基于多次脈沖法的電纜故障精確定點(diǎn)和埋設(shè)路徑探測(cè)方法

吳興廣

基于多次脈沖法的電纜故障精確定點(diǎn)和埋設(shè)路徑探測(cè)方法

吳興廣

（廣州市興日科技有限公司）

相較于二次脈沖法，多次脈沖法在故障點(diǎn)形成多次反射波，補(bǔ)償脈沖波形的丟失，使測(cè)試人員更易于從不同類型的反射波形中判斷電纜故障類型。介紹一種基于多次脈沖法的電纜故障精確定點(diǎn)和埋設(shè)路徑測(cè)量方法，可在多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)預(yù)定位的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)精準(zhǔn)定位和電纜埋設(shè)路徑精確探測(cè)。該方法波形更易識(shí)別，不僅減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)的依賴，還減少由相似經(jīng)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障造成的負(fù)面影響。

電纜；多次脈沖法；電纜故障定點(diǎn)；埋設(shè)路徑探測(cè)

0 引言

隨著城市電網(wǎng)改造工程的推進(jìn)和供電網(wǎng)絡(luò)的不斷增多，考慮到城市景觀及供電安全，電力部門正逐步放棄架空電線的布線方式，而采用埋地鋪設(shè)電力電纜的電網(wǎng)布線方式。電力電纜因具有供電可靠性高、不占地面空間、壽命長(zhǎng)和安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，在電網(wǎng)建設(shè)、改造中的應(yīng)用日益增多。但電纜深埋地下，表皮易被土壤腐蝕而造成屏蔽層對(duì)地短路，進(jìn)而發(fā)生閃絡(luò)擊穿；基建施工過程，地下電纜有被誤切斷的可能；鼠患嚴(yán)重地區(qū)可能發(fā)生電纜被鼠類咬斷的情況。電纜故障影響供電區(qū)域生產(chǎn)生活的情況時(shí)有發(fā)生，而地埋電纜隱蔽性較強(qiáng)，不易快速找到故障點(diǎn)。因此，研究一種快速精確定位電力電纜故障點(diǎn)的方法，對(duì)于保證地埋電力電纜網(wǎng)絡(luò)正常供電、保障正常生產(chǎn)生活秩序非常必要。

1 多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)工作原理

多次脈沖法是在高壓閃絡(luò)法中高壓擊穿并使故障點(diǎn)放電這一現(xiàn)象的基礎(chǔ)上提出的[2]。多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)的原理：利用高壓沖擊發(fā)生器的高壓沖擊使故障點(diǎn)放電，形成短時(shí)弧接地；控制低壓測(cè)量脈沖在故障點(diǎn)燃弧短路狀態(tài)下形成短路弧反射；比較參考波形和故障波形，分析故障點(diǎn)距離。該系統(tǒng)適用于35 kV級(jí)及以下的低壓電纜的故障定位；若結(jié)合其他輔助工具，亦可定位110 kV級(jí)別的地埋電纜故障。相比其他電纜故障定位方法，該方法優(yōu)點(diǎn)：1）可探測(cè)的電纜故障類型更廣泛，包括對(duì)地短路、對(duì)地高阻泄漏和斷路等其他方法難以準(zhǔn)確定位的故障；2）無(wú)需擊穿電纜高阻，在輸出高壓擊穿脈沖的同時(shí)發(fā)出16個(gè)探測(cè)脈沖，在打通短路回路的瞬間進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)高壓脈沖消失時(shí)，即使故障點(diǎn)恢復(fù)到高阻狀態(tài)，也不影響測(cè)量效果?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員可從儀器儲(chǔ)存的波形中挑出最易判斷的波形，根據(jù)波形判斷故障點(diǎn)到波形發(fā)射端的物理距離。

多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括高壓發(fā)生器、高壓輸出線、系統(tǒng)接地線和電纜故障測(cè)試儀等部件。

圖1　多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)框圖

2　電纜故障精確定點(diǎn)

利用多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)測(cè)量電纜測(cè)量端至故障點(diǎn)的長(zhǎng)度稱為預(yù)定位；確定故障點(diǎn)準(zhǔn)確的地面位置稱為精確定點(diǎn)[3]。

2.1　電纜故障精確定點(diǎn)原理

電纜故障精確定點(diǎn)利用聲磁同步原理：在地埋電纜一端施加脈沖高壓，使其故障點(diǎn)產(chǎn)生放電電弧，放電電弧產(chǎn)生電磁波和振動(dòng)聲波——聲磁信號(hào)，同步接收聲磁信號(hào)；根據(jù)接收到的電磁波和振動(dòng)聲波的時(shí)間差，采用數(shù)字方式轉(zhuǎn)換接收機(jī)定點(diǎn)探頭至故障點(diǎn)的直線距離；同時(shí)，沿電纜埋設(shè)路徑，依據(jù)探頭接收到的聲波，利用耳機(jī)判斷故障點(diǎn)放電振動(dòng)聲音大小，由于故障點(diǎn)正上方的振動(dòng)波聲音最大，故可準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)的精確位置[4]。

