o ns id er ing t r ans mis s io n c h ar ac t er is t ic s o f pul s e s ig nal CHENG Jiang zh o u, TANG Yang , XIE Sh iyu, XIONG Sh uang ju, WANG Jinf eng Co l l eg e o f El ec t r ic al Eng ineer ing and New Ener g y, Ch ina Th r ee Go r g es Univer s it y, Yic h ang 443002, Ch ina Abstrac t In view o d if f ic ul t y in f aul t l o c at io n d ue t o r ef l ec t io n int er f er enc e o f c abl e t ap o n pul s e s ig nal , t r ans mis s io n c h ar ac t er is t ic s o f pul s e s ig nal al o ng c abl e wer e anal yzed , t h at is , ampl it ud e and pul s e wid t h o f pul s e s ig nal c h ang ed l inear l y wit h t h e inc r eas e o f t r ans mis s io n d is t anc e. On t h is bas is , a f aul t l o c at io n met h o d o f mine-us ed c abl e c o ns id er ing t r ans mis s io n c h ar ac t er is t ic s o f pul s e s ig nal was pr o po s ed . Ref l ec t ed pul s e s ig nal is o bt ained by injec t ing o r ig inal pul s e s ig nal int o c abl e, and r ef l ec t ed pul s e s ig nal f r o m c abl e f aul t po int is id ent if ied ac c o r d ing t o var iat io n o f pul s e wid t h and ampl it ud e o f t h e r ef l ec t ed pul s e s ig nal , s o as t o el iminat e int er f er enc e o f t h e r ef l ec t ed pul s e s ig nal f r o m c abl e t ap and r eal ize ac c ur at e f aul t l o c at io n. A mine-us ed c abl e f aul t l o c at io n s imul at io n mo d el was buil t . Th e s imul at io n r es ul t s h o w t h at t h e met h o d h as h ig h f aul t l o c at io n ac c ur ac y and l o c at io n er r o r is l es s t h an 1 . Key w ordsmine-us ed c abl e; c abl e f aul t l o c at io n; t r ans mis s io n c h ar ac t er is t ic s o pul s e s ig nal; r ef l ec t ed pul s e r ec o g nit io n; t r avel ing -wave r ang ing 0引言 煤矿井下配电网多由数段短距离电缆连接而 成，受运行环境影响，井下电缆一旦发生故障，很难 确定故障发生位置，严重降低了电缆供电可靠 性X〕。为保障井下作业安全，快速、准确地定位井 下电缆故障位置十分重要。 目前常用的电缆故障定位方法有阻抗法和行波 法⑷。阻抗法通过测量监测端与故障点之间的阻 抗，根据线路参数求解故障距离。文献［5-6］提出了 收稿日期2019-05-02;修回日期2019-11-03 ；责任编辑盛男 基金项目湖北省科技计划项目技术创新专项重大项目2016AAA040. 