电缆故障测试高压电桥-电缆故障定位系统的技术参数
王志立++夏传鲲
摘 要：针对高压电缆故障如何做出精确定位问题，设计了基于脉冲注入的局部放电定位法的高压电缆故障定位装置。该装置以DSP+FPGA双CPU为核心，在电缆本体或者屏蔽接地线上安装高频电磁耦合传感器，局部放电（PD）脉冲信号在电缆屏蔽层中会被感应到，经FPGA处理模块反应与DSP控制传输送至后台管理软件，可快速精确判断电缆故障所在位置。经实验室及现场试验分析证明了该装置的有效性和准确性。
关键词：高压电缆 脉冲注入 局部放电 故障定位
中图分类号：TH762 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（b）-0036-03
Abstract： Aiming at the problem of how to locate the fault of high-voltage cable， this paper introduces a high-voltage cable fault locating device based on partial injection discharge. The device uses the DSP + FPGA dual CPU as the core to sense the partial discharge （PD） pulse signal in the cable shielding layer through the high frequency electromagnetic coupling sensor installed on the shielding grounding wire or the cable body， The FPGA processing module response and DSP control transmission to the background management software， can quickly and accurately determine the point where the cable fault. The validity and accuracy of the method are proved by laboratory and field test.
Key Words： High-voltage cable； Pulse injection； Partial discharge； Fault location
隨着社会的不断发展，高压电缆已经变成供电系统中必不可少的重要组成部分。相对于传统的架空线路，利用电缆对电力进行传输具有很多的优点，例如：更加安全、受环境影响小、深埋于地下有利于城市空间的利用以及厂矿的布局等。因此，电缆在供电系统中得到了广泛的应用[1]。据统计，在高压供电事故中，电缆故障引发的事故约占事故总数的半数以上。如果故障点的确切位置不能被及时查找出，快速检修就无法完成，会造成停电、停产等一系列问题，带来重大的经济损失。因此，对于减少甚至避免高压电缆故障的发生，故障点怎样被快速地、有效地找到并修复至关重要。
高压电缆的故障定位方法同样包括两种，分别为时域反射法（TDR）和基于脉冲注入的局部放电定位法。两种定位方法都是以局部放电为基础，不同点就是后者需要在运行的电缆运行注入脉冲信号。
时域反射法的基本原理就是以局部放电（PD）脉冲为依据，利用PD信号在电缆介质中的传播和反射特性，在电缆的一端接地线上连接电流传感器，通过测量PD脉冲的入射波与反射波的时间差，同时根据电缆的总长和传播速度最终确定电缆的故障点。但由于脉冲信号在传播过程中的衰减、反射和频散，导致单纯的时域反射法很难应用于长距离的电缆故障定位。
基于脉冲注入的局部放电定位法克服了时域反射法检测灵敏度差的特点，利用脉冲收发器技术，在电缆的监测点同时加装高频耦合互感器和脉冲收发器，当高频耦合互感器检测到高于局放阀值的PD脉冲信号时，脉冲收发器向电缆注入高幅值的脉冲信号，来代替电缆本身发出的PD脉冲，通过测量注入脉冲的入射及反射时差确定电缆的故障位置。
综合考虑，基于双端脉冲注入的局部放电电缆故障定位方法，它克服了单端脉冲法定位精度不高的问题，同时采用硬件滤波去噪设计保证了低频脉冲信号检测的准确性，使得高压电缆故障定位精度得到了很好的保证。
1 基于双端脉冲注入的局部放电故障定位方法基本原理
基于双端脉冲注入的局部放电故障定位方法其基本原理就是在高压电力电缆的首末两端安装高频传感器，当电缆的任何一处出现绝缘故障时，会产生局部放电脉冲，同时脉冲会以一定的速度向故障点的两侧传播。其中一侧经过一定距离的传播直接反馈到电流传感器；另一侧则需要经过电缆非传感器一端的反射，再经过整段电缆的传播被电流传感器所接收。最终通过计算两个信号接收的时间差具体确定高压电力电缆故障点的具体位置，该方案其原理图如图1所示。
