三次脈沖法在電纜現(xiàn)場故障探測中的應(yīng)用

梁 艷，焦洪峰，馬 翔，寧會朋

LIANG Yan1, JIAO Hong-feng2, MA Xiang2, NING Hui-peng3

（1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620；2. 東海西湖石油天然氣作業(yè)公司，上海 200030；3. 東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大慶 163318）

三次脈沖法在電纜現(xiàn)場故障探測中的應(yīng)用

The application of three pulse method in cable fault detection

梁 艷1，焦洪峰2，馬 翔2，寧會朋3

LIANG Yan1, JIAO Hong-feng2, MA Xiang2, NING Hui-peng3

（1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620；2. 東海西湖石油天然氣作業(yè)公司，上海 200030；3. 東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大慶 163318）

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，電力電纜在城網(wǎng)供電中所占的份量也越來越重，同時隨著電纜數(shù)量的增多及運(yùn)行時間的延長，電纜的故障也越來越頻繁。一旦發(fā)生故障，若不及時的查找到故障點(diǎn)的具體位置并排除故障恢復(fù)供電，通常會造成的巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此準(zhǔn)確，快速地尋找到故障點(diǎn)就具有重大的意義和實(shí)際價值。本文在分析了常見的電纜故障的基礎(chǔ)上，采用了三次脈沖技術(shù)用于實(shí)際的電纜故障測距。在實(shí)際的應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)：三次脈沖法在尋找故障點(diǎn)時，準(zhǔn)確，快捷，精度高，是今后電纜故障測距的首選方法。

電力電纜；高阻故障；三次脈沖法

0 引言

電力電纜作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，它的安全運(yùn)行具有重要意義。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，電力電纜在城網(wǎng)供電中所占的份量也越來越重，同時隨著電纜數(shù)量的增多及運(yùn)行時間的延長，電纜的故障也越來越頻繁。但是由于電纜埋入地下，而且有些傳輸電纜較長，所以當(dāng)電力電纜發(fā)生故障而影響正常供電時也給查找電纜故障點(diǎn)帶來一定的困難。其主要原因在于電纜埋入地下，看不見，摸不著，有時在電纜敷設(shè)位置不清時將更難處理。過去在沒有先進(jìn)的測試設(shè)備的情況下，查找一個電纜故障點(diǎn)往往需要幾天或十幾天時間。并會造成難以估量的停電損失。因而電力電纜的故障查找是多年來困擾電力部門正常供電的重要問題之一。

迅速、準(zhǔn)確地確定電力電纜的故障點(diǎn)，能夠有效地提高供電可靠性，減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失。因此加強(qiáng)電纜故障探測技術(shù)的研究，提高電纜故障探測技術(shù)整體水平，是目前亟待解決的重大課題。

1 常見電纜故障及解決方法

1.1 常見電力電纜的故障性質(zhì)分析

電纜線路故障按其故障性質(zhì)分主要有：短路故障、接地故障、斷線故障、閃絡(luò)性故障和綜合性故障亦可分為低阻故障和高阻故障兩大類。一般前者是故障點(diǎn)直流電阻為零的完全短路故障和直流電阻不為零但小于電纜特性阻抗的故障后者為直流電阻大于電纜特性阻抗的故障。

1）短路故障

通常當(dāng)電纜線芯絕緣被擊穿引起短路故障。其中也分為低阻故障和高阻故障。

2）接地故障

電纜絕緣擊穿后的接地故障分為低阻接地和高阻接地故障，不同儀器有不同劃分，一般接地電阻≤1 kΩ為低阻故障，反之為高阻故障。

3）斷線故障

電纜線芯被短路電流燒斷或外力破壞引起斷線故障，按其故障點(diǎn)對地電阻的大小也可分為低阻故障和高阻故障，用測量電容量的方法判斷較方便。

4）閃絡(luò)性故障

電纜接頭和終端內(nèi)絕緣間隙放電，造成絕緣擊穿為擊穿故障。當(dāng)絕緣擊穿后又恢復(fù)正常，即使提高試驗(yàn)電壓也不再擊穿為封閉性故障。這兩種都屬于閃絡(luò)故障。表現(xiàn)為試驗(yàn)電壓升到某一值時，電纜泄漏電流突然升高，并且測量表針呈規(guī)律性擺動，降低電壓時，現(xiàn)象消失，測量絕緣電阻值仍很高。

