（1.河北科技大学电气工程学院 河北石家庄 050081）
摘要：为了解决电缆故障脉冲定位法中行波波速不定、故障点反射波形难以定位的问题，介绍了目前最先进的三次脉冲法结合行波的传播与反射规律，同时分析了三次脉冲法的优势和不足。本文首先从理论上推算出了一种不受行波速影响的电缆故障三次脉冲定位算法，然后使用小波分析变换处理三次脉冲信号的波形，并将滤波后的信号进行奇异点检测，并使用Simulink进行仿真实验。用多种小波变换进行比对，寻找到效果最好的小波函数进行行波波形奇异点检测，最后使用推导公式进行计算测距。通过仿真计算得出结果表明运用该方法进行三次脉冲电缆故障定位结果误差更小，使得电缆故障点定位更为精准。
关键词：三次脉冲法；故障定位；小波变换；奇异点识别
1三次脉冲法
在二次脉冲法中，使用高压脉冲击穿故障点时的燃弧时间极短、并且燃弧不稳定，经常会在高压脉冲消失的一瞬间恢复到之前的高阻故障状态，致使随后发射的低压脉冲不能击穿电缆的高阻故障区域，无法得到完整的故障波形[1]；此外，在发射高压脉冲时，很可能最高35KV的脉冲不能击穿故障点或击穿后造成线路第二次损伤，所以二次脉冲法不再适合检测高阻电缆故障。
三次脉冲法系统所含主要设备有：直流脉冲信号发生器，高、中压冲击单元，检测系统专用脉冲发生器、反射脉冲接收仪等。先在电缆故障点没有被击穿的情况下，测得低压脉冲（350V-1500V）的反射波形作为参考波形；然后发射高压脉冲（16KV-32KV第一次）用来击穿被测电缆的故障点产生燃（电）弧；接着在燃弧电压降低到一定值时发射中压脉冲（4KV-8KV第二次）来稳定和延长燃弧时间，此击穿过程持续约50ms；最后发射低压脉冲（350V-1500V第三次）从而得到电缆故障点的反射波形（故障波形）。完成波形采集工作，再根据两条波形相互叠加后出现的间断点（奇异点）即故障点的对应位置。
在三次脉冲法操作的整个过程中，第三次发射的脉冲是一个低压脉冲，实质就是将电缆的故障点先用一个高压脉冲将其击穿产生燃弧再用中压来稳定和延长燃弧使故障点的高阻状态变成低阻状态后使用低压脉冲法测得故障波形。将两条波形叠加后的波形分离点与脉冲起始点作差再除以采样频率得到距离，即为故障点距脉冲发射端距离的二倍。
2与波速无关的三次脉冲法
电缆故障检测过程中波速问题非常关键。因为实际应用中每段电缆的情况都有所不同，所以无法得到一个固定值去代入不同电缆进行故障计算，若能通过多个公式联立抵消掉这个常量，会使故障位置误差大大减小[2]。下面模拟单端脉冲检测法原理，推导出一种与波速无关的计算公式。脉冲波形在故障电缆中传播如图1所示，假设在电缆中的某点发生高阻故障。设故障电缆全长为L，初始脉冲发射时刻t1，在故障电缆的一端（设发射脉冲段为起始端）接收到的故障位置反射波以及线路对端反射波到达时刻为t2和t3。这里电缆测量起始端所获取的脉冲波形有故障位置反射波和线路对端反射波。
使用单端脉冲法进行测距时，对于反射波行，要明确反射波是故障位置反射波还是线路端点的反射波。一般情况下主要检测初始脉冲波和故障反射波而不考虑线路对端的反射波形，但在此可以运用线路对端反射波作为一个已知量进行公式推导。电缆中某点发生高阻故障时可得到两个方程为：
由式（3）可以看出，利用电缆对端反射波到达时刻t3带入消掉行波波速v，得到了没有波速的故障点定位计算公式，理论上基本消除了行波波速对测距准确度的影响，得出了与波速无关的三次脉冲电缆故障检测方法。这里在接收反射波时要准确区分收到的波形是电缆故障点反射波行还是电缆线路对端反射波形。
3小波变换与信号的奇异性检测
