《基于小波的电缆故障在线定位分析研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于小波的电缆故障在线定位分析研究.pdf（63页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、西安科技大学硕士学位论文基于小波的电缆故障在线定位分析研究姓名：张俊乐申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：汪梅20090429论文题目：基于小波的电缆故障在线定位分析研究专业：控制理论与控制工程硕士生：张俊乐(签名)型釜垒指导老师：汪梅(签名)。坠耻摘要随着电网规模的不断扩大，电缆故障造成的影响和损失也愈来愈大。为了保障电力系统的正常运行，实现对电缆故障的快速、准确定位，电缆故障在线定位研究的重要性日渐凸显。本文以小波分析为理论基础，研究探讨了电缆故障的在线定位方法、电缆故障的系统建模、仿真数据的处理分析和虚拟仪器界面开发等方面的内容。论文首先介绍了电缆故障的产生原因、类型和定
2、位的基本原理，系统阐述了小波分析的基本理论和多分辨分析理论；然后以小波分析为理论基础，设计了电缆故障定位系统的总体结构，介绍了电缆中行波的传播规律，针对行波法故障测距中行波波速不定、波头难以寻找的问题，结合行波的折反射规律从理论上研究探讨了一种不受波速影响的故障定位算法；介绍了阈值去噪方法；研究了一种基于聚类的局部模极大值点寻找算法，用程序实现了行波波头的合理化寻找；建立了电缆故障定位系统的S i m u l i n k 模型，对仿真数据进行了处理，分析和计算，验证了基于小波的电缆故障在线定位系统理论的正确性和可行性；最后，论文分三部分对故障定位系统的设计和实现情况进行了说明，介绍了信号调理模
3、块、数据采集模块和上位机故障定位模块的工作目的和方法，并给出了用L a b V I E W 软件开发的虚拟仪器显示界面。关键词：电缆故障定位；小波变换；信号调理；数据采集研究类型：应用研究S u b j e c t：S t u d yo nT h eO n l i n eC a b l eF a u l tL o c a t i o nA n a l y s i sB a s e do n 彤I v e l e t sS p e c i a l t y：C o n t r o lT h e o r ya n dC o n t r o lE n g i n e e r i n gN a m e：
4、Z h a n g J u n L eI n s t r u c t o r：W a n gM e iA B S T R A C T(s i g n a t ur e)垄竺型兰(s i g n a t ur e)C a b l ei st h ea o r t ao ft h ep o w e rs y s t e m W-i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y,t h ei m p a c ta n dl o s s e sc a u s e db yt h ec a b l ef a
5、 u l tb e c o m eg r e a t e ra n dg r e a t e r I no r d e rt os a f e g u a r dt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e ma n dl o c a t et h ec a b l ef a u l ts w i f t l ya n da c c u r a t e l y,t h ei m p o r t a n c eo ft h er e s e a r c ho nt h eo n l i n ec a b l ef a u
6、l tl o c a t i o ni si n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t I nt h i sp a p e r,t h em e t h o d so ft h eo n l i n ec a b l ef a u l tl o c a t i o n，s y s t e mm o d e l i n g，s i m u l a t i o nd a t aa n a l y s i sa n dv i r t u a li n s t r u m e n ti n t e r f a c ed e v e l o p m e n ta r
