CN112881863A - 基于护层电流构建新型判据的高压电缆故障在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于护层电流构建新型判据的高压电缆故障在线监测方法。该方法通过测量电缆交叉互联主段首末两端直接接地箱中金属护层接地电流的幅值与相位，并以同一金属护层回路首末两端接地电流幅值与相位的比值、以不同金属护层回路首末两端接地电流相位差的绝对值构造新的特征量，根据多维特征融合建立故障判据对应的特征量矩阵，并利用某高压电缆发生各类故障的历史数据，调整特征量矩阵中相应的参数来提出一套适用于其本身的故障诊断及定位标准。

Description

基于护层电流构建新型判据的高压电缆故障在线监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于护层电流构建新型判据的高压电缆故障在线监测方法，适用于110kV及以上的电压等级，属于电力技术领域。
背景技术
随着输配电电网规模发展速度逐年加快，高压电缆因满足大容量电能的传输要求和保护城市面貌不被破坏等优点在输电***的投运规模越来越大。因此，及时了解电缆的运行状态，保证高压电缆正常运行对电力***的安全和稳定起着至关重要的作用。
高压电缆一般是指运行在电压等级110kV及以上的单芯电缆，单芯电缆的主绝缘外层有一圈金属护层作为屏蔽层，当电流流过电缆线芯时，由于电磁感应原理，会有磁力线交链金属屏蔽层，导致金属护层两端出现感应电压。对于长度在1km以上且电压等级超过110kV的电缆，其护层感应电压往往很高，根据(GB50217-2007)《电力工程电缆设计规程》中的相关规定：金属护层上任意一点的感应电压不得大于50V。因此工程上通常采用金属护层接地的方式隔绝电缆内部场强对外界的影响，达到限制金属护层感应电压的目的。常见的接地方式有：护层直接接地、护层单端接地、护层中点接地以及交叉互联接地。
对于长度在1500m以上的长距离高压电缆的输电***中，一般都采用交叉互联接地方式，通过三相金属护层换位连接来降低金属护层的感应电压和感应电流，其主绝缘通常采用交联聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)。由近20年电缆故障统计数据表明，高压电缆交叉互联接地***中最容易出故障的部位是电缆的中间接头、连接箱和终端等连接部分。
目前对电缆故障在线监测的方法有基于电路模型的分析方法与机器学习等智能分析算法。例如，建立电缆交叉互联接地***的等效模型，利用等效模型来分析不同故障情况下对应的电路模型，通过对电路模型进行仿真，分析不同故障情况下对应特征量的变化来实现电缆故障的在线监测；还有通过支持向量机、逻辑回归、决策树、k近邻、人工神经网络、朴素贝叶斯和集成学习等智能算法对已有特征量参数样本进行模型训练，通过样本训练调整模型参数，得出一套更精确的特征量参数来实现对电缆故障的在线监测，但是不同算法都有各自的缺点，有的难解决大数据样本问题；有的需要花费大量时间与内存；有的对特征量的独立性要求高等。电缆在实际运行工况下，受到多种因素的影响，难以搭建精确的电缆参数模型，因此构建新的判据并调整相关特征量参数为电缆故障在线监测提供新的思路。
发明内容
本发明克服了电缆故障在线监测的中电路模型的分析方法与机器学习等智能分析算法的不足，针对当前高压电缆故障单一参数监测判断准确度低，基于护层电流构建新型判据的高压电缆故障在线监测方法。通过测量电缆交叉互联主段首末两端直接接地箱中金属护层接地电流的幅值与相位，并以同一金属护层回路首末两端接地电流幅值与相位的比值、以不同金属护层回路首末两端接地电流相位差的绝对值构造新的特征量，根据多维特征融合建立故障判据对应的特征量矩阵，并利用某高压电缆发生各类故障的历史数据，调整特征量矩阵中相应的参数来提出一套适用于其本身的故障诊断及定位标准。
附图说明
