電力電纜檢測技術(shù)探討

錢石，王天雷，陳完年，王小東，康獻(xiàn)民，王大承

?

電力電纜檢測技術(shù)探討

錢石1，王天雷2，陳完年3，王小東3，康獻(xiàn)民1，王大承1

（1. 五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 廣東科杰機(jī)械自動有限公司，廣東 江門 529030）

隨著電力電纜的廣泛使用，相應(yīng)的故障檢測技術(shù)也在不斷的發(fā)展，科學(xué)的檢測技術(shù)可以解決電纜故障位置準(zhǔn)確定位以及快速修復(fù)問題. 本文概述了電力電纜在運(yùn)行過程中故障產(chǎn)生的原因，總結(jié)了現(xiàn)有電力電纜故障檢測和故障定位的方法. 介紹了當(dāng)前兩種常用的電纜檢測測試系統(tǒng)，探討現(xiàn)有研究方法中存在的問題及研究方向.

電纜故障；電纜檢測；故障測距；故障定位

電纜檢測技術(shù)在電力行業(yè)中已經(jīng)得到了電力工作者們以及供電企業(yè)越來越多的關(guān)注[1-3]. 然而，無論是埋設(shè)地下的電力電纜，還是機(jī)器設(shè)備上的傳輸電纜，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，故障發(fā)生的概率都會大大增加，電纜故障一旦發(fā)生，輕者造成居民停電、企業(yè)停產(chǎn)，重者可能引發(fā)火災(zāi)或人體觸電等重大傷亡事故；另外，一些電纜本身具有安全隱蔽等特點(diǎn)，如地下敷設(shè)的電力電纜，這些因素給電纜故障測距與定位帶來了極大的困難，也成為了電纜檢修的難點(diǎn). 因此，對電纜故障測距和電纜故障定位等檢測技術(shù)的研究成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

1 電纜產(chǎn)生故障的原因

電纜故障產(chǎn)生的原因及其表現(xiàn)形式是多樣的，主要有以下幾種[4-6]：

1）外力破壞：市政工程頻繁作業(yè)是對電力電纜造成外力損傷事故的主要原因；另一方面電纜敷設(shè)在地下后，長期受到車輛、重物等壓力和沖擊力的作用，也會造成電纜下沉、中間接頭斷裂等事故的發(fā)生.

2）電纜附件質(zhì)量缺陷：由于制作工藝不良導(dǎo)致密封性差或材料存在缺陷，如塑料電纜密封不良，冷、熱縮管厚薄不均勻.

3）敷設(shè)施工質(zhì)量差：電纜敷設(shè)施工未按要求和規(guī)程進(jìn)行，敷設(shè)過程中牽引力過大，使用的器械、工具不對，對電纜護(hù)層造成機(jī)械損傷，日久產(chǎn)生故障；單芯高壓電纜護(hù)層交叉換位接線錯誤，是護(hù)層中的感應(yīng)電壓過高，環(huán)流過大引發(fā)故障.

4）電纜本身缺陷：造成電纜自身缺陷的主要原因包括電纜絕緣性能下降以及電纜老化.

2 電纜故障檢測技術(shù)

2.1 離線檢測方法

圖1 廣義電橋

3）脈沖電壓法[7]69. 與低壓脈沖法不同，脈沖電壓法中儀器接收到的是故障點(diǎn)放電產(chǎn)生的脈沖信號. 通過高壓設(shè)備先使電纜故障點(diǎn)放電，產(chǎn)生脈沖信號，在測試端用儀器接受故障點(diǎn)的放電信號，通過接受放電信號的時(shí)間，計(jì)算出故障點(diǎn)的距離. 由于脈沖電壓法沒有實(shí)現(xiàn)測試儀與高壓部分的完全電氣隔離，會存在安全隱患的可能.

4）脈沖電流法. 其原理和脈沖電壓法相同，由于脈沖電流法采用了電流耦合器，與高壓部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，安全性更高.

5）二次脈沖法[7]70. 該法是一種比較先進(jìn)的測距方法，其原理是對故障電纜施加高壓使之產(chǎn)生高壓電弧，此時(shí)故障點(diǎn)變成了低阻短路故障，再對故障點(diǎn)使用低壓脈沖法進(jìn)行檢測.

