CN105699856A - 一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***及方法。所述的电缆由多段长度和横截面积均不相同的线缆通过绝缘接头连接而成，所述的电缆故障定位***包括故障电缆、参考电缆、短接线(6)、接地开关、数据采集单元、线缆电阻检测单元和处理器单元(5)，所述的故障电缆和参考电缆一端为参考端，另一端为测试端，故障电缆和参考电缆参考端通过短接线(6)连接，故障电缆参考端还通过接地开关接地，所述的线缆电阻检测单元分别连接故障电缆和参考电缆的测试端，所述的数据采集单元和线缆电阻检测单元均连接至处理器单元(5)。与现有技术相比，本发明具有测试方便，自动化程度高，故障定位结果精度高等优点。

Description

一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***及方法

技术领域

本发明涉及一种电缆故障定位***及方法，尤其是涉及一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***及方法。

背景技术

高压电缆以其占地少、敷设方便、人身安全保障、供电可靠性高、维护工作量少等优点在高压输变电网络中得到了广泛应用。网络中的电缆，也是一个复杂的***，可能含有GIS终端；可能含有T接头或Y接头；可能为长线路，包含多个交叉互联段。电缆一旦发生绝缘击穿，往往几天无法定位故障点，拖延供电时间，降低供电可靠性。

目前市场上对于高压超高压输变电网络中电缆故障定位主要利用Murray电桥法和行波反射法两种。

Murray电桥法是对击穿点定位的经典方法，如图1，通过短接线将A相和B相连接，但电桥只能得到千分比P‰，人工计算故障点距离，即图1中X终端距故障点F的距离L₁，计算公式如下：

L₁＝(2L+L′_d)×P‰，

$L_d^{\′}=L_d\×\frac{S}{S_d},$

其中，L为每相电缆的全长度，L_d为短接线长度，S为电缆的截面积，S_d为短接线的截面积，由于短接线参与电桥平衡，因此需要换算成与电缆等截面的长度并参与计算，短接线通常采用截面积较小的短接线，从而测得的短接线截面积S_d误差较大，导致L′_d误差也很大，严重影响了定位精度。假定电缆长度为L为1000m，截面积S为1000mm²，短接线长度L_d为10m，截面积S_d为16mm²(实际截面积为12mm²)，电桥平衡后千分比读数为30‰。表1为测试结果对比表，可以看出测试值比理论值小了63m，具有较大的误差。

表1测试结果对比表

	电缆全长L＝2L+L′d	故障点距离L1＝(2L+L′d)×P‰
			理论值	2833m	L1＝850m
测试值	2625m	L1＝787m

另外还有些场景下，Murray电桥法也无法定位，分别为：

(1)临近运行电缆的负荷电流产生工频磁场，在检流计的2端M、X形成可能超过200V的工频电压，而用于定位的直流电位差不过毫伏级。因此，检流计容易损坏，或者不能平衡，或因为交流参与电桥平衡，定位比例误差很大；

(2)电缆线路长，每段电缆导体截面积不同，导体材料有铜芯或铝芯，需要人工把被测电缆和辅助电缆换算成同等截面相同材料，工作量大误差也大。

行波反射法主要是二次脉冲法、三次脉冲法和脉冲电流法。但因高压电缆拥有交叉互联、T接头，波阻抗产生突变，使定位反射波十分复杂，难以定位，高压脉冲在该点也有能量损失，难以到达远处。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于智能采集与分析的复杂电缆故障定位***及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***，所述的电缆由多段长度和横截面积均不相同的线缆通过绝缘接头连接而成，所述的电缆故障定位***包括故障电缆、参考电缆、短接线、接地开关、数据采集单元、线缆电阻检测单元和处理器单元，所述的故障电缆和参考电缆一端为参考端，另一端为测试端，故障电缆和参考电缆参考端通过短接线连接，故障电缆参考端还通过接地开关接地，所述的线缆电阻检测单元分别连接故障电缆和参考电缆的测试端，所述的数据采集单元和线缆电阻检测单元均连接至处理器单元；

数据采集单元采集故障电缆中各段线缆的线缆信息并进行统一化得到线缆统一化总长度L，接地开关打开时，线缆电阻检测单元检测电压电流信息并发送至处理器单元，处理器单元获取故障电缆测试端至故障点间的线缆电阻R₁，接地开关闭合时，线缆电阻检测单元检测电压电流信息并发送至处理器单元，处理器单元获取故障线缆测试端至参考端的线缆电阻R₂，处理器单元根据L_x＝L×(R₁/R₂)获得故障电缆测试端至故障点的统一化距离L_x，进而处理器单元根据L_x和各段线缆的线缆信息换算出故障电缆测试端至故障点的实际距离L_x′。