作者简介程江洲1979-,男，湖北枝江人，副教授，硕士，研究方向为电器设备状态在线监测及故障诊断技术、智能配电网,E-mail c h eng jiang zh o u c t g u. ed u. c no 引用格式程江洲，唐阳，谢诗雨，等.考虑脉冲信号传输特性的矿用电缆故障定位方法［J］.工矿自动化，2019,451193-97. CHENG Jiang zh o u,TANG YangXIE Sh iyuet al . Mine-us ed c abl e f aul t l o c at io n met h o d c o ns id er ing t r ans mis s io n c h ar ac t er is t ic s o f pul s e s ig nal CJj. Ind us t r y and Mine Aut o mat io n,20194511 93-97. 94 工矿自动化第45卷 利用Pr o ny算法提取电缆特征参数，在考虑电缆频 率特性的基础上根据电缆的过渡阻抗计算电缆的故 障距离，实现故障定位，但该方法主要以X模型电缆 为研究对象，并没有包含所有参数的频率相关性。 行波法根据脉冲信号由信号发射器到故障点间往返 1次的时间差实现故障定位与阻抗法相比，行 波法不受电缆故障类型及过渡电阻的影响，具有较 高的定位精度。文献［8-9］利用小波变换和模极大 值法识别波形畸变点，通过双端测距法计算电缆故 障点位置，但双端测距法对电缆双端监测设备的同 步性要求极高。文献［10-11］提出了基于经验模态 分解的电缆双端定位方法，通过对行波进行经验模 态分解实现故障高频成分提取与噪声消除，然后通 过计算故障信号的能量确定初始行波到达时刻，该 方法解决了双端测距法对监测设备同步性要求高的 问题，但需要对每组数据进行多次监测，因此对监测 数据的准确性要求很高，在实际应用中实现难度较 大。文献口2］将多小波理论应用于煤矿井下电缆故 障定位，可实现对局部瞬态信号和波形突变点的精 细化分析，对数据的整体准确度要求较低，但未考虑 电缆分接头对脉冲信号的反射干扰问题。 本文提出了一种考虑脉冲信号传输特性的矿用 电缆故障定位方法，该方法根据脉冲信号参数的变 化识别故障点反射脉冲，进而实现故障定位。通过 PSCAD/EMTDC搭建仿真模型验证了该方法可 行，且具有较高的定位精度。 1脉冲信号传输特性分析 为准确分析脉冲信号沿电缆传输过程中的变化 规律，以交联聚乙烯电缆XLPE为研究对象，根据 XLPE结构选择合适的电缆模型并设置相关电缆参 数，利用PSCAD/EMTDC建立仿真模型。 1. 1 脉冲信号 电缆中电信号以电磁波形式沿电缆传输⑴皿， 本文利用高斯脉冲函数模拟原始脉冲信号 式中“t 为原始脉冲信号瞬时值；U。为原始脉冲 信号幅值“为时间；a为位置参数y为时间尺度 因子。 1.2 电缆模型 PSCAD/EMTDC中提供了 2种不同类型的电 缆模型，其中Ber g er o n模型仅能准确表示基频模 型，反映参数在特定频率处的频率相关性，而频率相 关相域模型本质上是分布式RLC行波模型，包含了 所有参数的频率相关性，是一种更先进的时域模 型「对。因此选择频率相关相域模型建立电缆模型, 如图1所示，具体参数见表1。 0 m 7777777777777777777777 .022 0 m 0.039 5 m 0.044 0 m 0.047 5 m 0.058 3 m 0.063 5 m 图1电缆模型 导体 绝缘层 金属护层 填充层 铠装层 外护层 Tabl e 1 Cabl e par amet er s Fig . 1 Cabl e mo d el 表1电缆参数 参数设置值 导体电阻率/Q・m 1.7X10-8 绝缘层相对介电常数2.3 绝缘层相对磁导率 5. 5 电缆埋设深度/m 2 利用PSCAD/EMTDC建立脉冲信号沿电缆传 输仿真模型，如图2所示。原始脉冲信号从电缆首 端注入电缆，沿电缆设置“个信号接收器监测脉冲 信号，即可得到经不同距离传输后的脉冲信号波形。 图2脉冲信号沿电缆传输仿真模型 Fig . 2 Simul at io n mo d el o f pul s e s ig nal t r ans mis s io n al o ng c abl e 1.3 传输特性 假定外部环境噪声信号不会对测试电缆中脉冲 信号产生电磁干扰，经不同传输距离后的脉冲信号 波形如图3所示。由图3可看岀，随着脉冲信号在 电缆中传输距离的增加，脉冲信号幅值呈明显衰减 趋势，但无法直接判断脉冲信号的脉宽变化趋势。 将图3中各脉冲信号幅值量化，并与传输距离 进行拟合，得到脉冲信号幅值与传输距离的拟合关 系曲线，如图4所示，其中纵坐标为脉冲信号幅值与 原始脉冲信号幅值的比值。由图4可看出，在不考 虑电缆具体结构与分布的情况下，脉冲信号幅值沿 电缆传输呈线性单调衰减状态。 提取图3中各脉冲信号脉宽，得到脉冲信号脉 宽与传输距离的拟合关系曲线，如图5所示，其中纵 坐标为脉冲信号脉宽与原始脉冲信号脉宽的比值。 2019年第11期程江洲等考虑脉冲信号传输特性的矿用电缆故障定位方法 ・95・ n m o m o m o m Mo oo oo oo oo Mo oo x oo n m o m o m o m Mo oo oo oo oo Mo oo x oo m o oo oo oo o2 4 6 8 02 4 6 m o oo oo oo o2 4 6 8 02 4 6 0 2 4 6 8 1 1 1 1 1 2 2 2 2 0 2 4 6 8 1 1 1 1 1 2 2 2 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 时间/ns 图3不同传输距离下脉冲信号波形 Fig . 3 Pul s e s ig nal wavef o r ms und er d if f er ent t r ans mis s io n d is t anc es 图4脉冲信号幅值与传输距离的拟合关系曲线 Fig . 4 Fit t ing r el at io n c ur ve o f pul s e s ig nal ampl it ud e and t r ans mis s io n d is t anc e A、出餵 图5脉冲信号脉宽与传输距离的拟合关系曲线 Fig . 5 Fit t ing r el at io n c ur ve o f pul s e wid t h o f pul s e s ig nal and t r ans mis s io n d is t anc e 由图5可看出，随着脉冲信号在电缆中传输距 离的增加，脉冲信号脉宽呈增大趋势，传输距离越 远，脉冲信号脉宽增大越快。因此利用行波法进行 电缆故障定位时，脉冲信号在电缆中传输距离越远, 电缆对脉冲信号的畸变作用越强，对故障点反射脉 冲信号的识别难度越大。 2矿用电缆故障定位方法 2. 1 方法原理 根据图4和图5可知，脉冲信号在电缆中传输 时，脉冲信号幅值、脉宽随传输距离的增加呈单调线 性变化，即在经过一定距离的电缆传输后，脉冲信号 的波形参数变化与传输距离呈一一对应关系。因此 可根据反射脉冲信号的参数变化规律确定电缆分接 头的反射脉冲信号，从而滤除不相干信号的干扰，快 速识别故障点反射脉冲信号，实现故障点准确定位。 矿用电缆故障定位流程如图6所示，具体步骤如下。 sp A 图6矿用电缆故障定位流程 Fig . 6 Fl o w o f mine-us ed c abl e f aul t l o c at io n 步骤1利用高斯脉冲函数模拟原始脉冲信号, 确定脉冲信号在电缆中的传输规律，得到第m（m 1,2,,M,M为电缆分接头数）个电缆分接头反射 脉冲信号对应的脉宽W”，建立电缆分接头反射脉 冲信号脉宽数据库。 步骤2电缆发生故障时，由电缆一端注入脉冲 信号，记脉冲注入时间为仏、原始脉冲信号脉宽为 W。，采集反射脉冲信号波形，利用小波变换和模极 大值法提取波形奇异点并确定第2,,, ［为采集到的脉冲信号数）个奇异点对应的时刻右。 步骤3计算t ,时刻对应的反射脉冲信号幅值 U,和脉宽W,。 步骤4将反射脉冲信号脉宽W,与电缆分接头 反射脉冲信号脉宽数据库中W”比较，若W； 则判断时刻的反射脉冲信号为电缆分接头反射 脉冲信号。 步骤5将反射脉冲信号的幅值U,和脉宽W,. 分别与原始脉冲信号的幅值5和脉宽对比，若 UU0或，则判断t .时刻的反射脉冲信号 96 工矿自动化第45卷 为电缆分接头反射脉冲信号。 步骤6重复步骤3步骤5,直至排除全部电 缆分接头反射脉冲信号，筛选出故障点反射脉冲，确 定故障点反射脉冲对应的时刻佐，则故障距离为 lc 士沁 2 式中u为脉冲信号在电缆中传输速度。 2. 2 方法验证 为验证本文方法的有效性，利用PSCAD/ EMTDC搭建电缆故障定位仿真模型，如图7所示。 主线中电缆 Cabl el, Cabl e2, Cabl e4, Cabl e6 长度分 别为500,700,200,250 m,在电缆故障点未接入电 缆的状态下，测得电缆2个分接头反射脉冲信号脉 宽分别为 53. 25,66. 77 IS1IA1, Al l STT ,Cabl e 1 XCIX Cabl e 11__1 Cah l e*Cah l e2lr -i 4 小 r .4 c iCl 4Cl EalEa2 士-L. 三 t SUA] AUg l T“ ”晶123七|卩 Cabl e3 丄 二 NKabl e3€ Cl 1.0 Q - |S1PM A1|S1| 4Cabl e4Sf jf Cbk 4FCl IS1IA1 A】T] VCabl e6R 一Al 毎厂 |0.000 2 Timed Br eak er Lo g ic Opent O Faul t Timed Faul t Lo g ic 图7电缆故障定位仿真模型 Fig . 7 Cabl e f aul t l o c at io n s imul at io n mo d el 仿真模型中设置了 1个故障点、2个电缆分接 头，因此脉冲信号中包含了故障点反射脉冲信号与 电缆分接头反射脉冲信号。电缆首端监测的脉冲信 号波形如图8所示。取前5个脉冲信号，自左至右 依次编号So -S4,利用小波变换确定各脉冲信号的 对应时刻，并依次提取各脉冲信号的脉宽，见表2。 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 亩0.1 莊0 -0.1 ・0.2 ■0.3 -0.4 0.190 0.195 0.200 0.205 0.210 0.215 0.220 0.225 0.230 时间/ms 图8脉冲信号波形 Fig . 8 Pul s e s ig nal wavef o r m 表2脉冲信号参数 Tabl e 2 Pul s e s ig nal par amet er s 参数 SoSis2s3s4 时刻/ms0.200 00.206 80.213 60.216 20. 219 0 脉宽/ps49. 7053. 2360. 1963. 1766. 75 往返传输1次的时间间隔和02，故可求解脉冲 信号分别在心长度电缆中传输速度s和也长度 电缆中传输速度5 2Z„i Aii 22辺 2X500 0. 206 8 0. 2 〜147 058. 82 2X1 400 0. 219 0-0. 2 147 368.42 则脉冲信号在电缆中传输速度平均值为 5 丁 S 147 213. 62 根据各脉冲信号对应时刻及各段电缆长度可计 算出脉冲信号So与S3到达电缆首端的时间间隔 4、预设的电缆故障距离A，则电缆故障定位距离Ze 和定位误差e分别为 ,_△□ _. 216 2 0. 2X147 213. 62 _ Zc l m _ -2 2 1 192.43 el Az Al X 100 I 1 2。。「打严 4吐 X 100 /f 1 zo o 0. 631 由计算结果可知，利用本文方法得到的故障定 位误差小于1,具有较高的准确性。 由表2可知，So为原始脉冲信号；Si和S。脉宽 与已知的分接头反射脉冲信号脉宽53. 25,66. 77 相近，由此可判断S】和S为电缆分接头反射脉冲 信号；S2极性与Sj.Ss .S,不同，可判断S为电缆末 端接地点反射脉冲信号；易脉宽与电缆分接头脉宽 相差较大，故S3为电缆故障点反射脉冲信号。 根据各段电缆长度可计算出2处电缆分接头分 别距电缆首端距离岛和人2,根据各脉冲信号对应 时刻可计算出脉冲信号分别在人和仁2长度电缆中 3结论 1 随着脉冲信号在电缆中传输距离的增加， 脉冲信号幅值呈线性衰减，而脉冲信号脉宽增大速 度越来越快，脉冲信号幅值、脉宽均呈单调性变化。 2 在一定电缆长度范围内，利用反射脉冲信 号脉宽、幅值变化能有效区分电缆分接头反射脉冲 与故障点反射脉冲，快速实现故障定位，并且具有较 高的准确性。 3 研究脉冲信号沿电缆传输特性时，电缆长 2019年第11期程江洲等考虑脉冲信号传输特性的矿用电缆故障定位方法 ・97・ 度有限，缺少对脉冲信号沿远距离电缆传输规律的 分析。同时本文只考虑了电缆分接头反射脉冲对电 缆故障定位的干扰，在后期研究中需要进一步排除 其他类型噪声脉冲信号对故障定位的干扰。 参考文献Referenc es [1]王兵，吴文明，王太辉.35 k V级交联聚乙烯单芯电缆 接地故障的处理[J].煤矿现代化，2013增刊15 WANG Bing , WU Wenming , WANG Taih ui. 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