基于脉冲注入的局部放电发对高压电缆进行故障定位时，电缆介质中发射低压脉冲如图1所示。低压脉冲在电缆介质中的传播，当介质不同时会发生透射和反射现象。在这里媒介就是电缆介质中阻抗不匹配点，一般情况下不匹配点由电缆接头、短路或者断路等情况引起的。这样可以根据低压脉冲在电缆中遇到阻抗不匹配或者不连续点反射计算时间完成故障定位。向电缆中发射低压脉冲，在电缆特性阻抗不连续位置低压脉冲会将脉冲发射到电缆的发射端，利用定位仪器计算出发射脉冲和反射脉冲之间的时间差。时间差为脉冲来回一次的时间。根据电缆数据计算出低压脉冲在电缆媒介中传播的波速，利用低压脉冲法定位原理公式计算定位距离，计算公式如下：
（1）
在高压电缆出现故障点而产生局部放电现象时，两端的传感器会收到两个局部放电信号，第二个信号是反方向的信号，可以忽略不计，只需考虑电缆两端互感器接收第一个信号的时间差，局部放电信号监测仿真图如图2所示。endprint
针对高压电缆可能出现的电缆低阻、断路、短路故障，基于低压脉冲注入的局部放电定位法具有很好的效果，操作简单方便，原理清晰[3]。
在基于低压脉冲注入的局部放电定位法进行电缆故障定位的系统中，色散及衰减对位置的影响有了显著改善。对比常用的单端TDR法，局部放电脉冲信号有更短的传播距离[5]。阻抗对局部放电脉冲信号的影响也会减小，对PD脉冲拥有更高的识别度。在实际应用中，存在通信传输與时间同步的难题，因此，对硬件的设计有很高的要求。
2 系统硬件设计
本系统是基于低压脉冲注入的局部放电定位法设计。其原理是以高频电磁耦合局部放电法为基础，高压线路不与系统直接连接，通过在电缆本体或屏蔽接地线上安装高频电磁耦合传传感器，局部放电（PD）脉冲信号在电缆屏蔽层中会被感应到。故障定位系统采用分层设计，主要由3个层次组成，分别由：由光纤通信单元、高频电磁耦合互感器、采集与处理单元及上位机软件系统组成。因通信故障造成的故障定位系统中断可以通过光纤双回路通信技术有效避免，实现变电站高压电缆的远程同步在线定位。总体系统结构如图3所示。
现场采集单元的功能是通过高频电流传感器将接地电缆上的局放信号提取出来，经过放大和过滤电路后送往数模转化电路，从而转化成数字信号，其核心硬件部分由FPGA+DSP双CPU组成。FPGA主要完成现场大量高速数据处理，DSP主要完成光纤通信控制和输入输出。为保证高压电缆故障定位系统中的硬件兼容性，系统中通信单元硬件设计与现场采集单元采用相同的硬件构件。
现场局部放电信号和注入的低压脉冲信号被FPGA芯片高速处理后，由DSP芯片及时通过光纤转化电路转化成光电信号送往通信单元并最终送到上位机软件系统，通过光纤传输信息能够很大程度上避免周围环境的噪声和电磁干扰，提高现场采集信号的精确度。硬件结构图如图4所示。
信号的准确采集和测量是十分重要的，通过互感器采集到局部放电模拟信号后，先进行前置信号调理，再送给信号采集模块。调理电路的作用是为了降低测量电缆局部放电过程中的电磁信号和现场噪声等干扰，因此，调理电路具有滤波与放大的功能，同时为了使电流传感器产生的电压和后序电路的采集电压匹配。为滤去高次谐波，必须在采样保持回路以前使用低频滤波器，此目的可以通过降低采样率进而降低对硬件芯片的选择要求。此外，为了防止产生 “混叠效应”，根据香农定理，最高的信号频率不能超过采样频率的1/2，低通滤波器的作用是为了滤除输入信号中采样频率的高频成分。现场采集单元使用的是有源二阶低通滤波器，电路图如图5所示。
3 实验分析
设计了基于DSP+FPGA的高压电缆故障定位系统，利用该定位系统对国网鹤壁供电公司某变电站一根已确定发生绝缘故障的10kV高压电缆线路进行现在测试。设备调试图如图6所示，在试验之前，对电缆故障点已经进行了标注，上位机管理软件显示的局部放电波形如图7所示。
由图7可以得出结论：当运行的高压电缆出现问题时，通过高频耦合互感器可以检测到局部放电波形，并且两者在时域相位上具有明显的错位关系，通过利用两者间的时间差，可以达到对高压电缆故障精确定位的作用。
4 结语
高压电力电缆故障定位系统的准确度依赖系统对局部放电脉冲的识别度。为了能精确采集到局部放电信号，本文设计了DSP+FPGA双CPU结构的故障定位系统硬件。基于DSP+FPGA高压电缆故障定位系统充分发挥了双CPU结构并行工作、分工合作的优点。充分利用双CPU的强大的运算能力，通过高速数字处理FPGA完成数据采集工作，而DSP芯片主要完成现场数据的处理及输入、输出的控制工作。双CPU之间通过双口RAM、通信等方式进行数据之间通信，既具有较好的抗干扰性能，数据传输又具有高速率。试验证明该系统的有效性将故障点误差缩小在5m范围之内，能满足对高压电缆故障定位的精度要求。
参考文献
[1] 罗进圣.电力电缆量测关键技术的研究[D].华北电力大学（北京），2011.
[2] 王一波.基于现场交接试验的高压电缆交流耐压及局放技术应用研究[D].华北电力大学，2014.
[3] 樊磊.电缆故障自动测试研究[D].西安电子科技大学，2010.
[4] 白媛.交联聚乙烯电缆局部放电检测软件系统设计与实现[D].上海交通大学，2010.
[5] 郭丽军，王泽忠，卢斌先.基于双端不同步数据的故障定位的新算法研究[J].华北电力大学学报，2005，32（4）：9-12.
[6] 王建顺.基于低压脉冲法的煤矿高压电力电缆故障定位研究[D].河南理工大学，2015.endprint
