4. Conclusions on the Fault Loop Impedance on Crossbonded Cable Systems for Fault Location Purposes

本章研究交联电缆故障回路阻抗的特性。结果表明，零序系统的建模对准确计算结果是非常重要的，并且有必要对护套系统进行详细描述。然而，所有主要影响故障回路阻抗的参数都是电缆及其敷设配置的特定参数，其中描述接地和接地电阻的参数不太重要。如果主导参数是公知的，并且如果包括护套的交联的详细模型在与真实的寿命相比时可以提供良好的结果，则可以训练基于人工智能的故障定位算法中的几个以在交联电缆上执行准确的故障定位。如果模型不能做到这一点，人工神经网络不能产生良好的结果相比，现实生活中的故障阻抗。

据评估，一个实际实施的阻抗为基础的故障定位方法的混合线路是不可能实现的，如果高精度的要求。不同线路参数使不同线路类型的故障回路阻抗有很大差异，因此，架空线路参数的小误差给予电缆区段故障时的故障回路阻抗的大偏差。

5. Conclusions on the Impedance-Based Field Measurements

从进行的六个案例研究的结果可以得出结论，DIgSILENT模型预测故障条件下的Anholt电缆系统的行为以及，但故障回路阻抗的准确性低。较大的误差表明，调整模型的参数不能单独解决这个问题，因此可以实现适用于故障定位的精度。因此，最后：

神经网络不能被训练来估计交联电缆上的故障位置，因为最先进的仿真模型不能提供准确的训练数据。

6. Conclusions on Wave Propagation on Three Single Core and Crossbonded Cables

在本章中，提出了一些重要的发现，用于故障定位的目的，交叉保税电缆系统。在任何位置注意到的第一个信号变化将是由于同轴波，并且同轴波速度不受交联的影响。双端故障定位方法的主要思想是只检测到达每个电缆端部的第一波，因此同轴模式似乎是理想的输入。将鞘层间模式波用于双端子方法并不直接，因为到达故障定位器端子的第一鞘层间波不是直接来自故障位置，而是当同轴波遇到最靠近端子的交叉接合时产生的。到目前为止，芯电压和电流以及护套电流都具有相同的意义，因为它们在交叉点和沿着电缆线路以相同的行为以同轴速度传播。鞘层电流是特别感兴趣的，因为它们可以使用低电压高带宽设备进行测量。

即使使用同轴波类型，单端终端方法在交叉连接电缆系统上实际实现起来也困难得多。必须使用来自故障位置的第一波和第二波来估计故障位置。在固接电缆系统上，到达故障定位器的第二波来自故障，假设没有来自周围网格的反射，而在交叉连接电缆系统上，情况显然不是这样。在下一节中，将详细研究交叉连接电缆上的实际故障定位，检查使用不同模态分量作为输入的单端和双端方法的性能。

7. Conclusions on the Use of the Single and Two-Terminal Fault Location Methods on Crossbonded Cables

利用直接在时域分析的电压或电流信号的双端故障定位方法非常适合于交叉键合电缆的故障定位。是否使用芯电压、芯电流或护套电流作为输入取决于系统。对于单个Transformer，连接电压信号的单电缆配置类型是优选的，其中随着线路数量的增加，芯和护套电流往往是更好的选择。单端子实际上不适用于基于交叉绑定电缆的传输系统。许多交叉点的反射使得从故障位置提取第二波非常困难，因此无法使用该方法。

本节中的所有结论都是基于高压侧设计的。在实际电力系统中，高压信号在测量变压器的次级中表示。这些信号如何影响系统中的重要性和瞬态将在下一章中描述。此外，必须检查哪些电缆和电缆系统参数影响该方法的准确性。在刚刚介绍的这一节中，只研究了短电缆或无衰减电缆。

