CN114675128A - 基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法，属于电力电缆技术领域。首先，在每一相电缆首末端护层处安装电流传感器和电压传感器，采集首、末端护层电流I₁、I₂和护层电压U₁、U₂的原始数据。其次，实时监测海底电缆首末端护层电流和护层电压，利用快速傅里叶变换对采集到的数据进行处理，得到护层电流和护层电压的幅值与相位。最后，根据处理后的护层电流和护层电压数据进行海底电缆绝缘故障点的计算与定位。本发明能够减少使用电气设备的安全风险与成本，在保证安全的前提下，提高故障定位的精度，并实现对电缆绝缘短路故障、低阻故障和高阻故障的精确定位，且故障定位不受电网频率波动、电网谐波和地电位偏差的影响。

Description

基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法

技术领域

本发明属于电力电缆技术领域，尤其涉及一种海底电缆绝缘故障在线定位方法。

背景技术

随着海洋石油、海上风电等能源进一步开发利用，跨海电网不断向海洋钻井平台、沿海岛屿延伸覆盖，海底电缆的应用越来越广泛。由于海底电缆长期受海水侵蚀和海浪冲刷、海洋环境特殊复杂，海底电缆绝缘故障的案例越来越多，一旦出现故障，其修复难度和造成的损失会十分巨大。为保障海底电缆的安全稳定运行，海底电缆的在线监测与故障定位具有重要意义。

目前海底电缆故障定位方法主要包括：1.电桥法(离线)。它通过将被测电缆故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相，调节电桥两臂上的一个可调电阻器，使电桥平衡，利用比例关系和已知的电缆长度就能得出故障距离。这种测量依靠被测线附近有健全回路导线，且对故障点绝缘电阻值有大小要求，测量误差较大。2.脉冲法(离线)。其主要原理是在电缆首端或末端通过仪器注入脉冲信号，通过分析电磁波在电缆传播途中遇到故障时信号发生反射来判断故障类型及位置。当电磁波在传播过程中遇到阻抗不匹配，如短路点、开路点、故障点、中间接头等，会发生反射产生反射波，通过测量发生脉冲与反射脉冲的时间差，便可计算得到电缆故障点相对脉冲发射端的距离。根据所注入脉冲电压的不同，分为低压脉冲法和高压脉冲法，低压脉冲法操作简单方便，但是不能用于识别高阻故障和闪络性故障；高压脉冲法适用于多种故障类型，但由于测试时使用高压，测试安全性较差，且波形难以识别。3.闪络法(离线)。其主要直流高压或者冲击高压施加到被测电缆，利用故障点的瞬间放电产生多次反射波，利用仪器测量循环反射之间的时间间隔，计算电缆故障位置与闪络发生器之间的距离。根据施加高压类型的不同，分为直流高压闪络法和冲击高压闪络法，直流高压闪络法波形简单，测量准确度高，但仅适用于闪络性高阻故障；冲击高压闪络法适用于泄露性高阻及低阻故障，但其测量波形复杂，辨别难度大，准确度低。

海底电缆已有的故障定位技术中多为离线式，通过外加信号进行电缆故障定位，其故障定位装置成本高、花费时间长，电缆发生故障后不能立刻确定故障位置，且无法实时在线测量，通常需要将电缆线路停电处理。因此，发明一种能够快速对海底电缆绝缘故障进行在线定位的实用方法是十分必要的。

发明内容

本发明针对上述现有离线式故障定位技术的不足，基于电缆护层电流和电压的实时测量，提出一种能够对海底电缆绝缘故障进行在线监测而快速确定故障位置，且实施方便、成本低的海底电缆绝缘故障在线定位方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法，包括如下步骤：

第一步，海底电缆护层接地方式为两端直接接地，在电缆首末端护层处安装电流传感器和电压传感器。当海底电缆某一相任意位置出现绝缘故障，电缆导体和金属护层之间的故障通道可等效为一个故障电阻R_f，R_f值可由绝缘电阻测试仪测量得到。通过电缆故障通道等效电阻R_f与电缆特性阻抗Z_c的比较，将电缆绝缘故障类型分为短路故障、低阻故障和高阻故障，海底电缆不同类型故障所对应的R_f值如表1所示：

表1海底电缆不同故障类型对应的R_f值

所述海底电缆特性阻抗Z_c可由下式计算：

其中，R₀、L₀为海底电缆单位长度等效电阻、电感，C₀、G₀为海底电缆单位长度等效电容、电导，ω为系统角频率。

第二步，针对海底电缆导体与金属护层之间的绝缘故障，通过传感器采集首、末端护层电流I₁、I₂和护层电压U₁、U₂的原始信号，任一原始信号可用x(n)表示。

第三步，利用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)对采集到的原始信号数据进行处理，分别得到护层电流的幅值与相位，护层电压的幅值与相位。具体如下：