所述的数据采集单元包括手动输入线缆信息的数字操作旋钮，所述的数字操作旋钮连接处理器单元。

所述的线缆信息包括线缆长度、线缆截面积和线缆电阻率。

所述的线缆电阻检测单元包括高压恒流源、采样电阻、电流采集器和电压采集器，所述的高压恒流源通过采样电阻连接故障电缆测试端，所述的电流采集器连接于采样电阻两端，所述的电压采集器并联于故障电缆测试端和参考电缆测试端之间；

接地开关打开时，电流采集器采集电流为I₁，电压采集器采集电压为U₁，从而获取线缆电阻R₁＝U₁/I₁；接地开关闭合时，电流采集器采集电流为I₂、电压采集器采集电压为U₂，从而获取线缆电阻R₂＝U₂/I₂。

该电缆故障定位***还包括显示单元，所述的显示单元连接处理器单元。

一种基于智能采集与分析的电缆故障定位方法，该方法包括如下步骤：

(1)将故障电缆中每一段线缆从测试端依次标号为D_i，其中i＝1,2……n，n为组成故障电缆的线缆总段数，处理器单元采集故障电缆中第i段线缆D_i的线缆信息并发送至处理器单元，其中第i段线缆D_i的线缆信息包括线缆长度为L_i、截面积为S_i和线缆电阻率为ρ_i；

(2)处理器单元以第一段线缆为基准线缆，对第二段线缆至第n段线缆进行统一化，根据下式计算出第二段线缆至第n段线缆的统一化长度：

${L_j}^{\′}=L_j\×\frac{S_1}{S_j}\×\frac{{\mathrm{\ρ}}_j}{{\mathrm{\ρ}}_1},$

其中j＝2,3……n；

(3)处理器单元获取故障线缆统一化总长度L：

$L=L_1+\underset{j=2}{\overset{n}{\Σ}}{L_i}^{\′};$

(4)打开接地开关，线缆电阻检测单元获取故障电缆测试端至故障点间的线缆电阻R₁；

(5)关闭接地开关，线缆电阻检测单元获取故障线缆测试端至参考端间的线缆电阻R₂；

(6)根据L_x＝L×(R₁/R₂)计算得到故障电缆测试端至故障点的统一化距离L_x；

(7)根据下式换算出故障电缆测试端至故障点的实际距离L_x′：

${L_x}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{L}_x& L_x\&le;L_1\\ L_1+(L_x-L_1)\&times;\frac{S_2}{S_1}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_2}& L_1<L_x\&le;L_1+{L_2}^{\&prime;}\\ \underset{k=1}{\overset{j}{\&Sigma;}}{L}_k+(L_x-L_1-\underset{p=2}{\overset{j}{\&Sigma;}}{L_p}^{\&prime;})\&times;\frac{S_{j+1}}{S_1}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_{j+1}}& L_1+{L_2}^{\&prime;}+...+{L_j}^{\&prime;}<L_x\&le;L_1+{L_2}^{\&prime;}+...+{L_j}^{\&prime;}+{L_{j+1}}^{\&prime;},j=2,3...n\end{array}\right..$

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明数据采集单元采集故障电缆中各段线缆的线缆信息并进行统一化得到线缆统一化总长度L，将故障电缆中不同材料不同截面积线缆换算成相同截面相同导体材料的等效电缆长度，整个过程由处理器单元自行运算，自动化程度高，同时利用线缆电阻检测单元检测的电阻电压比，反推出故障电缆中故障点与测试端的距离，测试结果精度高；