8. Parameters Influencing a Two-Terminal Fault Location Method for Fault Location on Crossbonded Cables

在这一部分中，讨论了影响双端故障测距精度的参数。该方法不受故障起始角、故障电阻等参数的影响。高频故障分量的阻尼随着电缆线路长度的增加而增加。这对于长线路来说是一个潜在的问题，但对于未来丹麦电网中计划的大多数线路来说，这不是一个问题。

对于大型变电站，在选择输入信号时，应考虑母线对进线故障波的影响。对于GIS站，影响较小，选择将取决于连接变电站的线路数量。

在分析之后，同轴波仍然是用于故障定位目的的优选模式，因为影响速度的参数是恒定的或在工作区域中仅略微变化。

采样频率决定了故障定位器单元的水平分辨率，因此是故障定位精度的重要参数。然而，这种选择是经济的，因为市场上有非常快速的商业取样设备。

9. Choice of Fault Location Method

基于从前面章节中获得的知识，现在可以选择合适的故障定位方法。

从故障位置向FLT传播的同轴波的速度不受任何护套粘合方法的影响。这是一个强大的优势，因为所有电缆系统，无论其配置如何，都可以通过相同的故障定位器系统进行监控。

同轴波在任何频率下都是最快的。由于这一点，频率相关的模态变换是不必要的，以提取故障位置信息，和时域可以直接使用。这是一个优点，因为需要较少的计算工作量，但更重要的是，模态变换需要芯和鞘量作为输入。这意味着需要获取三个额外的信号才能使变换工作。

在真实的生活中，同轴波的传播速度很容易测量，它只取决于主绝缘的相对介电常数。由于主绝缘材料沿着整个电缆路线是均匀的，因此同轴速度也是恒定的。这是单端和双端故障定位方法工作的要求。介电常数不是温度或频率的函数，并且仅会随时间轻微变化。同轴波速度与任何电缆系统参数无关的事实是选择这种波类型的另一个有力论据。

由于变电站浪涌阻抗的电感性质，当电压波到达没有附加线路连接的变电站时，电压波的幅值增加一倍。随着更多的线路，特别是电缆的连接，传入的核心和鞘电流的波往往在幅度上增加一倍。同轴分量可以同样很好地从所有信号类型中提取，因此它们之间的选择取决于变电站。传统的电容分压器与接入的中性点的低压电容器将提供这样的测量可能性。可以用低压高带宽电流线圈（例如Rogowski线圈）来测量护套电流。

对于单线/单Transformer站配置，使用护套间电流的拟议护套电流法实际上不适用，因为它不包括整个电缆的第一个和最后一个小部分。此外，该方法使用鞘内模态速度，这取决于几个电缆和电缆系统的参数。此外，鞘层间波受鞘层粘合方法的影响，并且需要更多关于被监测系统上的波传播的技术知识来使用这些波类型确定故障位置。

双端测距法可用于混合线路、海底电缆、固连电缆和开路电缆的故障测距。这是选择双端方法的有力论据，因为如果给定正确的输入，相同的故障定位器单元可以监控整个丹麦传输系统。根据本部分前几章的调查结果：

以同轴恒速为输入的双端法可作为发展交叉键合电缆系统故障定位方法的基本策略。

然而，为了使这种说法成立，必须验证恒定的同轴波速实际上可以用作故障定位器系统的输入，并且在模拟中预测的同轴阻尼代表现实电缆中的同轴阻尼。这些假设将通过下一章中介绍的现场测量进行验证。

10. Travelling Wave-Based Field Measurements for Verification of Fault Location Methods for Crossbonded Cables

现场测量表明，它是可以使用基于行波的故障定位方法的Anholt陆地电缆已经进行。采用双端法，以铁芯电压、铁芯电流或护层电流作为输入，可以实现准确的故障测距。由于故障位置处的附加电感，在现场测量期间产生的初始故障波不像理想的电压崩溃。然而，在估计故障位置时仍然可以获得高精度。

