電纜故障探測(cè)技術(shù)探討

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司安裝分局調(diào)試所，四川 都江堰，611830)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在城鎮(zhèn)人口稠密的地方，在大型工廠、發(fā)電廠、交通擁擠區(qū)、電網(wǎng)交叉區(qū)等處，配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為了安全可靠，減少占地，減少對(duì)交通運(yùn)輸及城市建設(shè)的影響，多采用埋地動(dòng)力電纜。對(duì)于大跨度、不宜架設(shè)過(guò)江、河架空線路的地段，最常用的方案也是采用電纜。

但是，地下動(dòng)力電纜存在如下突出問(wèn)題：外護(hù)套破損和進(jìn)水情況嚴(yán)重；電纜故障搶修時(shí)間偏長(zhǎng)；電纜竣工資料不完整造成電纜路徑圖紙往往和現(xiàn)狀不符；缺少電纜整體老化評(píng)定技術(shù)等等。所有這些，都為電纜的維護(hù)維修工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)，一旦電纜發(fā)生故障，很難較快地尋測(cè)出故障點(diǎn)的確切位置，不能及時(shí)排除故障、恢復(fù)供電，往往造成停電停產(chǎn)的重大損失。因此，提高電纜故障探測(cè)技術(shù)水平，十分重要。本文將探討目前常用的幾種方法：“電纜故障經(jīng)典探測(cè)法”的惠斯登電橋探測(cè)法，更加先進(jìn)的低壓脈沖法及多次脈沖法。

1 電橋法電纜故障探測(cè)技術(shù)

電橋法原理如下：將被測(cè)電纜故障相與非故障相短接，電橋兩臂分別接故障相與非故障相，調(diào)節(jié)電橋兩臂上的一個(gè)可調(diào)電阻器，使電橋平衡，利用比例關(guān)系和己知的電纜長(zhǎng)度就能得出故障距離。電橋法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，精確度符合現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試要求，對(duì)于電纜線路的兩相短路故障，測(cè)起來(lái)甚為方便。但是它的適用范圍有限，對(duì)電纜線路的高阻和閃絡(luò)性故障，由于電橋電流很小而不易探測(cè)。

電橋法的使用前提，必須已知被測(cè)電纜的準(zhǔn)確長(zhǎng)度，當(dāng)一條電纜線路是由導(dǎo)體材料或截面不同的電纜組成時(shí)，還要進(jìn)行換算。電橋法不能測(cè)量電纜線路的三相短路故障和三相斷路故障。電橋法工作原理如圖1所示(被測(cè)電纜末端無(wú)故障相與故障相短接，電橋兩輸出臂接無(wú)故障相與故障相)。

(1)測(cè)試接線圖 (2)等效電路圖

R1—已知測(cè)量電阻；R2—精密電阻箱；r1—BD兩點(diǎn)間電阻；r2—CB兩點(diǎn)間電阻。

圖1 電橋法原理

圖1中，線路接好后，仔細(xì)調(diào)節(jié)R2的數(shù)值，總可以使電橋平衡，即CD間的電位差為零，無(wú)電流流過(guò)檢流計(jì)。此時(shí)，據(jù)電橋平衡原理不難得出：

l全長(zhǎng)+l0=KlX，而l全長(zhǎng)+l0+lX=2l全長(zhǎng)，所以lX=2l全長(zhǎng)/(K+1)

由上面推導(dǎo)得知，只要精確知道電纜長(zhǎng)度l全長(zhǎng)和測(cè)出電橋兩已知電阻臂的比值K，就能精確計(jì)算出短路故障點(diǎn)至測(cè)試端的距離。但是，電橋法也存在很大的局限性，由于電源電壓低和檢流計(jì)電表靈敏度低，僅適用于對(duì)低阻故障的探測(cè)，一般要求故障點(diǎn)的電阻不超過(guò)100kΩ，最高也不得超過(guò)500kΩ，故障點(diǎn)電阻值越高，測(cè)試誤差越大，通常在2kΩ以下為宜。

在電纜故障現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)踐中，電橋法產(chǎn)生誤差的因素很多，有時(shí)甚至測(cè)不到故障點(diǎn)。分析其原因，不外乎為以下幾點(diǎn)：①故障點(diǎn)接地電阻R地的非線性形態(tài)使得直流電橋工作在非線性狀態(tài)；②電橋的測(cè)試引線和電纜頭短接線截面積選擇不合理，影響了測(cè)量線路；③電橋檢流計(jì)精確度不夠，影響了測(cè)量準(zhǔn)確度。

通過(guò)實(shí)踐證明，只要保證電橋測(cè)量回路有5mA～10mA的電流，就可保持直流電橋處在良好的工作狀態(tài)，有效地減少附加誤差，提高電橋的測(cè)量質(zhì)量。有針對(duì)性地解決以上三個(gè)問(wèn)題的辦法如下：

⑴選用合適的電源。對(duì)低阻接地故障，電橋電源的選擇最好保證現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)電橋工作在線性狀態(tài)，電源電池盡量選容量大一點(diǎn)的型號(hào)為好；

⑵選用適應(yīng)非線性電阻的電壓。高阻接地故障，一般是不使用電橋法，但采用一定的技巧后，電橋法仍可精確地探測(cè)高阻接地故障。即為了使電橋能夠工作在線性狀態(tài)，必須先做以下工作：①在用電橋法測(cè)量故障距離之前，需用高壓設(shè)備將故障點(diǎn)燒穿，使其故障阻值降到可以用電橋法測(cè)量的范圍，但此法僅適用于油浸紙電纜。對(duì)于交聯(lián)聚乙烯電纜故障點(diǎn)，燒穿是件十分困難的工作，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障點(diǎn)碳化，故障點(diǎn)接地阻值反而增高，燒穿法實(shí)不足取；②對(duì)故障電纜輸入直流高壓，找出接地電阻(非線性電阻)擊穿電壓的突變拐點(diǎn)值，然后在盡可能遠(yuǎn)離拐點(diǎn)值的接地電阻線性區(qū)域內(nèi)找出一安全試驗(yàn)電壓，使電橋回路電流穩(wěn)定在5mA～10mA之間。該電壓就是“高壓電橋法”中保持工作狀態(tài)良好的電源電壓(該法是使用高壓電橋法的關(guān)鍵技巧,具有廣泛的適用性)。

⑶選擇外接檢流計(jì)方式。具體操作方法：對(duì)測(cè)量用的惠斯登電橋，首先降低檢流計(jì)精度，并在分流器的保護(hù)下調(diào)整電橋使其平衡；再選用高精度檢流計(jì)，用同樣的方法再調(diào)整電橋使其平衡；最后，以高精度檢流計(jì)下電橋平衡所測(cè)得的電阻值為依據(jù)，計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。

2 低壓脈沖法探測(cè)技術(shù)

利用行波法檢測(cè)電纜故障，實(shí)際上是把動(dòng)力電纜作為高頻信號(hào)傳輸線，根據(jù)電波(波形)在電纜中傳輸過(guò)程的幅度、相位、速度、衰減等諸參數(shù)的變化規(guī)律，利用雷達(dá)測(cè)距原理確定電纜故障點(diǎn)至測(cè)試端的距離。

2.1 電纜中波的反射和反射系數(shù)

當(dāng)電纜中出現(xiàn)斷線或低阻故障時(shí)，故障點(diǎn)的等效阻抗與電纜的特性阻抗不相等(不匹配)，行波運(yùn)動(dòng)到該點(diǎn)時(shí)便會(huì)發(fā)生全部或部分能量反射，反射的大小與故障點(diǎn)的等效阻抗大小有關(guān)。

行波的反射程度可用發(fā)生反射的阻抗不匹配點(diǎn)的反射電壓(電流)與入射電壓(電流)之比K來(lái)表示。K稱(chēng)之為反射系數(shù)。

式中：Z1—故障點(diǎn)的等效阻抗值；

Z0—電纜的特性阻抗。

由反射系數(shù)公式可看出：

a.當(dāng)Z1=Z0時(shí)，K=0，即反射系數(shù)為零。終端匹配時(shí)，入射波到達(dá)電纜終端后電壓和電流就不再發(fā)生變化了，也不發(fā)生反射，能量全被Z1吸收，匹配無(wú)反射，此時(shí)看不到終端的反射回波。

b.當(dāng)Z1=0時(shí)，K=-1，故障點(diǎn)短路，是負(fù)的全反射。短路點(diǎn)的反射電壓與入射電壓大小相等，方向相反，其合成電壓為零，而短路點(diǎn)的電流會(huì)出現(xiàn)加倍現(xiàn)象。此時(shí)看到故障點(diǎn)的反射回波與發(fā)射脈沖波形幅度相等，而極性相反。

c.當(dāng)Z1=∞時(shí)，K=+1，故障點(diǎn)開(kāi)路，是正的全反射。此時(shí)看到故障點(diǎn)的反射回波與發(fā)射脈沖波形幅度相等而極性相同，開(kāi)路點(diǎn)的實(shí)際電壓是反射電壓和入射電壓之和。因此短路點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)電壓加倍現(xiàn)象。

d.如果故障點(diǎn)的等效阻抗小于電纜的特性阻抗又未完全短路，則是負(fù)的部分反射，反射脈沖的幅度小于發(fā)射脈沖，且極性相反。

e.如果故障點(diǎn)的等效阻抗大于電纜的特性阻抗又不是無(wú)窮大，則是正的部分反射，反射脈沖的幅度小于發(fā)射脈沖，但極性相同。

以上敘述是電纜故障點(diǎn)的等效阻抗在不同數(shù)值時(shí)，反射回波的幅值和極性變化的理論解釋。

2.2 低壓脈沖測(cè)試法工作原理

由行波在電纜中傳播的理論分析知，電纜中的阻抗失配點(diǎn)會(huì)引起波的反射，利用觀測(cè)到的發(fā)射脈沖和反射回波脈沖之間的時(shí)間差和電纜中行波的傳輸速度，就可計(jì)算出故障距離。計(jì)算公式如下：

式中：V—電波在電纜中的傳播速度；

△t—發(fā)射脈沖與反射回波間的時(shí)間差。

低壓脈沖測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)波形如圖2所示。

圖2

相比電橋法，低壓脈沖測(cè)試法更加簡(jiǎn)單直觀，通過(guò)觀察故障點(diǎn)反射脈沖和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間差，借助計(jì)算機(jī)能很快自動(dòng)算出故障點(diǎn)距離。

3 多次脈沖法探測(cè)技術(shù)

就大部分故障的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，基本都屬于絕緣體的損壞，而這種損壞，絕大多數(shù)并不是理想的低阻、短路和斷路，而是屬于高阻故障。高阻故障因?yàn)楣收宵c(diǎn)阻值很高，該類(lèi)型故障點(diǎn)的等效阻抗幾乎等于電纜特性阻抗，所以反射系數(shù)K幾乎等于零，這樣就會(huì)得不到反射脈沖而無(wú)法測(cè)量。為了解決這個(gè)更為廣泛和符合實(shí)際的問(wèn)題，人們生產(chǎn)出了各種智能化的測(cè)試設(shè)備，并衍生出二次脈沖法、多次脈沖法等更加先進(jìn)的測(cè)試手段，以彌補(bǔ)低壓脈沖法在遇到高阻故障時(shí)的不足。但是歸根到底，這些方法都是建立在低壓脈沖法的基礎(chǔ)之上的，在測(cè)試高阻故障時(shí)，只需要另外施加一個(gè)沖擊高電壓，利用電纜故障點(diǎn)被電弧擊穿時(shí)形成的瞬時(shí)短路，發(fā)送一個(gè)低壓測(cè)試脈沖，即可在該電弧短路點(diǎn)得到一個(gè)短路反射的回波，相當(dāng)于將高阻故障轉(zhuǎn)化為低阻故障，從而符合用低壓脈沖法測(cè)試的條件。可以說(shuō)，掌握了低壓脈沖法，就基本掌握了雷達(dá)法故障測(cè)試的精髓。

4 低壓脈沖法測(cè)試實(shí)例

以卡塔爾CP1項(xiàng)目電纜故障測(cè)試設(shè)備模擬測(cè)試圖為例，分析在完成低壓脈沖法測(cè)試電纜故障并錄取到波形后，發(fā)射脈沖前沿拐點(diǎn)和回波脈沖前沿拐點(diǎn)的判斷。典型波形如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 短路故障波形示意

圖3中，由于短路和低阻故障發(fā)射與返回脈沖極性相反，波形比較明顯，游標(biāo)卡在發(fā)射脈沖前沿拐點(diǎn)和返回脈沖前沿拐點(diǎn)，可以直接讀取距離。

圖4 斷路故障和電纜全長(zhǎng)的典型波形

圖4中，由于開(kāi)路故障的發(fā)射與返回脈沖極性相同，波形也比較明顯，游標(biāo)卡在發(fā)射脈沖前沿拐點(diǎn)和返回脈沖前沿拐點(diǎn)，直接讀取距離。

圖5 用長(zhǎng)距離探測(cè)的寬脈沖來(lái)測(cè)試短電纜開(kāi)路全長(zhǎng)或短距離斷路故障的波形

圖5中，由于故障點(diǎn)靠近測(cè)試端，只有幾十米，小于一個(gè)完整的脈沖寬度，所以，在發(fā)射脈沖后沿還沒(méi)發(fā)出時(shí)，故障點(diǎn)就已經(jīng)產(chǎn)生了反射脈沖，然后發(fā)射脈沖后沿才發(fā)出，這樣拐點(diǎn)就產(chǎn)生在發(fā)射脈沖的前沿和后沿之間。短路和低阻故障也是如此，只是極性相反而已。在此可以總結(jié)出，在測(cè)短距離電纜故障或者故障點(diǎn)距離發(fā)射端較近時(shí)，選用遠(yuǎn)距離測(cè)量用的寬脈沖反而要好一些，因?yàn)檫x用短距離測(cè)試脈沖的話，發(fā)射脈沖后沿極有可能和故障點(diǎn)重疊或者相互干擾，那樣就很難準(zhǔn)確找出反射脈沖的波形拐點(diǎn)。

5 小結(jié)

在電纜故障的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，情況是相當(dāng)復(fù)雜的，產(chǎn)生故障的原因、故障距離、電纜種類(lèi)、電纜粗細(xì)、電纜電壓等級(jí)、受潮程度、定點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境噪聲、電纜埋設(shè)深度、發(fā)生故障時(shí)間的長(zhǎng)短、所選用的測(cè)試方法等，都直接影響到故障波形的變化?？梢哉f(shuō)，儀器所采集到的波形千變?nèi)f化，雖然有一定的規(guī)律，但各次幾乎沒(méi)有相同的波形。若想熟練檢測(cè)故障，除了長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累外，還要認(rèn)真學(xué)習(xí)同行的經(jīng)驗(yàn)。在無(wú)把握判斷波形的情況下，用多種方法測(cè)試，用電橋法和脈沖法相互驗(yàn)證，最大限度地減少誤判，切不可亂挖、亂刨、亂鋸，否則將造成人力物力財(cái)力的浪費(fèi)，延誤供電恢復(fù)時(shí)間，導(dǎo)致更大的經(jīng)濟(jì)損失。

電纜故障探測(cè)技術(shù)是一門(mén)系統(tǒng)的學(xué)科，以上僅為初步的、結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的一些理解和總結(jié)，實(shí)際測(cè)量中需要的知識(shí)更多更廣，需要不斷地領(lǐng)會(huì)和積累，才能具備比較全面地掌握解決實(shí)際問(wèn)題的能力。