(2)本发明的故障定位方法能有效提高电缆故障查找效率，缩短停电时间，提高供电可靠性，具有很好的市场应用价值。

附图说明

图1为Murray电桥法故障定位原理示意图；

图2为三相电缆***线路图；

图3为三相电缆***故障定位测试第一步操作线路图；

图4为三相电缆***故障定位测试第二步操作线路图。

图中，1为高压恒流源，2为采样电阻，3为电流采集器，4为电压采集器，5为处理器单元，6为短接线，J1为第一导电夹，J2为第二导电夹，J3为第三导电夹，J4为第四导电夹。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***，电缆由多段长度和横截面积均不相同的线缆通过绝缘接头连接而成，电缆故障定位***包括故障电缆、参考电缆、短接线6、接地开关、数据采集单元、线缆电阻检测单元和处理器单元5，故障电缆和参考电缆一端为参考端，另一端为测试端，故障电缆和参考电缆参考端通过短接线6连接，短接线6采用细短接线，故障电缆参考端还通过接地开关接地，线缆电阻检测单元分别连接故障电缆和参考电缆的测试端，数据采集单元和线缆电阻检测单元均连接至处理器单元5；数据采集单元采集故障电缆中各段线缆的线缆信息并进行统一化得到线缆统一化总长度L，接地开关打开时，线缆电阻检测单元检测电压电流信息并发送至处理器单元5，处理器单元5获取故障电缆测试端至故障点间的线缆电阻R₁，接地开关闭合时，线缆电阻检测单元检测电压电流信息并发送至处理器单元5，处理器单元5获取故障线缆测试端至参考端的线缆电阻R₂，处理器单元5根据L_x＝L×(R₁/R₂)获得故障电缆测试端至故障点的统一化距离L_x，进而处理器单元5根据L_x和各段线缆的线缆信息换算出故障电缆测试端至故障点的实际距离L_x′。

数据采集单元包括手动输入线缆信息的数字操作旋钮，数字操作旋钮连接处理器单元5，相当于计算机键盘，可提供用户对该定位***进行参数设置和对定位***进行操作控制。线缆信息包括线缆长度、线缆截面积和线缆电阻率。线缆电阻检测单元包括高压恒流源1、采样电阻2、电流采集器3和电压采集器4，高压恒流源1通过采样电阻2连接故障电缆测试端，电流采集器3连接于采样电阻2两端，电压采集器4并联于故障电缆测试端和参考电缆测试端之间；接地开关打开时，电流采集器3采集电流为I₁，电压采集器4采集电压为U₁，从而获取线缆电阻R₁＝U₁/I₁；接地开关闭合时，电流采集器3采集电流为I₂、电压采集器4采集电压为U₂，从而获取线缆电阻R₂＝U₂/I₂。该电缆故障定位***还包括显示单元，显示单元连接处理器单元5。

一种基于智能采集与分析的电缆故障定位方法，该方法包括如下步骤：

(1)将故障电缆中每一段线缆从测试端依次标号为D_i，其中i＝1,2……n，n为组成故障电缆的线缆总段数，处理器单元5采集故障电缆中第i段线缆D_i的线缆信息并发送至处理器单元5，其中第i段线缆D_i的线缆信息包括线缆长度为L_i、截面积为S_i和线缆电阻率为ρ_i；

(2)处理器单元5以第一段线缆为基准线缆，对第二段线缆至第n段线缆进行统一化，根据下式计算出第二段线缆至第n段线缆的统一化长度：

${L_j}^{\&prime;}=L_j\&times;\frac{S_1}{S_j}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_j}{{\mathrm{\&rho;}}_1},$

其中j＝2,3……n；

(3)处理器单元5获取故障线缆统一化总长度L：

$L=L_1+\underset{j=2}{\overset{n}{\&Sigma;}}{L_i}^{\&prime;};$

(4)打开接地开关，线缆电阻检测单元获取故障电缆测试端至故障点间的线缆电阻R₁；

(5)关闭接地开关，线缆电阻检测单元获取故障线缆测试端至参考端间的线缆电阻R₂；

(6)根据L_x＝L×(R₁/R₂)计算得到故障电缆测试端至故障点的统一化距离L_x；

(7)根据下式换算出故障电缆测试端至故障点的实际距离L_x′：

${L_x}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{L}_x& L_x\&le;L_1\\ L_1+(L_x-L_1)\&times;\frac{S_2}{S_1}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_2}& L_1<L_x\&le;L_1+{L_2}^{\&prime;}\\ \underset{k=1}{\overset{j}{\&Sigma;}}{L}_k+(L_x-L_1-\underset{p=2}{\overset{j}{\&Sigma;}}{L_p}^{\&prime;})\&times;\frac{S_{j+1}}{S_1}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_{j+1}}& L_1+{L_2}^{\&prime;}+...+{L_j}^{\&prime;}<L_x\&le;L_1+{L_2}^{\&prime;}+...+{L_j}^{\&prime;}+{L_{j+1}}^{\&prime;},j=2,3...n\end{array}\right..$

以三相电缆***线为例，采用上述电缆故障定位***和方法进行故障电位。如图2所示为三相电缆***线路图，含有A、B、C三相，一端为户外终端，图中A、B、C三相户外终端对应为AN1、BN1和CN1，另一端为气体绝缘终端(GIS)，图中A、B、C三相气体绝缘终端对应为AG1、BG1和CG1，三相电缆均通过三段长度和横截面积均不相同的线缆通过绝缘接头连接而成，图中绝缘接头分别为AIJ1、AIJ2、BIJ1、BIJ2、CIJ1和CIJ2，故障点在C相F处，RF为故障电阻。