3.1)在海底电缆绝缘故障时，护层电流和护层电压存在暂态过程，故障电流主要为工频电流，对直接检测到的护层电流和电压信号进行FFT运算，具体计算公式为：

其中，

为旋转因子；x(n)为一个长度为N的有限长序列，即电流传感器和电压传感器采集到的原始信号，n＝0,1,…,N-1；X(k)为FFT变换后得到的信号频谱，包括幅度频谱和相位频谱。

3.2)通过对信号幅度频谱和相位频谱的分析，得到海底电缆首末端护层电流的幅值与相位、首末端护层电压的幅值与相位，电缆首末端护层电流和护层电压可表示为：

其中，I₁、I₂为首、末端护层电流，x₁、x₂为首、末端护层电流的幅值，y₁、y₂为首、末端护层电流的相位；U₁、U₂为首、末端护层电压，m₁、m₂为首、末端护层电压的幅值，t₁、t₂为首、末端护层电压的相位。

第四步，根据处理后的护层电流和护层电压数据进行海底电缆绝缘故障点的计算与定位。故障点的测距与定位的具体计算公式为：

其中，I₁和I₂为海底电缆首末端护层电流，U₁和U₂为海底电缆首末端护层电压，R_s0为海底电缆单位长度金属护层等效阻抗，l为海底电缆线路长度，l_f为海底电缆绝缘故障点与电缆首端的距离。通过上述故障点测距与定位公式，结合相关已知参数和处理后护层电压和电流数据，准确定位出故障点与首端的距离，实现海底电缆绝缘故障的精确定位。

进一步的，所述第一步中海底电缆为三芯电缆，电缆中间无绝缘接头，金属护层接地方式为两端直接接地，任意一相电缆首末端护层处需安装电流传感器和电压传感器。通过电缆首末端的传感器可以实时准确地采集护层电流和护层电压数据，便于后续对数据的处理与分析，进而确定电缆故障位置。

在所述第二步和第三步中，对海底电缆首末端护层电流和护层电压进行实时监测和数据采集，通过快速傅里叶变换对采集的原始信号数据进行处理，得到护层电流信号的幅值与相位、护层电压信号的幅值与相位，排除数据中的噪声信号，获得更为准确的计算结果。

本发明的有益效果为：本发明通过实时监测海底电缆首末端护层电流和护层电压，利用快速傅里叶变换对采集到的数据进行处理，进而实现故障点在线定位与测距，减少使用电气设备的安全风险与成本，在保证安全的前提下，提高故障定位的精度，并实现对电缆绝缘短路故障、低阻故障和高阻故障的精确定位，且故障定位不受电网频率波动、电网谐波和地电位偏差的影响。

附图说明

图1是本发明所涉及的基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法流程示意图；

图2是本发明所涉及的海底电缆金属护层两端直接接地示意图；

图3是本发明所涉及的海底电缆护层电流和护层电压在线监测示意图；

图4是本发明所涉及的海底电缆绝缘故障等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更一步的说明。

基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位流程如图1所示，包括以下步骤：

(a)海底电缆护层接地方式为两端直接接地，在任意一相电缆首末端护层处安装电流传感器和电压传感器，针对海底电缆不同类型的绝缘故障，进行护层电流和护层电压的数据采集；

(b)实时监测海底电缆首末端护层电流和护层电压，利用快速傅里叶变换对采集到的数据进行处理，得到护层电流的幅值与相位、护层电压的幅值与相位；

(c)根据处理后的护层电流和护层电压数据进行故障点的计算与定位。

海底电缆金属护层两端直接接地示意图如图2所示。为了抑制电缆护层感应电压，电缆金属护层会进行接地处理。常见的金属护层接地有单端接地、双端接地、中点接地和交叉互联接地等多种接地方式，具体的接地方式的选择根据现场实际工程需要进行选取。海底电缆因其敷设环境和条件，无法采用常规的交叉互联接地方式，只能采取海缆登陆段两端金属护层直接接地的方式。本发明的技术方案针对护层两端直接接地的海底电缆，电缆中间无绝缘接头，在电缆首末端金属护层与地之间安装电流传感器和电压传感器，I₁和I₂为海底电缆首末端监测到的护层电流，U₁和U₂为海底电缆首末端监测到的护层电压。