提出了一种低故障波频率含量的处理方法。用一个合适的时间间隔来描述芯层和鞘层电流信号的到达时刻。其结果是故障被定位的间隔。在同时使用所提出的方法的核心和护套电流的情况下，故障位置被发现的间隔内。

提出双端法时做了两个假设。

恒定的同轴波速可以用作故障定位器系统的输入。
同轴波的衰减不会损害定位故障的能力。

在Anholt电缆上进行的现场测量中，这两个假设都成立。由于PSCAD/EMTDC预测的同轴波的行为显示出与现场测量中发现的相同程度的阻尼，因此本文前面提出的模拟和从中得出的结论也是可信的。因此：

利用同轴波速度和直接在时域分析的故障信号，使用同步双端法的故障定位适用于交叉键合电缆。

基于Anholt测量的结论也适用于其他单芯电缆的故障定位，因为同轴波仅取决于所有高压同轴电缆中发现的少数材料。

11. The Wavelet Transform and Fault Location on Crossbonded Cable Systems

在未来丹麦传输系统中安装的大多数电缆系统上，交叉连接电缆上的自动故障定位是可能的。随着电缆长度的增加，WLT准确拾取输入故障波的能力降低，从而降低了故障定位的准确性。 Haar小波在所有研究系统中的表现最好，表明这种特殊小波是分析电缆系统电压波形的一个很好的选择。由于自动故障定位器的性能非常依赖于系统，特别是对于较长的电缆线路，在选择为给定线路安装设备之前，对这种情况进行研究似乎更可取。对于较短的生产线，可以采用“一刀切”的解决方案。

在第八章中已经表明，在大多数实际情况下，视觉信号检测方法将给出给予良好的结果。因此，在这篇论文中，建议开发一个故障定位系统，结合小波和视觉为基础的检查方法作为最佳的整体解决方案。由受过训练的人进行的简单的视觉检查将减少对故障自动计算的故障位置信息采取行动的机会，并减少估计故障位置的误差。

12. Development of a Fault Locator System for Crossbonded Cables

在研究了不同的故障定位技术之后，很明显，在线行波法不适用于交叉连接电缆。第7章和第10章表明，在时域中分析的同轴信号将为双端法提供良好的输入。在第11章中，在研究了实现基于小波的自动故障定位系统的可能性之后，建议在所有情况下，时域信号必须由受过训练的人员进行检查，以验证自动故障定位系统执行的计算。

由于使用任何在线方法都需要在电缆两端记录的数据来进行故障定位，因此在变电站本地安装的故障定位器单元的任务变得非常简单：

在出现故障的情况下，记录三个输入信号，并将数据发送给中央处理

该任务必须在线执行，并且不能遗漏任何故障瞬变。如果电压信号用作故障定位单元（FLU）的输入，则必要元件的草图如图12.1所示，如果选择芯或鞘电流，则使用类似的设置，其中仅输入信号不同。

数据采集是唯一必须在线执行的任务。收集数据后，可以根据所选择的方法在几秒钟到几分钟的时间内进行处理。在每个电缆端收集的信号需要有一个共同的时间基准。这样的时间基准可以使用GPS单元获得。使用GPS协议，可以实现100ns的精度。

本章设计了一种基于行波法的交联电缆故障定位系统。基于美国国家仪器公司的PXIe平台，以Windows7为操作系统，研制了两套GPS-时间同步故障测距仪。

故障定位单元以4 MS/sec的速率从电压或电流互感器采样三个信号。信号逐点叠加，增强故障波，消除工频信号。基于连续小波变换的在线版本开发了触发机制。在发生故障的情况下，故障定位器单元的缓冲器中的数据被保存，并且如果用于所监测的线路的保护继电器跳闸，则数据被发送用于中央处理，在中央处理中提取故障位置信息。这些装置使用基于模块的测试方法进行测试，并准备安装在丹麦变电站。