7、er e s e a r c h e dd e e p l yb a s e do nt h ew a v e l e t F i r s t l y,t h ec a u s e s，t y p e sa n db a s i cp r i n c i p l e so fl o c a t i o no ft h ec a b l ef a u l tf i l ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r,a n dt h eb a s i ct h e o r yo fw a v e l e ta n a l y s i sa n dm u l t i
8、 r e s o l u t i o na n a l y s i si ss y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d T h e n,t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ec a b l ef a u l tl o c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h ew a v e l e ta n a l y s i st h e o r y N e x t，t h el a w so ft r a v e l i n gw a v e
9、p r o p a g a t i o na r ee l u c i d a t e d F o rt h eu n c e r t a i ns p e e do ft r a v e l i n gw a v ea n dt h ed i f f i c u l t yt of i n dw a v e1 1 e a di nf a u l tl o c a t i o nb a s e do nw a v et r a v e l i n gm e t h o d，a na l g o r i t h mo fc a b l ef a u l tl o c a t i o n,w h
10、i c hs t a n d sc l e a rf r o mt h ei m p a c to fw a v es p e e d，i ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l yb a s e do nt h ec o n s i d e r i n go ft h ec a t a d i o p t r i cl a w F u r t h e r m o r e，t h et h r e s h o l dd e n o i s i n gm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d，a na l g o r i t
11、h mf i n d i n gl o c a lm o d u l u sm a x i m ap o i n ti sp r o p o s e db a s e dO i lt h ec l u s t e r i n gm e t h o d，a n dt h er a t i o n a lf i n d i n go ft h eh e a dw a v eo ft r a v e l i n gw a v ei sa c h i e v e db yt h ep r o g r a m m e s 1 1 1 eS i m u l i n km o d e lo fc a b l
12、 ef a u l tl o c a t i o ni se s t a b l i s h e da n dc o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h eo n l i n ec a b l ef a u l tl o c a t i o nt h e o r yb a s e do nw a v e l e ti sv e r i f i e db yp r o c e s s i n g，a n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n gt h es i m u l a t i o nd