如图3、图4所示，C相位故障电缆，选取A相电缆为参考电缆，故障电缆和参考电缆气体绝缘端为参考端，户外终端为测试端，故障电缆和参考电缆参考端通过短接线6连接，故障电缆参考端还通过接地开关接地，图中接地开关为K3，短接线6一端通过第三导电夹J3连接参考电缆参考端，另一端通过第四导电夹J4连接故障电缆参考端，接地开关连接第四导电夹J4。线缆电阻检测单元包括高压恒流源1、采样电阻2、电流采集器3和电压采集器4，高压恒流源1通过采样电阻2连接故障电缆测试端，图中通过第二开关K2与故障线缆上的第二导电夹J2连接，同时采样电阻2还通过第一开关K2连接参考电缆上的第一导电夹J1，电流采集器3连接于采样电阻2两端，电压采集器4两端分别连接第一导电夹J1和第二导电夹J2，电流采集器3和电压采集器4均连接至处理器单元5。

测试前，首先向处理器单元5输入故障电缆中的三段线缆的线缆信息，包括线缆长度L₁、L₂、L₃，截面积为S₁、S₂、S₃和线缆电阻率ρ₁、ρ₂、ρ₃。处理器单元5自动进行处理，可计算出每一段电缆绝缘接头位置信息，即计算每个绝缘电缆接头的占线路全长的百分比，并可通过列表形式在显示单元中进行显示。

然后通过两步测试法进行定位测试，第一步，如图3所示，图中第一开关K1打开，第二开关K2闭合，接地开关K3打开，电流采集器3测得电流为I₁，电压采集器4采集电压为U₁，由于接地开关K3打开，因此，此时参考电缆测试端、参考电缆参考端、故障电缆参考端和故障点电位相同，电流从高压恒流源1流出经过采样电阻2流经故障线缆测试端，并通过故障电阻RF流回大地，形成电流回路，因此测得的电流I₁为故障线缆测试端至故障点之间的电流大小，电压U₁为故障线缆测试端至故障点之间的电压大小。第二步，如图4所示，第一开关K1打开，第二开关K2闭合，接地开关K3闭合，电流采集器3测得电流为I₂，电压采集器4采集电压为U₂，由于接地开关K3接地，此时电流从高压恒流源1流出经过采样电阻2流经故障线缆测试端，并直接流至故障电缆参考端并流至大地，形成电流回路，因此测得的电流I₂为故障线缆测试端至参考端之间的电流大小，电压U₂为故障线缆测试端至参考端之间的电压大小。

采集的微小直流电压U₁、U₂和电流I₁、I₂发送至处理器单元5，处理器单元5进行智能化计算，进一步滤波，剔除无用信息，对数据进行分析计算，从而得到电缆故障点的位置信息。具体的处理器单元5以第一段线缆为基准线缆，对第二段线缆和第3段线缆进行统一化，根据下式计算出第二段线缆好第3段线缆的统一化长度：

${L_2}^{\&prime;}=L_2\&times;\frac{S_1}{S_2}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_2}{{\mathrm{\&rho;}}_1},{L_3}^{\&prime;}=L_3\&times;\frac{S_1}{S_3}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_3}{{\mathrm{\&rho;}}_1};$

进而得到故障线缆统一化总长度L：

L＝L₁+L₂′+L₃′；

获取故障线缆测试端至故障点之间的线缆电阻R₁＝U₁/I₁，获取故障线缆测试端至参考端之间的线缆电阻R₂＝U₂/I₂，根据L_x＝L×(R₁/R₂)计算得到故障电缆测试端至故障点的统一化距离L_x。然后在根据各段线缆的线缆截面积和电阻率进行反统一化，得到各段线缆的线缆信息换算出故障电缆测试端至故障点的实际距离L_x′，具体为：

${L_x}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{L}_x& L_x\&le;L_1\\ L_1+(L_x-L_1)\&times;\frac{S_2}{S_1}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_2}& L_1<L_x\&le;L_1+{L_2}^{\&prime;}\\ L_1+L_2+(L_x-L_1-{L_2}^{\&prime;})\&times;\frac{S_3}{S_1}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_3}& L_x>L_1+{L_2}^{\&prime;}\end{array}\right..$

最后测得的结果可以通过显示单元进行显示。

Claims (6)