多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障精確定點(diǎn)，需要保證以下相關(guān)技術(shù)指標(biāo)：

1）控制單元必須準(zhǔn)確觸發(fā)脈沖發(fā)生器，使測(cè)量脈沖發(fā)出時(shí)間合適、準(zhǔn)確；

2）高壓沖擊發(fā)生器的輸出電壓、沖擊能量以及輸出脈沖電壓、直流電壓是重要技術(shù)指標(biāo)，多次脈沖法能有效定位故障的前提是擊穿故障點(diǎn)，沖擊能量是電壓擊穿后，故障點(diǎn)放電狀況的決定因素，即放電的維持時(shí)間、精確定點(diǎn)時(shí)的放電聲音等；

3）合適的脈沖記錄儀及采樣頻率是實(shí)現(xiàn)電纜故障精確定點(diǎn)的必備條件，特別是采樣頻率決定了故障預(yù)定位精度。若脈沖記錄儀采樣頻率為400 MHz（周期為0.0025 μs），測(cè)量脈沖在電纜中波速度為80 m/μs，一個(gè)采樣周期內(nèi)測(cè)量脈沖運(yùn)行的距離為0.2 m，該距離長(zhǎng)度也是定位精度。0.2 m定位精度已是電纜故障精確定位，該定位精度已可以準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)并開展搶修。電纜故障定位精度由采樣頻率決定，所以采用采樣頻率較高的脈沖記錄儀是實(shí)現(xiàn)電纜故障精確定點(diǎn)的關(guān)鍵。

2.2　電纜故障精確定點(diǎn)操作方法

電纜故障精確定點(diǎn)過程操作示意圖如圖2所示。首先，利用高壓變壓器在電纜一端施加沖擊高壓，使故障點(diǎn)產(chǎn)生放電電弧；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員手持?jǐn)?shù)顯聲磁同步定點(diǎn)儀接收機(jī)及定點(diǎn)探頭，在電纜故障測(cè)試儀初測(cè)的故障點(diǎn)附近接收故障電纜放電點(diǎn)的放電電弧振動(dòng)聲音和電纜輻射的電磁波；數(shù)顯屏上顯示讀數(shù)最小、振動(dòng)波聲音最大點(diǎn)，即為電纜故障點(diǎn)的精確位置。

圖2　電纜故障精確定點(diǎn)過程操作示意圖

3　電纜埋設(shè)路徑探測(cè)

尋找地埋電纜的埋設(shè)路徑，是電纜故障測(cè)試的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[5]。

3.1　路徑探測(cè)原理

本文利用電纜輻射的路徑信號(hào)電磁波和磁性天線的方向性來(lái)完成埋地電纜路徑探測(cè)。

電纜路徑探測(cè)前，斷開電纜始端接地系統(tǒng)的接地編織線，并保證被測(cè)電纜終端接地線可靠接地。在電纜始端處，路徑信號(hào)產(chǎn)生器的信號(hào)輸出電纜芯線夾在電纜編織線上，接地線夾在系統(tǒng)地上，路徑信號(hào)產(chǎn)生器與電纜連線示意圖如圖3所示。

圖3　路徑信號(hào)產(chǎn)生器連線示意圖

打開路徑信號(hào)產(chǎn)生器電源，對(duì)電纜施加經(jīng)過音頻調(diào)制的15 kHz電流信號(hào)，沿被測(cè)電纜路徑上方將出現(xiàn)路徑信號(hào)電磁波輻射。用數(shù)顯同步定點(diǎn)儀接收機(jī)接收15 kHz電流輻射的電磁波。經(jīng)放大、解調(diào)后還原出音頻信號(hào)并送至耳機(jī)，依據(jù)耳機(jī)聲音大小變化，利用谷值法原理，垂直于地面的磁性天線在電纜正上方接收到的電磁信號(hào)最弱的位置即為地下電纜埋設(shè)位置。將地面上探測(cè)到的電磁信號(hào)最小點(diǎn)連接起來(lái)，可準(zhǔn)確判斷出電纜埋設(shè)路徑。

3.2　峰值法探測(cè)路徑

在地埋電纜一端施加15 kHz電流信號(hào)，利用路徑探測(cè)接收機(jī)在電纜上方探測(cè)電纜電流信號(hào)，耳機(jī)可監(jiān)聽到調(diào)制的斷續(xù)聲波。

