電橋正反接線平均法測量電纜故障距離的研究

劉寒遙 黃賀 胡浩 楊廷方

（1.湖南省計量檢測研究院，湖南長沙 410014；2.長沙理工大學(xué)，湖南長沙 410076）

0 引言

電力電纜同架空線路一樣，主要用于分配電能。另外，有的電力電纜也可作為電氣設(shè)備、線路間的連接線。電纜在工業(yè)用電、建筑用電等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但當(dāng)其發(fā)生短路接地時，尋找故障點是一件令人頭疼的事情。為了縮短停電時間，防止短路電流燒壞電氣設(shè)備，必須盡快找到電纜故障點進行修復(fù)。通常電力電纜要么是通過電纜溝或電纜橋架沿溝或橋鋪設(shè)，要么是埋設(shè)于地下，一旦發(fā)生短路接地，不便于直接觀察發(fā)現(xiàn)故障點，而沿溝找故障點也是一件極其麻煩的事情。電纜的故障測距就是通過對電纜的電氣參數(shù)如電壓、電流、電阻等進行測量，然后計算出電纜故障點的位置。對于日益增多的電纜故障，實現(xiàn)電纜故障距離的精準定位越來越迫切和重要。常見的電纜測距方法有平衡電橋法、閃絡(luò)法、脈沖法等，由于儀表的測量精度及電纜敷設(shè)路徑測量的誤差影響，以上各種測量方法往往在測距上都存在一定的誤差。

本文基于單臂電橋，采用正反接線平均法測量電纜故障的距離，比用單臂電橋直接測量提高了測距精度，獲得了更準確的電纜故障距離測量結(jié)果。

1 電力電纜的優(yōu)點

（1）占用空間小。尤其是地下敷設(shè)的電纜，不占用地上空間，不影響市容。

（2）供電可靠性高。尤其是直埋電纜及溝、隧道敷設(shè)電纜，其由于近似封閉的運行環(huán)境，不用遭受日曬雨淋、風(fēng)吹雨打，也很少受雷電、鳥害、掛冰、人為故障等外界因素的影響，故持續(xù)供電性好，供電可靠性高。

（3）可防止人身觸電，安全性高。電纜線路敷設(shè)于地下或橋架以及溝道內(nèi)，無論發(fā)生何種故障，電纜很好地進行了接地和屏蔽，最多會造成電纜線路跳閘，很少會發(fā)生漏電，導(dǎo)致人畜觸電。

（4）分布電容較大，可實現(xiàn)負荷端的無功就地補償。電纜的導(dǎo)電芯與大地之間是絕緣材料，此結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個電容器，而電容能產(chǎn)生無功輸出，有利于提高線路的無功以及功率因數(shù)。

（5）運維工作量小。電纜的導(dǎo)電芯外面是絕緣材料，其埋在地下，運行環(huán)境受外界影響小，除非遇到特殊情況，一般很難會發(fā)生故障。

2 電力電纜的問題和缺點

（1）投資成本高，輸送容量不高。對于同樣的導(dǎo)線截面積，電纜的輸送容量要比架空線路小。對于相同的輸送容量，電纜的綜合投資費用為架空線路的幾倍。

（2）分支箱或T型接頭多，一旦發(fā)生故障，可能會擴大事故范圍甚至發(fā)生全停。

（3）電力電纜多在地下或溝道內(nèi)，尋找故障點比較麻煩。

（4）要制作電纜頭，成本費用高，對工藝要求也比較高。

3 電力電纜基本結(jié)構(gòu)

電力電纜的主要結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電芯線，外包絕緣層，有的還包有金屬鎧裝，并加以接地。三相輸電導(dǎo)體相互間都必須有絕緣材料，并要保證絕緣材料的絕緣性良好。電力電纜的絕緣層材料應(yīng)具備下列主要性能：（1）高擊穿強度；（2）低介質(zhì)損耗；（3）相當(dāng)高的絕緣電阻；（4）優(yōu)良的耐放電性能；（5）一定的柔性和機械強度；（6）絕緣性能長期穩(wěn)定。為了保護好絕緣層，避免石頭等堅硬物破壞以及防止挖機挖破，絕緣層外面往往還有保護層。