小波分析理论（Wavelet Analysis）通过分析小波变换得出的模极大值点进而检测信号的奇异点。此外，由于小波分析理论本身符合信号波形非平稳变频带的结构特征，无论从时域上还是频域上可以同时对被测信号进行局部处理，适合检测信号波形的奇异点。引用这个方法，当电缆发生故障，其故障暂态信号应该是离散的，奇异的，可以说信号波形中的奇异点就是电缆的故障点。所以通过小波变换寻找模极大值点就能确定信号波形的奇异点进而确定电缆故障波形中的故障时刻。
这里，当使用小波变换判定奇异点对故障位置进行测距需经过以下分析判定
5.再对第4步中得到的模极大值点进行逐一排查是否为各个尺度上的极值点，最后得到突变点。两个波形的模极大值点即为奇异点。
4 Simulink三次脉冲波形仿真分析
运用Sym2小波对信号进行仿真分析，使用Simulink平台搭建出一条2000米长的交联聚乙烯电缆，拟在800米处发生高阻故障，使用小波进行测试分析。图3是电缆一端发射和接收到的初始故障脉冲波、故障位置反射波和线路对端反射波形以及使用Rigorous Sure去噪[5]后的效果。这里在模拟三次脉冲法检测电缆故障过程时，若使用稳态分析必然会将电磁波行进时间加以考虑，因为正弦电流和电压的波长较电缆的网络规模相比仍然很大，不能满足精确条件，所以在此采用暂态分析[6]。
进行小波分解操作，层数设为5即可，分解如图4将分解后的第五层图像进行放大，非常直观的观察到故障初始波形的波峰，并在此标注，得到X1=2034这个采样点坐标，通过模极大值判定条件并使用阈值T进行筛选判定，满足为模极大值无误；同理可以得到故障端反射波和线路对端反射波的模极大值点X2=5410、X3=7122的采样坐标。使用公式（3）进行计算，仿真时采样时间非常短，每个采样点所代表的时刻具有的微小误差可忽略不计，也就是说可直接用采样点的坐标位置带入公式计算，即X1=t1，X2=t2，X3=t3。可得故障点位置L1=0.79773Km，与实际故障点误差为0.00227Km。基本可以满足电缆线路故障的测距要求，测距精度较高。
5 结 论
该电缆故障定位法采用目前最先进的三次脉冲技术，去除波速干扰，配合Simulink仿真模拟出故障电缆三次脉冲波形，使用Sym2小波进行分析得到脉冲初始波形、故障端反射波形与线路对端反射波型的模极大值点，并通过判断确定为奇异点。利用推导出的电缆故障定位计算公式，定位出相较原三次脉冲检测法更为精确的故障点。
参考文献/References：
[1] 王少华，叶自强，梅冰笑，刘浩军，姚玮.电力电缆故障原因及检测方法研究[J].电工电气，2011，05：48-51+58.
[2] 古树平，陈奇志，谢建，陈旺虎，魏杰.基于行波的电力电缆故障测距组合方法研究[J].四川电力技术，2010，05：19-22+52.
[3] 陶珂.小波去噪质量评价方法研究[D].中南大学，2012.齐翠丽.
[4] 基于小波阈值法和模极大值法的语音去噪算法研究[D].燕山大学，2012.
[5] 陈钊，周力行，郑烨，魏冬.基于小波包的电缆故障定位技术研究[J].电工电气，2012，12：20-24.
[6] 张姝.基于暂态特征的谐振接地系统故障选线与测距方法[D].西南交通大学，2013.
论文作者:刘建业,廖鹏飞
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：脉冲论文; 故障论文; 波形论文; 电缆论文; 反射论文; 极大值论文; 小波论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;