13. 总结

这项工作的目的是开发一个故障定位系统，能够定位故障，高精度的交联电缆系统和混合线路。提出了一种两端同步行波法，并使用海上风电场Anholt电气连接的现场测量进行了验证。故障波的到来的情况下，识别的基础上相结合的视觉检查和小波基的方法。建议的故障定位器已建成的基础上提出的原则，并将安装在丹麦变电站在未来的电缆为基础的输电网的监测。随着故障定位系统的建立，问题表述中的所有问题都得到了充分的回答。

13.1 Summary of the Thesis

本文除引言和结语外，主要分为两个部分：第一部分是全文的主体部分;一个处理使用基于阻抗的方法的故障定位，一个处理使用行波方法的故障定位。在每一部分中，处理问题表述中确定的问题：

研究交叉粘接电缆系统在故障条件下的稳态和瞬态特性。
分析交联电缆系统故障定位研究的正确建模和仿真技术。
确定并尽可能改进交叉连接电缆和混合线路的最佳故障定位方法。
研究在交叉连接电缆网络和混合线路上进行足够准确的故障定位所需的必要测量设备。
为了验证所提出的故障定位方法，使用现场测量进行了现实生活中的交联电缆。
开发所提出的故障定位单元的原型。

13.1.1 基于阻抗的交联电缆故障定位方法综述

基于文献研究，人们发现，很少有研究已经进行了交叉键合电缆故障定位使用阻抗为基础的方法。提出了串联阻抗矩阵，它与系统的其他零序参数一起控制故障回路阻抗的行为。有人发现，一个精确的故障回路阻抗的解析表达式是非常困难的推导和几个假设。对于精度是主要关注点的故障定位问题，这是一个问题。

在DIgSILENT Power Factory中实现了一个详细的双截面交联电缆模型。有人发现，故障回路阻抗不是线性依赖于故障位置，由于换位的护套在交叉键合。这是交叉连接电缆的一个独特问题，也是基于阻抗的故障定位方法的一个主要困难，因为预期将故障回路阻抗与故障位置相关的是线性关系或由双曲线函数支配的关系。

由于返回电流共享返回交叉连接电缆上的源的公共路径，因此当从单侧测量时，在具有双侧馈入的螺栓故障的情况下，故障回路阻抗会受到影响。这也是交叉粘合电缆的独特问题，并且如果不应用补偿方法，则会进一步成问题。

通过对影响参数的研究发现，主要区段端部的接地电阻和变电站接地电阻对故障回路阻抗的影响并不显著。这是因为由于接地提供的高阻抗路径，几乎整个故障电流返回到护套系统中的源。在芯和护套之间的故障电阻不为零的情况下，可以看到双侧馈电的故障回路阻抗的真实的和虚部的强烈影响。由于电缆系统上每单位长度的故障回路阻抗很小，这是一个问题，因为只有一小部分测量阻抗与故障距离直接相关。

13.1.2 基于阻抗法的混合线路故障测距综述

基于阻抗的混合线路故障测距在实际应用中存在很大的困难。在接触三叶形和扁平结构中，与电缆系统相比，OHL系统的故障回路阻抗几乎是电缆系统的四到五倍。因此，当计算电缆段中的故障位置时，OHL的参数中的小误差将给予相对大的误差，因此该方法仅在理论上适用。

13.1.3 神经网络故障测距综述

研究了神经网络是否可以被训练来使用来自最先进的仿真程序（在这种情况下为DIgSILENT）的数据对交叉粘合电缆系统执行故障定位。对海上风电场Anholt的电气连接进行了大量基于阻抗的现场测量。所有可能类型的短路应用于几种组合的系统，它的结论是，模拟程序预测的交叉粘接电缆系统的行为很好，但精度低。故障回路阻抗的真实的部分和虚部的61%的偏差高达200%。因此，神经网络的训练数据对于现实行为将是无效的，因此该方法实际上不适用。因此，第一部分的主要结论是：