采用峰值法探測(cè)路徑時(shí)，接收機(jī)的探測(cè)磁棒軸線平行于大地，且探測(cè)磁棒軸線和電纜埋設(shè)方向正交，探測(cè)磁棒接收電纜發(fā)出的水平電流磁場(chǎng)（磁力線）分量。峰值法路徑探測(cè)原理圖如圖4所示，當(dāng)探測(cè)磁棒偏離電纜正上方時(shí)，電纜發(fā)出的環(huán)狀磁力線的水平分量減小，且隨探測(cè)磁棒逐漸遠(yuǎn)離被測(cè)電纜，聽到的聲音也逐漸變?。惶綔y(cè)磁棒位于電纜正上方時(shí)，聽到的聲音最大，向被測(cè)電纜兩邊移動(dòng)聲音逐漸減小。最大聲音點(diǎn)下方即為電纜埋設(shè)路徑。

圖4　峰值法路徑探測(cè)原理圖

3.3　谷值法探測(cè)路徑

在地埋電纜一端施加15 kHz路徑信號(hào)，利用耳機(jī)監(jiān)聽15 kHz調(diào)制的斷續(xù)聲波。

采用谷值法探測(cè)路徑時(shí)，接收機(jī)的探測(cè)磁棒軸線垂直于大地，探測(cè)磁棒接收電纜發(fā)出的垂直電流磁場(chǎng)（磁力線）分量。谷值法路徑探測(cè)原理圖如圖5所示，當(dāng)探測(cè)磁棒在電纜正上方，電纜發(fā)出的環(huán)狀磁力線的垂直分量為零，聽到的聲音最小，隨著探測(cè)磁棒偏離電纜正上方，磁性天線接收到的磁力線垂直分量增加，探測(cè)磁棒接收到磁力線垂直分量增大，聽到的聲音變大；隨著偏離電纜距離的增加，磁力線變?nèi)?，聲音變小。最小聲音點(diǎn)（啞點(diǎn)）下方即為電纜埋設(shè)路徑[6]。

圖5　谷值法路徑探測(cè)原理圖

3.4　電纜埋設(shè)深度測(cè)量

通過谷值路徑探測(cè)法探測(cè)到線纜埋設(shè)路徑后，延埋設(shè)路徑移動(dòng)定點(diǎn)儀，當(dāng)聽到音量最小點(diǎn)時(shí)，根據(jù)等腰直角三角形兩直角邊相等的原理，即可測(cè)量故障點(diǎn)距離地面的垂直距離。

4　結(jié)語(yǔ)

利用多次脈沖法在故障點(diǎn)形成多次反射波的特性，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員能更快、更準(zhǔn)確找到最佳反射波，測(cè)量故障點(diǎn)距離發(fā)射點(diǎn)的物理距離。為后續(xù)精確定點(diǎn)和故障點(diǎn)垂直地面距離測(cè)量創(chuàng)造條件，降低測(cè)試人員對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，且無(wú)需配置延弧設(shè)備，具有便攜性。本文介紹的基于多次脈沖法的電纜故障精確定點(diǎn)和埋設(shè)路徑探測(cè)方法，從根本上提高地埋電纜現(xiàn)場(chǎng)故障判斷的精準(zhǔn)率，縮短搶修時(shí)間，為電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行提供有力保障。

[1] 王射林.電纜故障的精確定位技術(shù)探究[J].工程技術(shù)研究,2017(9):58,60.

[2] 吳健,唐輝,師鴻亮,等.淺析多次脈沖法在電纜故障測(cè)距中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2013,32(7):17-19.

[3] 吳喜玉.電力電纜故障快速定位新技術(shù)研究[J].貴州電力技術(shù),2015,18(5):69-72.

[4] 張貴軍.廠區(qū)10kV電力電纜改造工程研究[J].工程技術(shù)研究,2017(1):227-228.

[5] 荊克,解扎.高壓電力電纜故障定位技術(shù)探討[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào),2013,30(1):49-51,54.

[6] 王鍵.電力電纜的故障分析及檢測(cè)方法[J].集成電路應(yīng)用, 2019,36(1):51-52.

Accurate Location and Buried Path Detection Method for Cable Faults Based on Multiple Pulse Method

Wu Xingguang

(Guangzhou Xingri Technology Co., Ltd.)

Comparing with 2 plus testing method, multi-plus testing can give several reflect plus, which can compensate lost plus or wrong plus. Operator can judge the fault type of cable more easily, and do not rely on former experience. We introduce a method that can locate the fault point of cable, which is based on multi-plus locating system.

Cable; Multi Plus; Cable Fault Locating; Buried Path Detection

吳興廣，男，1971年生，碩士，助理工程師，主要研究方向：高壓測(cè)試儀器研發(fā)。E-mail: 1479261723@qq.com