5）綜合故障

同時存在上述兩種及以上的故障為綜合故障。

1.2 電纜故障查找的程序

電纜發(fā)生故障后，首先應(yīng)判定電纜的故障性質(zhì)，先測量每相對地絕緣電阻，如果絕緣電阻為零，再用萬用表或電橋進(jìn)行測量，以判斷是高阻還是低阻故障，最后測量相間絕緣電阻，判斷是否存在相間短路，有了準(zhǔn)確的故障性質(zhì)判定結(jié)論后，便可選擇合適的探測儀器和確定尋測方法。

常用的方法有：電橋法、脈沖法、音頻法等。本文將對脈沖法重點(diǎn)研究。

2 脈沖技術(shù)概述

目前，各電力用戶普遍使用的各類電纜故障測試儀，都是利用高壓閃絡(luò)法測試電纜的高阻故障。這種傳統(tǒng)的測試方法，由于實(shí)測波形復(fù)雜，且容易發(fā)生畸變，與標(biāo)準(zhǔn)測試波形相差甚遠(yuǎn)。這樣給測試人員的分析、判斷帶來很大困難。導(dǎo)致故障點(diǎn)不能判定或錯判的情況時有發(fā)生，以至很多單位購買了儀器卻很難根據(jù)測試波形分析判斷故障距離。

二次脈沖法的關(guān)鍵技術(shù)是首先避開故障點(diǎn)被高壓擊穿時故障點(diǎn)產(chǎn)生的多次階躍電壓反射波和固有的大余弦振蕩波形，然后在高壓擊穿故障點(diǎn)的持續(xù)時間內(nèi)儀器再發(fā)送一次脈沖，記錄下故障點(diǎn)的反射脈沖（回波極性正好與反射脈沖的波形極性相反）。在故障點(diǎn)電弧熄滅后，再用低壓脈沖法測得電纜全長的開路反射波形，并顯示在屏幕上。將兩次測得的波形同時顯示在屏幕上，并對準(zhǔn)起始點(diǎn)，就能清楚地發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)前的波形重疊很理想。一過故障點(diǎn)，波形曲線就明顯發(fā)散。而且故障點(diǎn)的拐點(diǎn)非常明顯,就是一個短路故障回波的標(biāo)準(zhǔn)波形，很好判讀故障距離。幾乎所有高阻故障都是這種波形，特征單一。由于在二次脈沖法測試過程中，高壓設(shè)備與故障電纜之間串有“高頻高壓數(shù)據(jù)處理器”，實(shí)際加到電纜故障相上的沖擊高壓比高壓發(fā)生器輸出的電壓低一些。如果高壓發(fā)生器的輸出電壓已經(jīng)達(dá)到35KV，故障點(diǎn)還未被擊穿，此時應(yīng)更換測試方法，選用更為方便準(zhǔn)確的三次脈沖技術(shù)。

圖1 三次脈沖技術(shù)原理圖

三次脈沖技術(shù)可用于查尋高阻故障、閃絡(luò)故障、擊穿故障。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，高阻和閃絡(luò)性高阻故障約占整個電纜故障總數(shù)的90%。具有探測難度大的特點(diǎn)。研究應(yīng)用預(yù)定位技術(shù)既三次脈沖法解決電纜高阻故障難題。

三次脈沖法測量(如圖1所示)其主要設(shè)備有：直流發(fā)生器，高壓單元,高、中壓沖擊單元，專門脈沖發(fā)生器、脈沖反射儀等。

其原理是：高壓脈沖擊穿電纜故障產(chǎn)生燃弧，同時觸發(fā)高能中壓脈沖來穩(wěn)定和延長燃弧至50ms左右，隨之發(fā)射1000V的低壓脈沖，從而得到準(zhǔn)確的故障波形，完成預(yù)定位。三次脈沖技術(shù)最大優(yōu)勢就是實(shí)現(xiàn)了三種脈沖的優(yōu)化整合，利用擊穿瞬間完成測距功能，大大地提高了工作效率，同時，有效地降低了因高壓沖閃脈沖長時間作用于電纜造成的二次損傷。