图1为电缆交叉互联接地***金属护层等效模型。
图2为在线监测原始信号提取示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步描述。
参见图1，电缆交叉互联接地***经过交叉互联后的三个金属护层回路分别为：A1-B2-C3,B1-C2-A3和C1-A2-B3,从金属护层回路流过的电流称为护层电流，护层电流是电缆泄漏电流与护层环流(护层感应电流)的矢量和，经两端直接接地箱流入大地。Re与Rg为交叉互联主段两端的接地电阻；uSAn、uSBn、uSCn(n＝1,2,3)为每小段电缆金属护层的感应电压；ZmAn、ZmBn和ZmCn(n＝1,2,3)为各小段金属护层的等效阻抗；IAn、IBn和ICn(n＝1,2,3)为线芯流向金属护层的总泄漏电流，ILAn、ILBn、ILCn、IRAn、IRBn和IRCn(n＝1,2,3)为泄漏电流在各小段金属护层上的分量；Im1、Im2和Im3分别为流过金属护层A1-B2-C3,B1-C2-A3和C1-A2-B3的护层环流。
参见图2，一个交叉互联主段包括首尾两个直接接地箱(G1,G2)和两个交叉互联接地箱(J1,J2)，9个长度近似相等的电缆金属护层小段(A1,A2……C3)，12个中间接头(JA0,JA1……JC3)。不同段的金属护层通过同轴电缆在交叉互联箱里面完成护层的换位。I1a、I1b、I1c、I2a、I2b、I2c为电流传感器，测的是电缆交叉互联主段金属护层回路首末两端接地电流，且I1a和I2c共同反映金属护层回路A1-B2-C3的运行状况，I1b和I2a共同反映金属护层回路B1-C2-A3的运行状况，I1c和I2b共同反映金属护层回路C1-A2-B3的运行状况。
故6个接地电流可表示为
Figure BDA0002902755580000021
因此构造新的判据如下所示
Figure BDA0002902755580000022
在电缆正常运行状态下，同一金属护层回路首末两端电流的幅值几乎相等(即当两者幅值差小于0.01A时，因为该差值在可接受误差范围内，故可认为两者幅值相等)，且电流相位几乎相同(即当两者相位差小于0.5°时，因为该差值在可接受误差范围内，故可认为两者同相位)，故电缆正常运行时，构造的新特征量满足下式
Figure BDA0002902755580000031
又因为发生中间接头开路故障或中间接头击穿短接故障时，未发生故障的回路也会存在ai∠bi＝1∠0(i＝1，2，3)，构造新的特征量K，K指的是满足关系式ai∠bi＝1∠0(i＝1，2，3)的个数。
为了对护层回路故障进行更精确地区分和定位，对于不同回路之间的电流相位也构造特征量，具体构造方式如下所示
Figure BDA0002902755580000032
式中，tn(n＝1,2,3)是指不同护层回路之间相位差的绝对值。
因此，本文构建反映的电缆金属护层运行状态的特征量矩阵如下所示
[a1 b1 a2 b2 a3 b3 t1 t2 t3 K]
通过金属护层特征量的改变，能反映护层回路发生故障的类型和位置，从而间接实现对电缆运行状态的在线监测。
该发明的技术关键是采集交叉互联主段首末两端直接接地箱中金属护层接地电流的幅值与相位，要以此为基准构造新型判据。

Claims (1)

1.一种基于护层电流构建新型判据的高压电缆故障在线监测方法，其特征在于：通过测量电缆交叉互联主段首末两端直接接地箱中金属护层接地电流的幅值与相位，并以同一金属护层回路首末两端接地电流幅值与相位的比值、以不同金属护层回路首末两端接地电流相位差的绝对值构造新的特征量，根据多维特征融合建立故障判据对应的特征量矩阵，并利用某高压电缆发生各类故障的历史数据，调整特征量矩阵中相应的参数来提出一套适用于其本身的故障诊断及定位标准。
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