13、a t a F i n a l l y,t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ff a u l tl o c a t i o ns y s t e ma r ed e s c r i b e di nt h r e ep a r t si nt h ep a p e r n ep u r p o s ea n dm e t h o d so fs i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e s，s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l ea n dP Cf a
14、 u l tl o c a t i o nm o d u l ea r ee x p o u n d e d A tt h es a m et i m e，t h ev i r t u a li n s t r u m e n td i s p l a yi n t e r f a c ed e v e l o p e dw i t hL a b V I E Wi Ss h o w n K e y w o r d s：C a b l eF a u l tL o c a t i o nW a v e l e tT r a n s f o r mS i n g a lC o n d i t i o
15、 n i n gD a t aA c q u i s i t i o nT h e s i s：A p p l i c a t i o nR e s e a r c h要料技大学学位论文独创性说明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：弓k 俊牙月期：1。o f 占I。学位论文知识产权声明书本
16、人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：3 挺俊糸指导教师签名：多乞彳岛例年多肖厂F 日1 绪论i-n lI Ii_ i i i 宣l 绪论1 1 研究背景及意义随着国民经济的快速发展，我国电力工业得到了
17、迅猛发展。电网规模越来越庞大，电压等级越来越高，而输电线路电压等级和输送容量的逐步提高使得输电线路故障对社会经济生活造成的影响和损失也越来越大。因此如何有效、安全、可靠地提高电力输送能力，是我国电网当前面临的重大问题。由于电缆敷设于地下，不占地面空间，有利于市容美观；且自然条件和周围环境对电缆的影响较小，供电可靠性高；同时电缆隐蔽在地下，对人身也比较安全；电缆成本的降低和其无法比拟的优越性，使越来越多的高低压输电线路逐步实现电缆化，电缆的应用变得日益广泛，越来越多地替代架空线路用于城市配电网中，电缆线路已延伸至人们生产和生活的各个角落。但随着电缆数量的增多和运行时间的延长，电缆故障发生越来越频
18、繁。由于电缆多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难，往往费时费力，影响了人们的日常生活，而且还可能造成难以估量的经济损失。因此，如何准确、迅速、经济地找出故障点，显得尤为重要n 1。随着科技的进步和国内外学者的不断努力，越来越多的故障定位方法已经出现。国外较成熟的故障测距装置，精度很高，但价格十分昂贵，然而，国内较成熟的故障测距装置几乎都是离线的，这种故障定位法要耗费较多的时间和精力，造成更大的经济损失，影响人们的正常生活。本课题是陕西省科技攻关项目(2 0 0 3 K 0 6 G 1 9)“智能电缆故障预测与定位装置的研制 中的一部分。论文以小波为理论基础，研究了电缆在线故障测距方法，结
19、合行波的折反射规律，探讨了一种避免行波波速影响的故障测距方法，设计了电缆在线故障测距系统，使人们能够及时准确地排除电缆故障，保证电缆运行的安全性和可靠性。1 2 电缆故障诊断电缆故障的精确定位与准确识别对及时排除故障具有十分重要的意义。长期以来，通过国内外专家学者的不断努力，涌现出了许多故障诊断方法，这些方法适用于不同的故障情况，各有利弊。1 2 1 故障原因电缆故障一般有几种情况：外力破坏、中间接头或终端绝缘破坏、本体绝缘老化电树枝放电。造成故障的原因很多，为便于研究，可将其归为施工问题、过电压、绝缘受潮、西安科技大学硕士学位论文!ii i i i 暑宣i i 暑宣宣宣护层的腐蚀及绝缘老化、