在图3所示的海底电缆护层电流和护层电压在线监测示意图中，当海底电缆某一相任意位置出现绝缘故障，电缆导体和金属护层之间形成故障通道，可将其等效为一个故障电阻R_f，此时故障电阻远远小于主绝缘电阻。由于故障通道的存在会导致电缆首末端护层电流和电压增大，且电缆绝缘故障位置的不同所对应的首末端护层电流和电压也不同，本发明基于此来实现海底电缆故障点的在线定位。

在海底电缆导体与金属护层之间发生绝缘故障后，利用首末端金属护层所安装的电流传感器和电压传感器进行护层电流和电压数据的采集与监测，其示意图如图3所示。可将故障电缆等效为如图4所示的电路，其中，电缆故障通道等效电阻为R_f，电缆首端护层接地等效电阻为R₁，电缆末端护层接地等效电阻为R₂，电缆单位长度等效电阻和电感为R₀和L₀，电缆单位长度等效电容和电导C₀和G₀，电缆单位长度金属护层等效电阻为R_s0，额定交流电压源为U，等效负载为Z_L，故障点护层等效电压为U_f。设海底电缆线路全长为l，绝缘故障点位置为l_f。

海底电缆首端护层电流和电压已知，则故障点护层等效电压U_f可表示为：

U_f＝I₁R_s0l_f+U₁

海底电缆末端护层电流和电压已知，则故障点等效护层电压U_f可表示为：

U_f＝I₂R_s0(l-l_f)+U₂

将两式联立消去故障点等效护层电压U_f：

I₂R_s0(l-l_f)+U₂＝I₁R_s0l_f+U₁

由于海底电缆线路长度l、电缆单位长度金属护层等效电阻R_s0已知，在获取电缆首末端护层电流的幅值与相位、护层电压的幅值与相位之后，可求得电缆绝缘故障点距首端的距离l_f:

通过上述公式在前述步骤获得电缆首末端护层电流的幅值与相位、护层电压的幅值与相位及相关已知参数，便可准确计算出电缆绝缘故障点与首端之间的距离，从而实现海底电缆故障点的在线定位。

按照以下步骤实施上述方案：

(1)在海底电缆首末端护层处安装电流传感器和电压传感器，当海底电缆某一相任意位置出现绝缘故障，电缆导体和金属护层之间的故障通道可等效为一个故障电阻R_f，R_f值可由绝缘电阻测试仪测量得到。通过电缆故障通道等效电阻R_f与电缆特性阻抗Z_c的比较，将电缆绝缘故障类型分为短路故障、低阻故障和高阻故障。海底电缆特性阻抗Z_c可由下式计算：

其中，R₀、L₀为海底电缆单位长度等效电阻、电感，C₀、G₀为海底电缆单位长度等效电容、电导，ω为系统角频率。

(2)针对海底电缆导体与金属护层之间的绝缘故障，通过传感器实时采集首、末端护层电流I₁、I₂和护层电压U₁、U₂的原始数据。

(3)将采集到的数据传输给主机，通过快速傅里叶变换对数据进行实时处理，得到护层电流信号的幅值与相位、护层电压信号的幅值与相位，进而通过公式计算出电缆绝缘故障点的位置，并将故障定位结果进行保存。

①FFT运算：

其中，

为旋转因子；x(n)为一个长度为N的有限长序列，即电流传感器和电压传感器采集到的原始信号，n＝0,1,…,N-1；X(k)为FFT变换后得到的信号频谱，包括幅度频谱和相位频谱。

通过对信号幅度频谱和相位频谱的分析，得到海底电缆首末端护层电流信号的幅值与相位及护层电压信号的幅值与相位。电缆首末端护层电流和护层电压可表示为

其中，I₁、I₂为首、末端护层电流，x₁、x₂为首、末端护层电流的幅值，y₁、y₂为首、末端护层电流的相位；U₁、U₂为首、末端护层电压，m₁、m₂为首、末端护层电压的幅值，t₁、t₂为首、末端护层电压的相位。

②故障定位：基于处理后的电缆首末端护层电流和护层电压的数据，利用故障定位公式进行计算，得到电缆绝缘故障点距电缆首端的距离l_f：

其中，R_s0为海底电缆单位长度金属护层等效阻抗，l为电缆线路长度，因计算得到的l_f为包括幅值与相位两种特征参数，在此选取其幅值大小用于表征故障定位位置。

本发明的基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法，通过实时监测首末端护层电流和护层电压，利用快速傅里叶变换对采集到的数据进行处理，进而实现故障点在线定位与测距，减少使用电气设备的安全风险与成本。在保证安全的前提下，提高故障定位的精度，并实现对电缆绝缘短路故障、低阻故障和高阻故障的精确定位，且故障定位不受电网频率波动、电网谐波和地电位偏差的影响。