圖2 低壓脈沖波形

圖3 三次脈沖波形

Compact系統(tǒng)的另外兩個主要特點(diǎn)使探測工作更加順暢，一是采樣頻率達(dá)到200MHZ，是國內(nèi)先進(jìn)水平的4倍，二是沖閃脈沖的能量達(dá)到2560焦耳，是傳統(tǒng)設(shè)備的75倍（最大值），對絕大多數(shù)故障點(diǎn)能夠一次擊穿。實(shí)際測試過程分為兩個步驟。第一步，脈沖反射儀先發(fā)射一個低壓的測試脈沖，如圖2所示，這個測試脈沖的電壓非常低，不會引起高阻故障點(diǎn)的任何變化。所以在脈沖反射儀接受到的反射波形上不會出現(xiàn)高阻故障點(diǎn)的反射信號，只能看到電纜的始端、末端和中間接頭等。這個用低壓測試脈沖得到的波形被稱為參考波形，脈沖反射儀會自動把參考波形凍結(jié)在屏幕上，并自動標(biāo)記出電纜的末端位置。第二步，啟動高壓單元，根據(jù)故障點(diǎn)的擊穿電壓設(shè)定高壓單元的輸出電壓，使高壓單元的輸出電壓稍大于故障點(diǎn)的擊穿電壓，如圖3所示。高壓單元給沖擊放電電容充電完成后，把沖擊放電電容接到被測電纜上，高壓會使高阻故障點(diǎn)擊穿放電，電容里儲存的能量會在故障點(diǎn)產(chǎn)生一個持續(xù)的放電電弧，放電過程中，電容儲存的能量不斷消耗，電壓逐漸下降，放電電路自動接通延弧電容，用4/8KV的電壓繼續(xù)維持故障點(diǎn)的放電電弧。這個放電電弧把故障點(diǎn)由高阻變成了低阻，放電的強(qiáng)度和電容的輸出電流成正比。脈沖信號耦合單元里有一個特殊的電路，用來檢測電容的放電電流。當(dāng)放電電流開始下降的瞬間，也就是故障點(diǎn)的放電電弧從最強(qiáng)開始減弱的瞬間，檢測電路發(fā)出一個觸發(fā)信號，由一個專門的測試脈沖發(fā)生電路發(fā)出2000V/200V的測試脈沖，這個測試脈沖在故障點(diǎn)的放電電弧上反射回來，得到的反射波形會有一個非常明顯的短路點(diǎn)。這個測試波形叫做故障波形，脈沖反射儀會把故障波形疊加顯示在第一步測試得到的參考波形上，并自動標(biāo)記出波形分離的位置，這個波形分離的位置就是故障點(diǎn)的位置，如圖4所示。

圖4 三次脈沖反射波形與低壓脈沖波形對比

3 實(shí)例分析

3.1 故障電纜概況

城市：大慶龍南區(qū)。線路名稱：龍南配甲線40103。電纜型號：YJV22-6/6、3×185。電纜長度：800米。

3.2 測試設(shè)備

設(shè)備名稱：電纜測試車。設(shè)備型號：CFL6000。測試方法：三次脈沖法。

3.3 測試時間：2007年5月28日。

3.4 故障查找過程

使用2500伏兆歐表對電纜進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)：相對地絕緣電阻AO:3 MΩ，BO:5MΩ，CO:400MΩ。相間絕緣電阻AB：4MΩ，AC：100MΩ，BC：100MΩ。根據(jù)測試的結(jié)果判斷電纜故障性質(zhì)為A、B高阻接地故障。設(shè)定電纜測試車測試參數(shù)半波速度85米/微秒，參考波形測試電壓值U：2000V，故障波形識別電壓值U：15kV，測試波形如圖，從圖5中可看到，在300米處參考波形和故障波形有明顯的分散，此分散點(diǎn)為故障點(diǎn)，即從測試點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離是300米，也就是故障點(diǎn)距離在龍南配甲線40103端300米處，預(yù)定位時間15分鐘。精確定點(diǎn)時沖閃電壓值U：20kV。

圖5 測試波形圖

3.5 故障原因分析

電纜中間接頭制作工藝不規(guī)范，外護(hù)套密封不嚴(yán)導(dǎo)致電纜長期運(yùn)行過程中潮氣侵入，造成電纜主絕緣水樹的形成，最終發(fā)生接地故障。

4 結(jié)論

三次脈沖法技術(shù)，它是國外先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)。三次脈沖法的測試波形簡單清晰，不過多依賴測試人員的經(jīng)驗(yàn)，是解決高阻故障快捷精確的定位方法，減輕了測試人員的勞動強(qiáng)度，提高了電纜故障的查找效率。有效地解決了高阻故障、低絕緣電纜診斷與絕緣薄弱點(diǎn)預(yù)定位技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了三種脈沖的優(yōu)化整合，利用擊穿瞬間完成測距功能，大大地提高了工作效率，同時，有效地降低了因高壓沖閃脈沖長時間作用于電纜造成的二次損傷，有效地提高了電力電纜的運(yùn)行可靠性，在能源資源日趨緊張，企業(yè)節(jié)能減排，降本增效的當(dāng)今，更具有顯著的實(shí)際意義。

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1009-0134(2010)11(下)-0046-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).18

2010-10-01

梁艷（1976 -），女，講師，碩士研究生，主要從事智能控制的理論、方法及應(yīng)用方面的研究。