20、机械损伤等。具体如下凹1：(1)机械损伤机械损伤引起的电缆故障最为常见。直接受外力作用造成的破坏，主要是施工和交通运输所造成的损坏，如挖土、打桩、起重、搬运等误伤电缆；敷设过程中造成损坏，主要是电缆因受拉力过大或弯曲过度而导致绝缘介质和保护层的损坏；自然力造成损坏，主要电缆中间接头或终端接头受自然拉力和内部绝缘胶膨胀的作用而造成电缆护套的裂损，电缆自然胀缩和土壤下沉所形成的过大拉力而折断中间接头或导体、终端瓷套因受力而破损等。(2)绝缘受潮这种情况也很常见，一般发生在直埋或排管里的电缆接头处。由于中间接头或终端头在结构上不密封或安装质量不好而造成绝缘受潮，时间久了在电场作用下形成水树枝，逐渐损
21、害电缆的绝缘强度而造成故障。(3)绝缘老化变质电缆绝缘长期在电磁作用下工作，要受到伴随电磁作用而来的化学、热和机械作用，从而使介质发生物理化学变化，使介质的绝缘下降。(4)过电压大气过电压和内部过电压使电缆绝缘所承受的电压超过允许值而造成击穿。户外终端头的故障大多是由于大气过电压引起的，电缆本身的缺陷也会导致在大气过电压时发生故障。(5)电力电缆过热从内因来讲主要是电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热，从而使绝缘介质碳化。从外因来讲主要是电缆过负荷或散热不良，地埋电缆、电缆沟和电缆隧道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆以及与热力管道接近的电缆，都会因过热而使绝缘介质加速老化。(6)化学腐蚀电缆
22、直接埋在有酸碱作用的地区，往往会造成电缆的铠装、铅皮或外护层被腐蚀，保护层因长期遭受化学腐蚀或电解腐蚀，致使保护层失效，绝缘降低，也会导致电缆故障。化工单位的电缆腐蚀情况就相当严重。(7)长期过负荷运行由于电流热效应，负载电流通过电缆时导体发热，同时电荷的集肤效应以及钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产生附加热量，从而使电缆温度升高。长期超负荷运行时，过高的温度会加速绝缘的老化，以至绝缘被击穿。尤其在炎热的夏季，电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击穿。(8)电缆接头故障21 绪论电缆接头是电缆线路中最薄弱的环节，由人员直接过失(施工不良)引发的电缆接头故障时常发生。施工人员在制作电缆接头过程
23、中，如果有接头压接不紧、加热不充分等原因，都会导致电缆头绝缘降低，从而引发事故。(9)设计和制造工艺不良中间接头和终端接头的设计不周密、选用材料不当、电场分布考虑不合理、机械强度和裕度不够。制作时工艺不严，没有按电缆头制作工艺规程的要求进行，如封铅不严、导线连接不牢、芯线弯曲过度、使用的绝缘材料有潮气、绝缘剂未灌满造成盒内有空气气隙等，都会造成电缆头绝缘故障。(1 0)材料缺陷电缆制造缺陷主要有：包铅或包铝留下的缺陷，以及在包缠绝缘过程中，纸绝缘上出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷；电缆附件制造缺陷主要有：铸铁件有砂眼、瓷件的机械强度不够、其他零件不符合规格、组装时不密封等；绝缘材料缺陷，对
24、绝缘材料的维护管理不够，造成制作电缆中间接头和终端接头的绝缘材料受潮、脏污和老化，由此影响中间接头和终端接头的质量。此外，电缆所处的外界环境和热源等也会造成电缆温度过高、绝缘击穿，甚至爆炸起火；电缆本体的正常老化或自然灾害等其他原因也都会给电缆造成故障，影响电力系统的正常运行口1。1 2 2 故障类型按检测试验结果一般可将电缆故障分为五类H 1：低阻接地或短路故障、高阻接地或短路故障、断线故障、断线并接地故障、闪络故障。(1)低阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于1 0 0k Q，而导体的连续性良好。一般常见的有：单相接地、两相短路或接地、三相短路或接地。(2
25、)高阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯间的绝缘电阻低于正常值但大于1 0 0l Q，导体的连续性良好。一般常见的有单相接地、两相短路或接地、三相短路或接地。(3)断线故障。电缆各芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体不连续。(4)断线并接地故障。电缆有一芯或数芯导体不连续，且经电阻接地。(5)闪络性故障。此类故障大多发生在电缆中间接头或终端接头。故障现象不一定相同，有时在接近所要求的试验电压时击穿，然后又恢复；有时发生连续击穿，但频率不稳定，时间间隔数秒至数分钟不等；有时电缆在一定电压下发生击穿，但绝缘恢复后击穿现象消失，即存在封闭性故障电缆故障点的粗测是确定故障点到电缆任一端的距离
26、，为故障点的定点精测做准备畸1。3西安科技大学硕士学位论文1 2 3 故障识别故障识别主要是确定故障的类型，以便于测试人员对症下药，选择适当的电缆故障测距与定点方法田1。故障一旦发生，可以根据故障发生时呈现的现象和保护动作的故障信号，初步判断故障的类型。并通过测量绝缘电阻和进行“导通试验，准确判断出故障性质。故障识别前应初步了解电缆敷设、故障及修复情况、故障发生地点及排除经过、电缆规格、绝缘方式、接头形式、绝缘种类、接头的精确位置、周围环境情况以及运行、校验情况，包括试验电压、时间、泄漏电流及绝缘电阻数值、历史故障记录等。这些情况对确定故障类型与严重程度是十分重要的。现场可根据故障发生时出现的
27、各种信号指示、跳闸范围等现象，初步判断故障性质。利用兆欧表测量电缆绝缘电阻值，短路放电火花大小判断绝缘状况，用万用表进行导通试验，判定故障电阻是高阻还是低阻；闪络性还是封闭性故障；是接地、短路、断线，还是组合型故障；是单相、两相还是三相故障。目前，不少科学工作者已经在故障识别方面做出了不懈的努力，引入了多种先进的技术，比如将实时专家系统、神经网络、支持向量机和小波分析等多种方法应用于电缆故障诊断问题的研究中，在识别的准确性和快速性方面都取得了很大的进步口1。1 2 4 故障定位电缆故障的及时排查，对确保电力系统的供电可靠性具有重要的意义。电缆故障测距方法很多，根据其工作原理不同，可分为两大类：
28、阻抗法和行波法哺3。(1)阻抗法阻抗法是以线路的集中参数模型为基础，根据线路单端或多端的电压、电流测量值，推导出特定的故障方程进行定位。此方法原理简单、易于实现，多年来一直备受人们关注。在实际应用中，电桥法是一种较为经典的测试方法，英国雷迪有限公司生产的B I C C O T E S T-T 2 7 2 电缆故障定位仪和英国S P I R E N T 公司生产的E 2 0 2 0 电缆故障定位仪就是利用阻抗法中的电桥电路实现对电缆故障的定位。电桥法又分为直流电阻电桥法和电容电桥法。直流电阻电桥法是将被测电缆的故障相与非故障相短接，电桥两端分别接故障相和非故障相。调节电桥臂上的可调电阻，使电桥达
29、到平衡，再根据惠更斯电桥原理计算出故障点距离。此方法适用于低阻故障探测，一般要求故障点电阻不超过l O Ok 9 2。电容电桥法的基本原理为：开路故障测得的电缆电容值与电缆故障距离成正比，在已知电缆单位长度电容值的基础上，只要利用电容电桥测出电容值大小，就可以计算出电缆的故障距离。其测距原理与电阻电桥法的测距原理基本相同，适用于电缆开路故障的测距。41 绪论电桥法的优点是原理简单，测量准确度较高，但它不适用于高阻和闪络性故障，因为高阻和闪络性故障流过检流计的电流非常小，一般灵敏度的检流计很难探测这样小的电流。因此需要将高阻故障用高压直流法或交流法烧成低阻故障，如此则不仅耗时且易将故障点烧断，反
30、而增加了故障点电阻。电桥法的另一个缺点是必须知道电缆线路的具体参数，否则会导致测距结果误差过大。此外，对引线接触要求很高，且不适用于电缆在线故障测距。由于它存在较多缺点，目前电桥法已逐渐被其它测距方法所取代。(2)行波法行波法是电缆故障测距中另一种十分重要的方法，它利用测量行波在故障点和测量端之间往返的传播时间来确定故障位置。根据产生行波的种类和测量方式的不同，可将行波法分为A、B、C 三种类型。近几年来，随着国外学者对其研究的深入，又提出了两种新的方法，利用重合闸产生的暂态行波在测量端与故障点之间的传播时间进行测距；在测量端感受到的故障开断时产生的初始浪涌行波与故障点反射波之问的时延进行测距
31、引。A 型测距法A 型测距法是利用故障点产生的行波在测量端和故障点之间往返一次的时间和行波波速来确定故障点位置。这种方法原理简单，所用装置少，且不受过渡电阻及对端负荷阻抗的影响，理论上可以达到较高精度。长期以来，由于对故障点产生的行波特性及在三相线路上的传播特性没有深入的认识，以及对信号采样、确定行波到达测量端时间要求较高，所以未获得广泛应用。常见的A 型测距装置有脉冲电压法和脉冲电流法。脉冲电压法：又称闪测法，适用于测量高阻与闪络性故障。先利用直流高压或脉冲高压信号将电缆故障点击穿，然后通过测定放电电压脉冲在测量端与故障点之间往返一次的时间来定位。它的优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，可直接