下面通过具体实例对本发明的海底电缆绝缘故障在线定位方法进行验证：

本实例以35kV交联聚乙烯绝缘(XLPE)海底电缆为例，海底电缆长度为12km,电缆标称截面为185mm²，海底电缆金属护层为铅合金护层，单位长度等效电阻为2.2×10^-4Ω/m。

海底电缆单位长度等效电阻R₀和电感L₀计算：

其中，角频率ω＝2πf，f为系统频率；r_c、r_s为电缆导体半径和屏蔽层内半径；ρc、ρs为电缆导体电阻率和屏蔽层电阻率；μ₀为真空磁导率。

海底电缆单位长度等效电容C₀和电导G₀计算：

其中，ε为电介质的介电常数；ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.86×10^-12F/m；σ为电介质的电导率。

本实例设海底电缆分别在2000m、4500m、6000m、8400m、10000m处发生不同类型的绝缘故障，通过电流传感器和电压传感器采集电缆首末端护层电流和电压数据，利用快速傅里叶变换对采集到的数据进行处理，得到护层电流信号的幅值和相位、护层电压信号的幅值和相位，进而计算出电缆绝缘故障点与电缆首端之间的距离。采用本发明在线定位方法对海底电缆不同类型绝缘故障定位结果如表2所示，由表2可知，本发明在线定位方法适用于短路故障、低阻故障和高阻故障的定位，且拥有较高定位精度，故障定位误差在0.5％以内。

表2海底电缆不同类型绝缘故障定位结果

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，海底电缆护层接地方式为两端直接接地，在电缆首末端护层处安装电流传感器和电压传感器；当海底电缆某一相任意位置出现绝缘故障，电缆导体和金属护层之间的故障通道可等效为一个故障电阻R_f，R_f值可由绝缘电阻测试仪测量得到；通过电缆故障通道等效电阻R_f与电缆特性阻抗Z_c的比较，将电缆绝缘故障类型分为短路故障、低阻故障和高阻故障；

所述海底电缆特性阻抗Z_c可由下式计算：

其中，R₀、L₀为海底电缆单位长度等效电阻、电感，C₀、G₀为海底电缆单位长度等效电容、电导，ω为系统角频率；

第二步，针对海底电缆导体与金属护层之间的绝缘故障，通过传感器采集首、末端护层电流I₁、I₂和护层电压U₁、U₂的原始信号，任一原始信号可用x(n)表示；

第三步，利用快速傅里叶变换FFT对采集到的原始信号数据进行处理，分别得到护层电流的幅值与相位，护层电压的幅值与相位；

3.1)在海底电缆绝缘故障时，护层电流和护层电压存在暂态过程，故障电流主要为工频电流，对直接检测到的护层电流和电压信号进行FFT运算，具体计算公式为：

其中，

为旋转因子；x(n)为一个长度为N的有限长序列，即电流传感器和电压传感器采集到的原始信号，n＝0,1,…,N-1；X(k)为FFT变换后得到的信号频谱，包括幅度频谱和相位频谱；

3.2)通过对信号幅度频谱和相位频谱的分析，得到海底电缆首末端护层电流的幅值与相位、首末端护层电压的幅值与相位，电缆首末端护层电流和护层电压可表示为：

其中，I₁、I₂为首、末端护层电流，x₁、x₂为首、末端护层电流的幅值，y₁、y₂为首、末端护层电流的相位；U₁、U₂为首、末端护层电压，m₁、m₂为首、末端护层电压的幅值，t₁、t₂为首、末端护层电压的相位；

第四步，根据处理后的护层电流和护层电压数据进行海底电缆绝缘故障点的计算与定位；故障点的测距与定位的具体计算公式为：

其中，I₁和I₂为海底电缆首末端护层电流，U₁和U₂为海底电缆首末端护层电压，R_s0为海底电缆单位长度金属护层等效阻抗，l为海底电缆线路长度，l_f为海底电缆绝缘故障点与电缆首端的距离；通过上述故障点测距与定位公式，结合相关已知参数和处理后护层电压和电流数据，准确定位出故障点与首端的距离，实现海底电缆绝缘故障的精确定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法，其特征在于，所述第一步中，海底电缆不同类型故障所对应的R_f值如表1所示：

表1 海底电缆不同故障类型对应的R_f值

3.根据权利要求1所述的一种基于护层电流和电压的海底电缆绝缘故障在线定位方法，其特征在于，所述第一步中海底电缆为三芯电缆，电缆中间无绝缘接头，金属护层接地方式为两端直接接地，任意一相电缆首末端护层处需安装电流传感器和电压传感器。

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