基于阻抗的方法不适合于纯交叉连接电缆或混合线路的故障定位。

13.1.4 基于行波法的交联电缆故障测距方法综述

进行了文献研究，以检查使用基于行波的故障定位器的交联电缆。人们发现，很少有研究已经进行，发现的少数参考文献只集中在非常短的电缆。此外，故障波在交联电缆上的传播还不是一个深入研究的领域。人们发现，在得出任何结论之前，还需要进行更多的研究。

首先研究了三相单芯电缆系统的波传播。引入模态域，确定了接触三叶形和平板形索系的模态分解。有人发现，同轴波是最快的波存在于系统中的任何频率的兴趣，只有同轴波时，一个理想的故障是在电缆系统上的任何地方的芯和护套之间施加。

研究了波在交联电缆上的传播，发现每次同轴波到达时，在交联处会产生鞘层间波和地模波。出于故障定位的目的，这意味着到达故障定位器端子的第一鞘层间模式波尚未从故障位置行进，而是在最靠近故障定位器端子的交叉接合处产生。

通过对长交联电缆系统中故障波传播的研究发现，由于交联处护套之间的互连，在一根电缆的芯和护套之间传播的故障波的一部分被反射到另外两根电缆上。经过4-5个大断面后，三根电缆上都出现了等幅的故障波。初始故障波幅度的减小是交叉粘结电缆特有的问题，并且可能使噪声环境中的故障定位更加困难。

单端和双端故障测距法在交联电缆中的应用

对三大截面交联电缆的实际故障定位进行了研究。结果表明，采用同轴模态速度定义波速，直接在时域内提取故障波的到达时刻，双端法可以得到非常精确的结果。芯电压、芯电流或护套电流信号都可以用作故障定位器的输入，而信号类型的选择取决于在被监测电缆所连接的变电站处连接的附加电缆或OHL的数量。随着更多的线路被连接，电流信号变得更有利于用作输入，然而，如果使用单线/单Transformer配置，则仅磁芯电压信号是适用的。

单端方法在交叉连接电缆上使用是非常有问题的，因为当行波遇到交叉连接点时会产生所有模态波类型。单端方法依赖于捕获来自故障位置的第二波，但是由于系统中行进的波的数量巨大，来自故障位置的第二波变得非常难以与在交叉接合处产生的波区分开。

对护套电流信号法进行了检查，但得出的结论是，该方法在实践中不适用，因为使用该方法无法确定最接近故障定位器端子的小部分中的故障位置。

影响交联电缆双端故障测距方法的参数

检查了影响双端法的最重要参数的影响。

单芯电缆系统上的波速与频率有关。最高频率的分量传播最快，这使得初始波看起来分散开，并且精确的到达时刻变得更加难以精确地确定。然而，影响很小，对于小于50 km的电缆系统（占丹麦所有线路的98.6%）无需进行校正。

研究了不同类型变电站母线对故障波的影响。已经发现，对于一定大小的户外变电站，总是使用电压波作为故障定位器的输入变得有利，因为当波遇到母线时，进入的故障波几乎加倍。站间波稳定所花费的时间大于用于基于行波的故障定位的采样时间，并且站间波因此被拾取。在变电站的电缆终端处，由于负的电流反射系数，芯电流和护套电流波相对于进入的故障波减小到约15%。对于GIS站，母线较短，浪涌阻抗与高压同轴电缆的浪涌阻抗更接近，信号行为由连接到GIS的附加线路的数量决定。

挤压绝缘电缆的内部和接头故障总是发生在峰值电压附近，此时绝缘应力最大。然而，可以预期的是，一些偏差，并在故障的情况下，故障起始角为25 °，30 °和45 °的波流进行了模拟，故障波到达故障定位器的终端的实例可以识别没有损失的精度。

研究了同轴模态速度对电缆和电缆系统参数的敏感性，发现同轴模态速度不仅与温度有关，而且与频率有关，但在电缆正常工作条件下，其影响很小。半导体层的影响进行了研究，特别注意到他们的频率依赖的介电常数和同轴衰减的效果。根据现有文献，可以得出结论，影响也很小，不需要补偿。后来进行了实地测量，以证实这些说法。

对目前用于故障定位的仪器变换进行了研究。电容式电压互感器可接入电容式分压器的中性点，Rogowski线圈可用于测量护套电流，精度很高。几位作者推荐使用电感式电压和电流互感器，但与电容式电压互感器和Rogowski线圈相比，这两种变压器类型的承诺带宽较低。因此，在获得更多经验之前，建议始终使用容性电压Transformer或Rogowski线圈（如果使用电感变压器）的参考信号。

混合导线

针对具有交叉连接电缆和OHL的混合系统，重新设计了一种混合直流线路故障测距方法。该方法适用于任何组合的线段，并验证了使用模拟的混合线路组成的一个3公里的1主要部分交联电缆和40公里的OHL。此外，使用丹麦海上风电场Horns Reef 2的电气连接模型对该方法进行了测试。结果发现，由于阻尼主要在海底电缆部分，这是有益的，安装在反应堆站靠近海底电缆的开始一个额外的故障定位器。这减少了被监测线路的总长度，并显著提高了精度。

根据第一章的研究结果，得出的结论是，如果一个恒定的同轴波速度可以用作输入的故障定位器，如果由当前的仿真模型预测的阻塞程度是代表现实生活中的同轴阻尼的双端方法是可用的。为了验证这些说法，对Anholt电缆的电气连接进行了现场测量。

基于行波法的交联电缆故障定位方法验证

对Anholt海上风电场的部分电气连接进行了现场测量。在38km系统上施加故障，并在电缆两端的两个端子处测量瞬态响应。的测量时间同步，它被发现，可以得到一个非常准确的估计故障位置使用所提出的方法。建立了同轴波传播速度的测量方法，并利用这些方法测量了安霍尔特电缆上的同轴波传播速度。经验证，可以使用恒定的同轴波速度，并且由当前电缆模型预测的同轴衰减与在Anholt电缆上获得的结果一致。根据现场测量结果，得出以下结论：

利用同轴波速度和直接在时域分析的故障信号，使用同步双端法的故障定位适用于交叉键合电缆。

小波变换与交联电缆系统故障定位

研究了小波变换在交联电缆故障定位中的应用。结果表明，该变换可以在较短的电缆系统（约小于20公里），以高精度确定故障位置。对于较长的电缆，建议将自动小波变换的使用与时域信号的视觉检查结合联合收割机。在所有情况下，这增加了故障位置估计的准确性，并减少了小波变换作用于故障估计的机会。

交联电缆故障诊断系统的研制

研制并实现了一个能对交联电缆进行故障定位的故障定位系统。

两个故障定位器单元，必须安装在每个电缆末端的每个终端，将在被监测线路发生故障时采集输入信号。这些装置是永久安装的，并不断监测信号。它们将在出现故障时触发并保存其输入。在本地记录数据之后，将其发送到远程位置的中央处理，在远程位置处，可以基于基于小波方法和所开发的视觉检测方法的组合使用来估计故障位置。

可以自由选择芯电压、芯电流或护套电流作为故障定位器单元的输入。在每个电缆端的输入可以不同，其中选择将取决于站和连接到站的附加线路的数量。故障定位器单元可用于监测纯交叉连接电缆和混合线路，因为这只是两种系统配置的故障后数据处理不同。

故障定位单元采用国家仪器仪表公司的4MS数据采集卡和GPS时间同步卡实现。在Windows 7平台上的Labview中开发了必要的软件。本文提出了一种基于小波变换的触发器系统，该系统能够对所有实际故障信号进行触发，并采用了一种针对交联电缆的信号预处理技术。使用模拟和现场测量数据对装置的功能进行了验证，并发现其按预期运行。