32、利用故障点击穿产生的瞬时脉冲信号，测试速度快。但此法的安全性差，仪器通过一个电容电阻分压器测量电压脉冲信号，仪器与高压回路有电耦合，很容易发生高压信号串入，造成仪器损坏；另外测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串一个电阻或电感以产生电压信号，增加了接线的复杂性，且降低了电容放电时加在故障电缆上的电压，使故障点不容易击穿；同时由于分压器耦合的电压波形变化不尖锐，难以分辨。脉冲电流法：通过线性电流耦合器测量电缆击穿时产生的电流脉冲信号进行测距，实现了仪器与高压回路的电耦合，避免了电容与电缆之间的串联电阻和电感的影响，使测量线路变得简单，且脉冲电流波形易于分辨。该方法安全、可靠、接线简单，显示
33、出强大的生命力。B 型测距法B 型测距法是利用故障点产生的第一个行波波头，借助通讯通道实现测距。优点是只需确定出第一个行波波头到达电缆两端的时间，而不受故障点反射波和透射波的影5西安科技大学硕士学位论文响。目前的B 型测距装置有基于全球定位系统G P S 的双端故障测距法，该方法最早是由加拿大学者S a c h d e v 和英国学者A g a r w a l 于1 9 9 8 年提出的。C 型测距法C 型测距法是利用脉冲发射装置向离线的故障线路发射高频脉冲，根据高频脉冲从装置到故障点往返的时间进行测距。目前出现的C 型测距法有低压脉冲反射法和二次脉冲法。西安四方机电有限公司生产的S D C
34、A 一6 智能电缆故障闪测仪和山东科汇电气股份有限公司生产的T-9 0 3 电缆故障测距仪就是利用该方法实现对电缆故障的定位。低压脉冲反射法：基本原理是向故障电缆首端注入脉冲电压信号，通过测量入射电压行波和反射电压行波的时间差来进行测距。该方法主要适用于低阻和断路故障测距，不适用于高阻与闪络性故障。此方法简单、直观、不需要知道电缆的原始参数，根据脉冲反射波就可识别出电缆接头与分支点的位置。二次脉冲法：先利用冲击高压或直流高压击穿故障点，在闪络维持低阻状态时间内(一般为5 0 0m s)发射一个低压脉冲，此脉冲在故障点闪络处(电弧的电阻值很低)发生短路反射，并记忆于仪器中，电弧熄灭后，再发射一个
35、测量脉冲，该脉冲信号通过故障点直达电缆末端并发生开路反射，然后比较两次低压脉冲波形就可以判断出故障点的位置。此方法测量精度高、低压脉冲宽度可调、可以避免故障点闪络时引起的强烈的电磁干扰。但用到仪器较多，另外要把故障点电阻降到很低，当故障点绝缘受潮严重时，故障点击穿时间较长，测试时间相应增加。此外，由于故障点维持低阻的时间不确定，因此施加二次低压脉冲的控制有一定的难度，测试成功率不高。上述三种行波测距法都是根据故障暂态行波在线路中传播的时间来确定故障点位置的，其中A 型行波测距法装置简单、价格便宜、可靠性高，处于行波测距法的主导地位，但其也有自身缺点，需要用其它测距方法进行补充。传统的电缆故障测
36、试仪器可靠性低、设备多。随着电子技术的发展，运用大规模集成电路和先进信号处理技术，借助计算机的大容量和高速处理能力，将会涌现出更智能、可靠性更高的电缆故障定位设备。1 3 故障定位方法的现状与研究发展1 9 世纪中叶，随着电缆的出现与使用，对电缆的维护和故障定位工作便随之产生。一个多世纪以来，它的发展主要经历了早期模拟式阶段、单端数字式阶段、双端故障定位阶段和智能故障诊断阶段n0|。1 3 1 电缆故障定位的历史与国内外现状早期的故障定位装置是机电式或静态电子仪器构成的模拟式装置。后来测试技术的出现以及计算机技术和通信技术加速了故障定位技术的发展。这个阶段出现了许多利用61 绪论计算机进行故障
37、定位的方法，其特点是采用单端信息，应用计算机的超强运算能力对各自算法进行修正，求得故障距离。有些算法已应用到实际故障定位装置中。不足之处是无法克服故障电阻对故障定位精度的影响。19 8 8 年加拿大S a s k a t c h e w a n 大学的S a c h d e v 和英国B a c h 大学的A g a r w a l 最早提出了采用双端电气信号进行故障定位的方法。多年来，经过各国学者的不断努力，取得了不少理论成果，双端智能故障定位也因其固有的优势而逐渐成为故障定位研究领域的热点。虽然目前国内外认同的电缆故障定位方法是行波法和阻抗法，但事实上，不少的科学工作者和电力科研人员已经进