2.2 在線檢測方法

1）小波變換. 小波分析通常是利用濾波器來實(shí)現(xiàn). 文獻(xiàn)[8]給出了雙端同步檢測和單端檢測的方法來解決故障測距的方法. 文獻(xiàn)[9]提出利用小波變換的單端行波測距的新方法，解決了行波到達(dá)時(shí)間和行波傳播速度的選擇問題，并通過大量測距結(jié)果證實(shí)，采用小波變換技術(shù)的單端行波測距的測距精度能夠滿足現(xiàn)場對精確故障定位的要求. 文獻(xiàn)[10]介紹了電纜精確測距的方法以及電纜故障在線檢測方法，對基于小波變換的電纜故障測距進(jìn)行深入研究和總結(jié).

2）實(shí)時(shí)專家系統(tǒng). 專家系統(tǒng)已經(jīng)成為解決電纜故障測距的新方法. 文獻(xiàn)[11，12]均提出電纜故障測距專家系統(tǒng)，并且用一套規(guī)則來不斷地更新該數(shù)據(jù)庫. 文獻(xiàn)[13]提出基于繼電保護(hù)的專家系統(tǒng)，利用專門的C語言集成診斷來確定故障類型和電流的有效值，從而定位故障點(diǎn).

3）因果網(wǎng)絡(luò). 因果網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、征兆、假設(shè)和起始原因組成. 其中，狀態(tài)節(jié)點(diǎn)是表示領(lǐng)域中某部分的狀態(tài)，如斷路器跳閘; 征兆節(jié)點(diǎn)是表示狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的征兆，如斷路器跳閘的征兆是保護(hù)動作；假設(shè)節(jié)點(diǎn)是表示研究系統(tǒng)的診斷假設(shè)，如發(fā)生線路故障的假設(shè)[14]; 起始原因點(diǎn)是表達(dá)引起故障的最初原因. 文獻(xiàn)[15]通過對因果網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展以及引入報(bào)警信息時(shí)序特性約束的概念來構(gòu)建一個(gè)新的時(shí)序因果網(wǎng)，提出了一種基于時(shí)序因果網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法.

2.3 電纜故障定點(diǎn)方法

測量出故障電纜的故障距離和路徑后，就可以知道故障點(diǎn)的大概方位，但為了精確地找到故障點(diǎn)的位置，還需要進(jìn)一步的工作，就是故障定點(diǎn). 電纜故障定點(diǎn)的方法可歸納如下：

1）聲測法. 文獻(xiàn)[16]提出在規(guī)定的放電裝置使故障點(diǎn)放電，放電時(shí)產(chǎn)生的振動會傳到地面，通過適用振動拾音器來接受故障點(diǎn)發(fā)出的聲音信號，由此可以判斷出故障點(diǎn)的位置. 該法可應(yīng)用于所有高壓脈沖信號后故障點(diǎn)能產(chǎn)生放電聲音的故障.

2）聲磁同步法. 利用故障點(diǎn)放電同時(shí)產(chǎn)生的電磁波和聲波確定故障點(diǎn). 文獻(xiàn)[16]介紹了將高壓脈沖信號加在故障電纜上，故障點(diǎn)在放電時(shí)不僅產(chǎn)生聲音信號還會產(chǎn)生脈沖磁場信號，這兩種信號的傳播速度不同，通過找到兩者傳播時(shí)間差最小點(diǎn)來判斷故障點(diǎn)的位置.

4）跨步電壓法. 用直流高壓信號施加在電纜故障位置與大地之間，在故障點(diǎn)處大地表面形成喇叭電位分布，通過高靈敏度的電壓表測量大地表面兩點(diǎn)電壓，在故障點(diǎn)前后電壓表指針全指向相反方向，從而可確定故障點(diǎn)的位置[17].

