電力電纜故障測試技術(shù)研究

王 巍， 劉石川

(1.鄂爾多斯電業(yè)局，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000;2.內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

0 引言

電力電纜故障的檢測是一個世界性的課題。上個世紀30年代，國外刊登了一篇論文《電纜中擊穿點之故障探測》，首先提出了用高壓沖擊來使故障點放電，用沖擊電流表粗測電纜故障的論點，這一觀點為以后電纜檢測技術(shù)的發(fā)展和手段的豐富奠定了基礎(chǔ)。電纜故障檢測設(shè)備是伴隨著先進電子技術(shù)的出現(xiàn)而誕生的。電纜故障檢測技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的過程。上個世紀七十年代以前，主要是采用電橋法和低壓脈沖法(又稱時域反射法)，電橋法及低壓脈沖測距法在測量電纜的接地故障和開路故障方面，可以說是相當完善了。然而對于高阻故障(泄露高阻和閃絡(luò)高阻)的尋測，采用上述方法則是無能為力的，必須另辟蹊徑。盡管后來又出現(xiàn)了用高壓電橋(輸出高壓10kV)測高阻故障，但大多還需“燒穿”，故障可測率很低。

本文在分析了電纜故障診斷傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對各種技術(shù)的應(yīng)用詳細闡述，討論了未來在電纜測試診斷技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，具有很好的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 電纜故障測試技術(shù)的發(fā)展

通過引言介紹，我們知道電橋法實質(zhì)上只能解決電纜部分故障的測試。而電纜的故障千奇百怪，三相全壞的情況常有發(fā)生。為了解決諸多難題，，在西安電子科技大學科研人員的努力下，我國才有了真正意義上的電纜故障檢測儀。儀器的基本原理應(yīng)用了微波傳輸(雷達測距)理論，即脈沖法。無論低壓脈沖法還是高壓脈沖法均是依據(jù)微波在“均勻長線(電纜)”傳輸中，因其某處(故障點)特性阻抗發(fā)生變化對電波的影響來微觀地分析電波相位、極性及幅度等物理量的變化，來測得電波傳輸?shù)焦收宵c的時間再計算出故障點的距離。即:

式中，v為電波在不同介質(zhì)電纜中的傳輸速度;t為電波從始端到故障點再返回始端的時間。

1.1 脈沖回波返射法之電子管、晶體管階段

我國第一臺電纜故障檢測儀DGC—711可以等同于一臺示波器，其電路與一般脈沖示波器相似，不同的是采用了貯能示波管。利用其可有限保持瞬時暫態(tài)信號波形的特性來觀察故障點放電時的電壓波形，拍照記錄再分析照片上的波形，以此計算出故障點的距離。其原理圖如圖1所示。

基于當時的技術(shù)水平，DGC—711全部由分立元件組裝而成，因此，各項功能均采用手動切換。做高壓脈沖測試時(閃絡(luò))取樣方式采用電阻分壓法。

圖1 DGC—711閃測儀基本原理框圖

1.2 單片機用于故障檢測階段

上世紀90年代初期，國內(nèi)電纜故障檢測儀在電路設(shè)計中大多采用了CPU處理器、高速的A/D轉(zhuǎn)換器、單片機編程控制等新技術(shù)，初步實現(xiàn)了半自動化。其基本原理和連線見圖2。

圖2 電纜測試儀基本原理框圖

與第一代電纜故障測試儀相比，此階段電纜故障檢測儀在信號處理技術(shù)上是一個大的飛躍。它充分利用微處理器龐大的數(shù)據(jù)處理功能及豐富的軟件，徹底改變了原來用貯存示波管觀察瞬態(tài)模擬波形，用人工估讀故障波形距離的傳統(tǒng)方法，做到了一次采樣獲得的瞬態(tài)波形可以永遠顯示、保存，并且用光游標自動跟蹤故障特征波形，自動換算故障點距離，自動數(shù)字顯示，自動打印等。還可以根據(jù)不同種類的電纜電波傳輸速度自動修正測試距離。基本上實現(xiàn)了電纜故障測試半自動化、半智能化。

1.3 計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)階段

新世紀伊始，隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，電腦走進了千家萬戶。人們不再滿足于儀器的“簡單”使用，于是就出現(xiàn)了信號采集和顯示、分析等功能的分解。即通過前置器采樣信號并處理后送入筆記本電腦，在電腦上顯示波形，采用專用軟件完成對波形的分析、存取、閱讀、比較等，給出最終的結(jié)果。

1.3.1 技術(shù)的進步

這一時期的產(chǎn)品在采樣頻率提高到最高達40 MHz，大大提高了儀器的響應(yīng)速度和分辯率，儀器的操作已趨鼠標化。測試距離最大到40 km，測試盲區(qū)15 m左右。同時儀器采用了高集成化及SMT(表面貼裝)技術(shù)，更加小巧，便攜、可靠。軟件方面由匯編語言過渡到高級語言編程，工作平臺升級為Windows系統(tǒng)，軟件功能強大而豐富，使人機對話進一步友好。由于采樣頻率的提高(40 MHz)和信號采集技術(shù)的創(chuàng)新，新的取樣方式感應(yīng)式應(yīng)運而生，實現(xiàn)了測試與高壓完全隔離，人身的絕對安全。其原理圖如3所示。

圖3 智能電纜儀原理框圖

1.3.2 測試波形的改變

第一、二代電纜故障檢測儀采用高壓分壓，電感取波形(沖L法)方式，即電壓取樣法(見圖4)。在故障點擊穿時，實質(zhì)上是一個LC的振蕩電路，所以故障點放電的電壓波形往往是疊加在余弦大振蕩波上，并且很容易被淹沒。改用新一代檢測儀及感應(yīng)法取樣后波形基本處于同一水平基線，而且會反映出多個周期，分析時可選取更為理想的一個周期波形，使人為的讀數(shù)誤差減至最小。同時增加了同屏雙波形顯示，即測試區(qū)域放大波形及全貌波形同時記錄、顯示，加之現(xiàn)有的各種比較波形功能，使用起來將更加容易、快捷。特別是實時波形的打印功能，解決了測試波形歸檔保存的難題，方便以后的查閱、分析。

圖4 第一、二代儀器高壓脈沖法測試波形

1.3.3 定點儀技術(shù)的改進

由于電纜故障點在被擊穿后產(chǎn)生電磁波和聲波，因此傳統(tǒng)方法是接收兩者信號并處理放大，通常電磁波強度用指針式電壓表指示，聲波則通過耳機輸出，兩者均為最大(強)時即為故障點，這種接收技術(shù)被稱為“聲磁同步”法。其原理圖如圖5所示。

定點儀新技術(shù)中對電磁波進行了更細的分解。由于電磁波在空氣中的傳輸速度比聲波快，通過計時電路記錄兩者到達的時間再經(jīng)邏輯運算給出故障點距離。即:

圖5 定點儀原理框圖

另一種方法則是通過對瞬時電磁波及聲波信號進行整理后顯示出波形(如圖6)，在二者波形起點重合時即認為此處為故障點位置。

圖6 依據(jù)波形判別故障點示意圖

2 電纜故障測試的方法

2.1 低壓脈沖法

低壓脈沖法是依據(jù)微波傳輸理論(雷達原理)，在電纜故障相上加一脈沖信號，當電波傳輸?shù)焦收宵c時必然有部分反射回來，通過分析入射波與反射波的時間差，計算出故障點的距離。由于輸出的信號電壓低(通常為150V)很安全，因此，被稱作低壓脈沖法。此方法可用來測量電纜的低阻故障、開路故障、電纜長度以及部分中間接頭的位置。其波形規(guī)律如圖7。

圖7 開路故障及全長低壓脈沖法測試波形

電纜只有在充分放電后，才能使用脈沖法進行測量。開路、全長反射波與起始波同極性。當?shù)妥瓒搪饭收蠒r，波形中不出現(xiàn)全長反射波。電纜的中間接頭的反射波一般與發(fā)射波同極性，偶爾也出現(xiàn)負性，脈沖幅度要比故障點或電纜終端的反射脈沖幅度小;T型接頭反射波與發(fā)射波反極性，且幅度較大。

2.2 高壓脈沖法

高壓脈沖法可測所有類型的故障，尤其對泄漏高阻更為有效。電纜所加的沖擊電壓大小應(yīng)以故障點能充分閃絡(luò)放電，儀器能記錄到理想的沖閃波形為好，切勿一開始就將球隙調(diào)得很大。若故障點放電困難，應(yīng)盡可能地加大貯能電容容量或提高沖擊電壓(增大球隙間距)。但是切勿一直加壓沖閃。圖8、圖9為高壓脈沖法初測電纜故障接線示意圖與波形圖。

圖8 高壓脈沖法初測電纜故障接線示意圖

圖9 沖閃法幾種常見典型波形

3 多次脈沖法在電纜故障測試上的應(yīng)用

綜上所述，二次脈沖法和多次脈沖法概念的提出是建立在高壓閃絡(luò)法中高壓擊穿并使故障點放電這一基礎(chǔ)上的。電纜故障點被擊穿時會產(chǎn)生電弧而形成瞬間的短路，呈瞬間低阻故障特性。在燃弧穩(wěn)定階段(或稱瞬間低阻區(qū))再在電纜上加一個低壓脈沖信號，則會出現(xiàn)一個和用低壓脈沖法測試低阻故障時相同的波形。把這種在電纜上同時施加高壓脈沖和低壓脈沖的方法稱為二次脈沖法，若低壓脈沖信號是周期發(fā)送的則稱為多次脈沖法。圖10為多次脈沖法原理接線圖。

本文采用FCL-2056M電子式一體化脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高壓多次脈沖信號，采用FCB-6操作箱，F(xiàn)VT-6/50輕型試驗變壓器、FPC-25/12高壓脈沖電容、FCL-2061安全型刻度球隙產(chǎn)生高壓沖擊信號，對故障電纜進行了波形實測。波形如圖11、12所示。

圖10 多次脈沖法測試接線圖

圖11 多次脈沖法實測波形

圖12 多次脈沖法實測波形

上述實驗證明，多次脈沖法的另一先進性在于它能周期性發(fā)射脈沖信號，保證了在故障點處于短路電弧狀態(tài)時必有一個或多個反射波回來，從而顯示出測試波形。多次脈沖法的測試基本原理還是傳輸線理論的波反射原理，只是相對普通高壓脈沖法來說，它用高壓脈沖使故障點形成瞬間短路電弧，在燃弧期間再發(fā)一低壓脈沖到故障電纜，此時，即可得到高阻故障的低壓脈沖波形，此波形比普通高壓脈沖波形易于判讀，完全如同判讀分析低壓脈沖波形，如再將低壓脈沖測全長的波形與之同屏比較顯示，則更加易讀。

當在電纜故障相施加沖擊高壓閃絡(luò)時，故障點經(jīng)歷起弧—弧穩(wěn)定—弧熄滅三個階段，短路電弧總共持續(xù)約240 μs，只有在弧穩(wěn)定階段(約80 μs)所加的低壓脈沖信號才真正有效且返回到測試端。因為短路電弧在起弧和熄弧兩個階段均不穩(wěn)定，測試電路中脈沖儲能電容與放電回路中分布電感形成LC振蕩回路，使芯線上存在幅度很大的衰減余弦振蕩波和故障點擊穿時在故障點與測試端來回反射的脈沖波，波形雜亂無章。多次脈沖法實際上也可歸納為高壓閃絡(luò)法的范疇，都是利用故障點在沖擊高壓作用下電弧將故障相和電纜地線短路的特性來完成測試的。

4 總結(jié)與展望

總而言之，多次脈沖法電纜儀的先進性在于從根本上解決了讀波形難的問題，因為它將沖擊高壓閃絡(luò)法中的所有復(fù)雜波形變成了極其簡單的一種波形，即低壓脈沖法短路故障測試波形，易識別易掌握，使用人員稍加理論培訓就能達到快速準確測量故障距離的目的。

在通用的計算機平臺上定義和設(shè)計儀器，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。在真正意義上實現(xiàn)了人機界面友好，真正的一機多功能。由此可見，在今后的發(fā)展中，這種虛擬儀器發(fā)展方向必將成為電纜測試技術(shù)發(fā)展的主流。

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