1.一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***，所述的电缆由多段长度和横截面积均不相同的线缆通过绝缘接头连接而成，其特征在于，所述的电缆故障定位***包括故障电缆、参考电缆、短接线(6)、接地开关、数据采集单元、线缆电阻检测单元和处理器单元(5)，所述的故障电缆和参考电缆一端为参考端，另一端为测试端，故障电缆和参考电缆参考端通过短接线(6)连接，故障电缆参考端还通过接地开关接地，所述的线缆电阻检测单元分别连接故障电缆和参考电缆的测试端，所述的数据采集单元和线缆电阻检测单元均连接至处理器单元(5)；

数据采集单元采集故障电缆中各段线缆的线缆信息并进行统一化得到线缆统一化总长度L，接地开关打开时，线缆电阻检测单元检测电压电流信息并发送至处理器单元(5)，处理器单元(5)获取故障电缆测试端至故障点间的线缆电阻R₁，接地开关闭合时，线缆电阻检测单元检测电压电流信息并发送至处理器单元(5)，处理器单元(5)获取故障线缆测试端至参考端的线缆电阻R₂，处理器单元(5)根据L_x＝L×(R₁/R₂)获得故障电缆测试端至故障点的统一化距离L_x，进而处理器单元(5)根据L_x和各段线缆的线缆信息换算出故障电缆测试端至故障点的实际距离L_x′。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***，其特征在于，所述的数据采集单元包括手动输入线缆信息的数字操作旋钮，所述的数字操作旋钮连接处理器单元(5)。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***，其特征在于，所述的线缆信息包括线缆长度、线缆截面积和线缆电阻率。

4.根据权利要求1所述的一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***，其特征在于，所述的线缆电阻检测单元包括高压恒流源(1)、采样电阻(2)、电流采集器(3)和电压采集器(4)，所述的高压恒流源(1)通过采样电阻(2)连接故障电缆测试端，所述的电流采集器(3)连接于采样电阻(2)两端，所述的电压采集器(4)并联于故障电缆测试端和参考电缆测试端之间；

接地开关打开时，电流采集器(3)采集电流为I₁，电压采集器(4)采集电压为U₁，从而获取线缆电阻R₁＝U₁/I₁；接地开关闭合时，电流采集器(3)采集电流为I₂、电压采集器(4)采集电压为U₂，从而获取线缆电阻R₂＝U₂/I₂。

5.根据权利要求1所述的一种基于智能采集与分析的电缆故障定位***，其特征在于，该电缆故障定位***还包括显示单元，所述的显示单元连接处理器单元(5)。

6.一种采用如权利要求1所述的基于智能采集与分析的电缆故障定位***的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将故障电缆中每一段线缆从测试端依次标号为D_i，其中i＝1,2……n，n为组成故障电缆的线缆总段数，处理器单元(5)采集故障电缆中第i段线缆D_i的线缆信息并发送至处理器单元(5)，其中第i段线缆D_i的线缆信息包括线缆长度为L_i、截面积为S_i和线缆电阻率为ρ_i；

(2)处理器单元(5)以第一段线缆为基准线缆，对第二段线缆至第n段线缆进行统一化，根据下式计算出第二段线缆至第n段线缆的统一化长度：

${L_j}^{\&prime;}=L_j\&times;\frac{S_1}{S_j}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_j}{{\mathrm{\&rho;}}_1},$

其中j＝2,3……n；

(3)处理器单元(5)获取故障线缆统一化总长度L：

$L=L_1+\underset{j=2}{\overset{n}{\&Sigma;}}{L_i}^{\&prime;};$

(4)打开接地开关，线缆电阻检测单元获取故障电缆测试端至故障点间的线缆电阻R₁；

(5)关闭接地开关，线缆电阻检测单元获取故障线缆测试端至参考端间的线缆电阻R₂；

(6)根据L_x＝L×(R₁/R₂)计算得到故障电缆测试端至故障点的统一化距离L_x；

(7)根据下式换算出故障电缆测试端至故障点的实际距离L_x′：

${L_x}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{L}_x& L_x\&le;L_1\\ L_1+(L_x-L_1)\&times;\frac{S_2}{S_1}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_2}& L_1<L_x\&le;L_1+{L_2}^{\&prime;}\\ \underset{k=1}{\overset{j}{\&Sigma;}}{L}_k+\left(L_x-L_1-\underset{p=2}{\overset{j}{\&Sigma;}}{L_p}^{\&prime;}\right)\&times;\frac{S_{j+1}}{S_1}\&times;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_{j+1}}& L_1+{L_2}^{\&prime;}+\mathrm{...}+{L_j}^{\&prime;}<L_x\&le;L_1+{L_2}^{\&prime;}+\mathrm{...}+{L_j}^{\&prime;}+{L_{j+1}}^{\&prime;},j=2,\mathrm{3...}n\end{array}\right..$