4 三相電纜單相接地電橋法測量故障距離原理

三相電纜單相接地電橋法測量故障距離原理如圖1所示，接地電阻為R。

本次采用的是單臂電橋。測量前，在電纜的末端用與電纜同型號的跨接線將故障相與非故障相短接，如圖1所示。再在電纜首端將非故障相電纜與故障相電纜分別與單臂電橋的x端和x端連接，作為電橋的另外兩個臂。設(shè)電纜的長度為L，故障距離為L。當(dāng)合上電源開關(guān)S后，調(diào)節(jié)電阻r，當(dāng)檢流計指示平衡時，根據(jù)平衡電橋原理，則有：

由式（1）可得：

式（2）即電纜故障距離測量公式。

如圖1所示的電橋x端連接良好相，而x端連接故障相的接線稱為正接法。反之，如將x端接良好相，x接故障相，則稱為反接法。同理可得，反接法計算公式為：

一般情況下，測量時用正、反接法進行兩次測量，取其平均值為電纜故障點的距離，這樣可減少測量誤差，該種方法也叫正反接線平均法。

5 三相電纜兩相短路電橋法測量故障距離原理

三相電纜兩相短路電橋法測量故障距離原理如圖2所示，設(shè)BC兩相短路。

測量三相電力電纜中兩相短路故障距離與測量單相接地故障距離基本相似。如圖2所示，采用的是單臂電橋。測量前，任選一條故障相電纜。在電纜的末端用與電纜同型號的跨接線將故障相與非故障相短接，再在電纜首端將非故障相電纜與故障相電纜分別與單臂電橋的x端和x端連接，而另一條故障電纜與電源的負極相連再接地。設(shè)電纜的長度為L，故障距離為L。當(dāng)合上電源開關(guān)S后，調(diào)節(jié)電阻r，當(dāng)檢流計指示平衡時，根據(jù)平衡電橋原理，則同樣可得式（1），因此對應(yīng)電纜的故障距離也是式（2）。同樣也可以用正、反接法進行兩次測量，取其平均值為電纜故障點的距離。另外一條電纜的故障距離也是同樣的算法。

6 現(xiàn)場測試

某市區(qū)有一條電壓為10 kV的三相銅芯油紙絕緣電纜，全長為1 200 m，在運行中發(fā)生故障，電纜截面為3×120 mm。用兆歐表測量電纜各相的絕緣電阻，測量結(jié)果如表1所示。后用本文提出的方法，準確計算出了故障點的距離。

本次電纜故障點的距離計算步驟如下：

（1）根據(jù)表1發(fā)現(xiàn)C相對地的絕緣電阻要比其他相低一個數(shù)量級，可判斷C相單相接地。

（3）用電橋法測故障點時，電橋兩臂的讀數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2的測量結(jié)果，由式（2）計算出正接法時，

由式（3）計算出反接法時，

則求正反接線平均法的值：

（4）為了準確反映預(yù)測精度，本文采用相對誤差（Maximum Percent Error，MPE）作為評價指標(biāo)來比較幾種方法故障距離測量的準確度。MPE表達式為：

MPE值越小，表明測量效果越好。

后實地檢測發(fā)現(xiàn)，故障點的距離為748.6 m，由此可算出正接法、反接法以及正反接線平均法測量故障點距離的相對誤差。由式（4）計算得到正、反接法以及正反接線平均法這三種測量方法的相對誤差，如表3所示。

由表3可知，正接法測量故障距離的相對誤差為3.4%，反接法測量故障距離的相對誤差為2.8%；而正反接線平均法測量故障距離的相對誤差為0.3%，遠低于前兩者，是正接法相對誤差的約1/11，是反接法相對誤差的約1/9。因此，用正反接線平均法測量故障距離更加準確。

7 電力電纜故障遠程檢測系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)通過對電纜絕緣電阻及正反接線電阻進行采集和分析，對整個區(qū)域電網(wǎng)的電纜故障診斷及故障距離的測量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。電力電纜故障遠程檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

如圖3所示，電力電纜故障遠程檢測系統(tǒng)共分為三個部分：

（1）第一部分為現(xiàn)場層，也是核心層。該層主要負責(zé)采集各電纜的絕緣電阻和正反接線電阻r、r，用以判斷是否有電纜故障以及電纜的故障距離。該部分采用多回路絕緣監(jiān)測單元PMC-512-J進行絕緣電阻測量和其他電阻測量，所采集到的數(shù)據(jù)通過iSmartGate智能網(wǎng)關(guān)進行通信，向遠方云端傳輸。

（2）第二部分為網(wǎng)絡(luò)層，主要進行網(wǎng)絡(luò)通信。該部分網(wǎng)絡(luò)空間有云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)的存儲和訪問。

（3）第三部分為應(yīng)用層，該部分主要為電腦終端和用戶服務(wù)。用戶可使用PC電腦、筆記本電腦以及其他移動終端如智能手機，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對云端數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行訪問，了解故障電纜以及故障距離，再進行消缺處理。

8 電力電纜故障遠程檢測系統(tǒng)工作流程

根據(jù)電橋正反接線平均法測量電纜故障距離的原理，結(jié)合電纜故障判斷和故障距離測量工作的實際需要，對電力電纜故障遠程檢測系統(tǒng)的工作流程進行分析，結(jié)果如圖4所示。

9 多回路絕緣監(jiān)測單元PMC-512-J

多回路絕緣監(jiān)測單元PMC-512-J是針對數(shù)據(jù)中心、光伏發(fā)電等高壓直流配電系統(tǒng)所開發(fā)的一款高性價比的電力監(jiān)控儀表，支持RS-485通信，具有高通信速率；能測量21路絕緣電阻，存儲多達5 000條定時記錄；具有多路輸入/輸出口；其以工業(yè)級微處理器為核心，處理速度快，支持多回路測量，具有很高的性價比。

10 iSmartGate智能網(wǎng)關(guān)

（1）隨著電子通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等技術(shù)迅速發(fā)展，越來越多工業(yè)、建筑、電力、交通等大型能源用戶希望借助科學(xué)的管理手段，對能源進行分布式監(jiān)測、集中監(jiān)管，構(gòu)建能源物聯(lián)網(wǎng)。

（2）釋放數(shù)據(jù)潛力，能耗采集先行，iSmartGate智能網(wǎng)關(guān)作為能耗采集終端與監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)橋梁，提供連接末端設(shè)備和云平臺的能力。

（3）具有邊緣計算的特點，能就近提供實時高效的數(shù)據(jù)處理、運算及邏輯編程控制功能，分擔(dān)主站服務(wù)器數(shù)據(jù)處理壓力。

（4）具有鏈路安全保障和MD5身份認證機制，支持AES、DES等加密算法，TLS安全協(xié)議。

（5）支持快速設(shè)備接入，有多種通信方式，可快速接入多種末端感知設(shè)備。

（6）具有遠程配置維護，支持遠程配置調(diào)試，維護高效。

（7）具有輕量化主站，能以Web方式查看告警信息、實時/歷史數(shù)據(jù)曲線、事件記錄等，可構(gòu)建輕量化小型監(jiān)控系統(tǒng)。

11 結(jié)語

隨著電纜在電力行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，電纜故障距離的準確測量越來越重要。本文針對電纜故障距離測量，首先介紹了三相電纜單相接地電橋法測量故障距離原理，然后介紹了三相電纜兩相短路電橋法測量故障距離原理，在此基礎(chǔ)上提出了正反接線平均法。分別用文中提出的正、反接法以及正反接線平均法這三種測量方法對某市區(qū)一條電壓為10 kV、發(fā)生單相接地故障的三相銅芯油紙絕緣電纜進行故障距離測量，正、反接法測量故障距離的相對誤差分別為3.4%、2.8%，而正反接線平均法測量故障距離的相對誤差為0.3%，遠低于前兩者，這也證明了正反接線平均法的有效性和可靠性。最后，構(gòu)建了電力電纜故障遠程檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)的電纜故障遠程判斷和距離測量，大大提高了電纜故障處理的效率。