38、行了将现代信号处理方法及智能技术应用于电缆故障诊断问题的研究。近年，我国学者又提出了基于小波变换和神经网络等智能技术的故障定位方法。总之，电缆故障定位技术经过国内外专家学者几十年的共同努力，已取得了很多有价值的成果。但由于实际情况的复杂性，影响定位精度的因素很多。故障定位领域还有很多问题尚未完全解决。因此，还急需研究新的方法，提高故障定位的精度，解决实际问题。1 3 2 电缆故障定位方法的研究发展随着城网的发展，依靠定期停电进行绝缘预防及检测电路的方法已难以满足现实要求。近年来不少研究者提出了一些新的在线检测方法，并涌现出了许多新的故障检测设备，对早期发现电力电缆故障起到了积极的作用C H 。
39、(1)电缆故障在线监测方法目前，电力电缆的故障检测主要为离线测试。但是，在线监测具有更为明显的经济效益和社会效益。电力电缆故障的在线监测技术，将成为未来电力电缆故障检测技术的发展趋势。其主要方法如下：直流叠加法：在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源(通常为5 0 V)，使该直流电压与运行中电缆的交流电压叠加，检测通过电缆绝缘层的极微弱的直流电流，即可测得整条电缆的绝缘电阻，从而可对电缆的好坏进行判断。其特点是抗干扰能力较强，但绝缘电阻与电缆绝缘剩余寿命的相关性并不好，分散性相当大。绝缘电阻与许多因素有关，即使同一根电缆，也难以仅靠测量其绝缘电阻值来预测其寿命。直流分量法：通过检测电缆芯
40、线与屏蔽层电流中极微弱的直流成分，对电缆中某一点或某一局部存在的树枝化(水树枝、电树枝)绝缘缺陷进行劣化诊断。但是直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差。介质损耗因数法：将加于电缆上的电压用电压互感器或分压器取出，将流过绝缘中的工频电流用电流互感器取出，然后在自动平衡回路中检测上述信号的相位差，即可7西安科技大学硕士学位论文测出电缆绝缘的介质损耗因数。分布式光纤温度传感器：利用分布式光纤温度传感器检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障定位。这种检测技术成本较高，主要应用于新敷设的重要电缆。目前，电力电缆的离线故障测距已经发展的较为成熟，但是离线测距意味着断
41、电和较长的故障修复时间，所以为了能够迅速地测定故障距离，对故障做出预测，以降低故障发生率，减少经济损失，在线故障测距就成了未来的发展趋势。而只有将电力电缆的在线状态检测和在线故障诊断、故障测距结合起来，组成实时的专家系统，才能最大限度地发挥作用。(2)电缆故障检测设备电缆故障的检测主要由三部分设备共同完成的，即电缆故障测试仪、电缆故障精确定点仪、电缆路径测试仪。电缆故障测试仪主要用于测试故障电缆故障点的大概位置，也就是故障点的粗测环节；电缆故障精确定点仪用于故障点的精确测试，在故障点的粗测范围内沿着电缆的安装路径可以精确地探测出故障点的位置；电缆路径测试仪与电缆故障精确定点仪配合使用可以精确确
42、定地埋电缆的地埋路径及铺设深度。虽然经典的脉冲测距法和直流高压闪络法基本上可以测量出大多数电缆故障，但仍属于粗测的范畴。由于故障类型的多样性、故障点环境的复杂性，要实现故障点最终的精确定位，通常必须借助于电缆故障精确定点仪和电缆路径测试仪来辅助故障测试仪，从而实现真正意义的精准故障测试。电缆故障精确定点仪是在电缆故障测试仪粗测电缆故障距离后，沿已知埋设电缆的路径在粗测距离的范围内通过专用定点仪进行准确定点。定点的方法为：在故障的一端故障相加上直流冲击高压，使故障点放电，同时通过定点仪的压电晶体探头接收故障点放电声波，通过耳机找到最响点，即为故障点的准确位置。电缆路径测试仪一般作为单体试验设备安
43、装在电缆故障精确定点仪中，测试时，电缆路径测试仪的输出接至电缆的无故障相，路径测试仪开机后输出的调制正弦波在电缆的无故障相中传输，路径测试仪的调谐探头可以接定点仪通过耳机来判断电缆的埋设路径u 刳。1 3 3 引入小波的电缆故障点检测随着传统的以F o u r i e r 算法为基础的时频分析方法的局限性同益暴露出来，小波理论开始在很多信号处理领域得到了广泛研究与应用。小波变换克服了F o u r i e r 变换的缺点，在时频域上具有良好的分析能力，通过多尺度分析能将信号分解到不同的频率范围，聚焦到信号的任意细节；通过小波变换模极大值，能够准确找出信号中的奇异点，确定行波到达测量端的时间。另
44、外多尺度小波分解还可以用来提取有用的故障信息、压缩故障信号、消除噪声等，这些对电缆的故障定位研究中有着十分重要的意义u3|。小波理论在电缆故障诊断领域的应用可以分成两类：一类是利用小波变换捕捉和提81 绪论取微弱的突变信号，通常利用二进小波变换的多分辨率，将故障信号在不同尺度上进行分解，提取具有故障特征的信息，以判断故障性质。另一类是利用小波变换搜寻我们所未知的故障信息。前者为小波变换的基本应用，而后者则是小波变换在电缆故障诊断领域的全新应用，具有广泛的应用前景。在电缆故障定位方面，我国学者张正团等提出用M a l l a t 二进小波变换对放电脉冲和反射脉冲进行分析实现故障定位的方法；范毅等