5）全球定位系統(tǒng)行波故障定位. 現(xiàn)代行波定位通過監(jiān)測故障發(fā)生后線路上出現(xiàn)的以固定傳播速度運(yùn)動的電壓和電流行波來進(jìn)行精確的故障定位. 如文獻(xiàn)[18]通過記錄儀與調(diào)度通信構(gòu)成輸電網(wǎng)GPS行波測量網(wǎng)絡(luò)來測量故障行波波頭到達(dá)各個(gè)變電站的準(zhǔn)確時(shí)刻，并且通過調(diào)度來進(jìn)行故障定位.

6）分布式光纖溫度傳感器. 文獻(xiàn)[19]介紹了光纖溫度傳感系統(tǒng)可以對電力電纜進(jìn)行監(jiān)護(hù)，將測溫光纖貼在電纜的表面測量電纜表面數(shù)據(jù)，通過表面溫度變化與導(dǎo)體溫度變化之差求出表面溫度與運(yùn)行負(fù)荷電流之間的關(guān)系，以支持供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行.

7）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò). 文獻(xiàn)[20]提出一種新的地下電纜線路的故障定位技術(shù)：輸電線路各種不同地點(diǎn)的一系列的測量電壓電流作為樣本輸入到專門訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過與訓(xùn)練樣本庫的樣本比較來確定故障位置. 操作員通過三維圖形顯示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出可即時(shí)獲得故障位置的信息.

3 電纜檢測系統(tǒng)

當(dāng)前，數(shù)字控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電纜檢測中，其系統(tǒng)核心是微機(jī). 在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，可根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的系統(tǒng)配置，以下列舉兩種常見的測試系統(tǒng).

圖2 基于單片機(jī)的電纜測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 基于單片機(jī)的電力電纜測試系統(tǒng)

基于單片機(jī)的測試系統(tǒng)自動化程度高，通用性能好，可以完成對不同芯數(shù)電纜的短路和斷路情況的判斷檢測，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)故障測距和故障定位等要求[23]，如圖2所示.

由于CPLD芯片的使用，大大降低了數(shù)據(jù)采集電路的復(fù)雜程度. CPLD接收到單片機(jī)傳來的測試信號，將處理后的通斷信號傳遞給與電纜連接的繼電器組，控制繼電器組通斷，便可完成對不同芯線的檢測.A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便單片機(jī)能夠識別.

基于單片機(jī)的測試系統(tǒng)具有體積小、功耗小、檢測速度快和控制靈活等特點(diǎn). 未來MCU的集成度越高，還可降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，更有利于開發(fā)者開發(fā)使用. 另外，該系統(tǒng)性價(jià)比高，通用性好，可對多種型號的電纜進(jìn)行通斷、絕緣等性能測試. 其不足之處是人機(jī)交互界面不夠友好，硬件資源也不夠豐富，擴(kuò)展起來不夠方便.

3.2 基于PC機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的機(jī)床電纜測試系統(tǒng)

基于PC機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心的機(jī)床電纜測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示. PC機(jī)提供了人機(jī)交互界面，便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控. 運(yùn)動控制卡控制執(zhí)行部件的每個(gè)動作. 傳感器是整個(gè)測試系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，主要將檢測到的物理量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能夠識別處理的數(shù)字信號，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、記錄、存儲和控制等.信號調(diào)理電路是把傳感器傳出的模擬信號轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)信號.數(shù)據(jù)采集卡將傳感器送來的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并把數(shù)字信號傳送到上位機(jī).

圖3 基于PC機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的機(jī)床電纜測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

基于PC機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的機(jī)床電纜測試系統(tǒng)具有運(yùn)算速度快、處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定和可移植性好等特點(diǎn). 該系統(tǒng)開發(fā)平臺多樣、硬件資源豐富、擴(kuò)展方便、開發(fā)難度較小，在滿足測試要求的條件下，將來還可以進(jìn)行二次開發(fā)以滿足多種測試需求. 相比基于單片機(jī)的電力電纜測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好，可以在執(zhí)行運(yùn)動控制的時(shí)候，實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前狀態(tài). 但由于其體積較大，其功耗也較大，系統(tǒng)成本較高.