45、提出用M a l l a t 小波对相关分析法的实验数据和误差进行分析实现故障定位的方法；熊小伏等提出在脉冲电源作用下的故障相与健全相的电流差进行小波重构以实现故障测距的方法；刁彦华等提出用小波分析实现对通信电缆的故障测距的方法等。小波分析实现电缆故障定位的共同特点是利用小波变换对信号奇异点的敏感性，通过对电缆不同类型的电信号进行小波变换，以模极大值描述电缆的故障特征，最后求出故障距离。近年来，将小波分析应用于电缆故障测距的研究已经展开，虽然分析和处理行波信号还是一个新课题，但它已在电缆故障测距中显示出了其优越性和广阔的应用前景瞳引。1 4 本文研究的主要内容1 4 1 本文所做的主要工作在查
46、阅大量文献的基础上，研究认识了目前国内外各种电缆故障测距方法和基本原理，并对各种测距方法进行了比较分析。本课题是陕西省科技攻关项目(2 0 0 3 K 0 6 G 1 9)“智能电缆故障预测与定位装置的研制 中的一部分。笔者和课题组一起研究设计了基于小波变换的电缆故障在线定位系统，参与了下位机部分的调理电路调试和上下位机数据传输研究。本文研究的是以小波分析为理论基础的行波法故障定位系统。针对行波法故障测距中行波波速不定、波头难以寻找的问题，研究探讨了故障定位算法，并结合行波的折反射规律从理论上研究改进了一种不受波速影响的测距算法；研究了一种基于聚类的局部模极大值寻找算法，实现了行波波头的自动合
47、理寻找；参与研究了基于L a b V I E W 的虚拟仪器设计，实现了电缆故障诊断系统的直观显示。1 4 2 论文的章节安排本文研究了电力电缆故障在线的测距方法与实现，以小波分析为理论基础，对电缆故障测距方法、电缆故障系统建模、电缆故障测距装置的软硬件设计及虚拟仪器界面的开发等方面进行了深入的研究。论文各章主要内容如下：(1)绪论。在查阅大量参考文献的基础上，总结了电缆故障产生的原因、故障类型、概述了目前国内外电缆故障测距的基本方法、原理和现状，明确了论文的研究方向和主要工作。9西安科技大学硕士学位论文(2)小波分析理论。系统阐述了小波分析的理论基础和多分辨分析理论，介绍了几种常用的小波函数
48、。重点对小波变换模极大值检测奇异点等内容进行了研究。(3)基于小波的电缆故障在线定位方法研究。重点介绍了基于小波的电缆故障在线测距方法，设计了电缆故障定位系统的总体结构。介绍了电缆中行波的传播规律，针对行波法故障测距中行波波速不定、波头难以寻找的问题，结合行波的折反射规律从理论上研究探讨了一种不受波速影响的故障定位算法；研究了一种基于聚类的局部模极大值点寻找算法；介绍了阈值去噪方法；结合电缆分布参数，建立了电缆故障定位系统的S i m u l i n k 模型，对仿真数据进行了处理，分析和计算，验证了理论的正确性和可行性。(4)电缆故障在线定位系统的设计与实现。分三部分介绍了电缆故障定位系统的
49、信号调理模块、数据采集模块和上位机故障定位模块。(5)结论。对电缆故障定位的研究工作进行了总结与展望。1 02 小波分析理论2 小波分析理论小波分析是2 0 世纪数学研究成果中的代表之一，是近十几年来迅速发展起来的一门新兴学科，也是目前国际上公认的最新时间一频率分析工具。8 0 年代初，法国地球物理学家M o r l e t 在分析地球物理信号时将其作为一种数学工具提出，以后逐步形成并日臻完善。小波分析作为时频分析方法比F o u r i e r 分析有着许多本质性的进步和优点。小波分析提供了一种自适应的时频域同时局部化的分析方法，无论分析低频或高频局部信号，它都能自动调节时频窗，以适应实际分
50、析的需要。由于能够聚焦到信号时域和频域的任意细节，对信号的奇异点十分敏感，小波分析被誉为数学显微镜，小波分析的快速算法也为分析和解决实际问题带来了极大的方便。而它的这些优点也使得现代信号处理方法得到了很大的发展。近年来，小波分析方法被广泛的应用于众多学科和各个领域：信号处理、图像处理、模式识别、语音识别、地震勘探、C T 成像、计算机视觉、故障监控、通信与电子系统等。小波分析理论是信号分析具有划时代意义的发展成果，其研究正向纵深发展。而电力电缆故障诊断的关键就是如何从系统的奇变信号中将故障点检测出来，小波分析运用可调的柔性时频窗对高频、低频信号分别采取可变的尺度进行分析，特别适合于分析奇异性强