4 結(jié)束語

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，電力電纜的穩(wěn)定運(yùn)行是人們正常生產(chǎn)和生活的保障. 加強(qiáng)對電力電纜的管理，積極采取相應(yīng)的保護(hù)措施. 同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況和各種檢測技術(shù)的特點(diǎn)，選取適合的檢測方法. 電力電纜故障位置及時(shí)準(zhǔn)確檢測定位，對于提高整個(gè)電力系統(tǒng)的供電安全可靠性具有重要的意義. 隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力電纜檢測技術(shù)將朝著智能化、高可靠性的方向發(fā)展.

[1] 朱云華，艾芊，陸鋒. 電力電纜故障測距綜述[J]. 繼電器，2006, 34(14): 81-88.

[2] 任艷霞. 電力電纜故障診斷與監(jiān)測[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2008.

[3] 耿暉. 淺談電力電纜故障測距及定點(diǎn)方法與查找[J]. 科技資訊，2012(4): 137.

[4] 文旻. 電力電纜的故障測距與定點(diǎn)方法探討[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2009(15): 14-15.

[5] 江秀臣，李鋒，傅正財(cái). 交聯(lián)電纜絕緣在線監(jiān)測微小信號測量[J]. 高電壓技術(shù)，1996, 22(4): 34-36.

[6] 朱啟林，李仁義，徐丙垠. 電力電纜故障測試方法與案例分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[7] 黃恒禧. 電力電纜的故障分析與排查[J]. 福建建筑，2008(6): 68-70.

[8] MAGNAGO F H, ABUR A. Fault location using wavelets [J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1998, 13(4)：1475-1480.

[9] 覃劍，彭莉萍，王和春. 基于小波變換技術(shù)的輸電線路單端行波故障測距[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2005, 29(19): 62-65.

[10] 朱云華，艾芊，陸鋒. 電力電纜故障測距綜述[J]. 繼電器，2006, 34(14): 81-88.

[11] KUANK K. Real-time expert system for fault Location on high voltage underground distribution cables [J]. IEEE Proceedings-C, 1992, 139(3): 235-240.

[12]STEINER J P, WEEKS W L, NG H W. An automated fault location system [J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1992, 7(2): 967-978.

[13]KIM C H, CHUNG W G, SHIN M C. A study on the expert system for fault location estimation in underground cable [J]. IEEE Energy Management and Power Deliver, 1995, 1(23): 67-72.

[14] 孫啟飛. 電纜檢測技術(shù)的應(yīng)用及提高[J]. 低壓電器，2010(1): 49-53.

[15] 張勇，張巖，文福拴，等. 基于時(shí)序因果網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)故障診斷[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013, 37(9): 47-53.

[16] 張磊. 電纜網(wǎng)故障定位關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2011.

[17] 李東波，鞏建衛(wèi). 淺談油區(qū)配電網(wǎng)電力電纜的故障測試方法[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013(6): 228.

[18] 曾祥君，尹項(xiàng)根，陳德樹，等. 基于整個(gè)輸電網(wǎng)GPS行波故障定位系統(tǒng)的研究[J]. 電力系統(tǒng)自動化. 1999, 23(10): 8-16.

[19] 常勝，李偉良. 分布式光纖溫度傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用. 廣東電力. 2002, 15(4): 36-38.

[20] GLINKOWSKI M T, WANG N C. A new fault location technique for underground distribution circuits using artificial neural network [J]. NDT and E International, 1997, 30(5):331.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

An Exploration of Power Cable Detection Technology

QIANShi1, WANGTian-lei2, CHENWan-nian3, WANGXiao-dong3, KANGXian-min1, WANGDa-cheng1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;3. Guangdong Kejie Machinery Automation Co.Ltd, Jiangmen 529030, China)

This paper outlines the reasons for the occurrence of power cable faults during operation, summarizes the existing methods for detecting and locating power cable faults, introduces two common cable detection testing systems currently in use, and explores problems and research directions in existing research methods.

cable faults; cable testing; fault location; fault location

1006-7302（2014）04-0072-05

TM246

A

2014-01-07

錢石（1989—），男，安徽滁州人，在讀碩士生，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用；王大承，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù).