西安鐵路局西安供電段 徐波

摘要：介紹了二次脈沖法、三次脈沖法的基本原理，對(duì)二者的區(qū)別進(jìn)行了對(duì)比，以及應(yīng)用了三次脈沖法技術(shù)的電纜故障測(cè)試儀的系統(tǒng)組成。最后對(duì)電纜故障測(cè)試的一般步驟和在該領(lǐng)域的最新情況以及今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，從而為生產(chǎn)及供電企業(yè)快速準(zhǔn)確地查找電纜故障點(diǎn)提供了可以借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：電力電纜故障測(cè)試、二次脈沖法、三次脈沖法

電力電纜的大量使用在我國(guó)已經(jīng)有幾十年的歷史，前期使用運(yùn)行的電纜現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了衰老期，因此，電纜的故障發(fā)生率在近幾年呈明顯的上升趨勢(shì)，尋找一種快速而行之有效的電力電纜故障測(cè)試方法十分緊迫和必要。

現(xiàn)在國(guó)外內(nèi)普遍采用的電纜故障方法有行波法、電橋法、跨步電壓法等等。國(guó)內(nèi)大量采用的低壓脈沖法、高壓沖閃法都是行波法，這些方法基本能應(yīng)付電纜的低阻、開路和短路故障，針對(duì)這些類型的電纜故障，國(guó)外內(nèi)大都采用也是低壓脈沖法。但實(shí)際工作中遇到的故障以高阻故障居多，而各廠家生產(chǎn)的電纜故障測(cè)試儀全都沿用傳統(tǒng)的沖擊閃絡(luò)法和電流取樣技術(shù)。由于其測(cè)試波形較為復(fù)雜，要求操作使用人員必須訓(xùn)練有素，而且要有較豐富的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。多數(shù)人掌握不了波形分析的要領(lǐng)，難以在現(xiàn)場(chǎng)分析波形和快速準(zhǔn)確地排除電纜故障。

歐美國(guó)家在電力電纜的高阻故障定位上的研究比較早，20世紀(jì)60 年代就發(fā)明了弧反射法，并在電力電纜高阻故障定位上得到了成功的應(yīng)用，80～90 年代相繼推出了較為成熟的電力電纜故障定位系統(tǒng)。目前國(guó)外只有三家公司擁有這樣的弧反射法技術(shù)，分別在英國(guó)、德國(guó)和奧地利。

可喜的是，經(jīng)過我國(guó)電纜故障儀的使用單位和研制單位的共同努力下，國(guó)產(chǎn)的二次脈沖法、三次脈沖法電纜故障測(cè)試儀相繼問世，技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，打破了國(guó)外公司在此領(lǐng)域的壟斷。從綜合對(duì)比和實(shí)測(cè)效果來看，三次脈沖法電纜故障測(cè)試儀與國(guó)內(nèi)外同類型的先進(jìn)儀器在測(cè)試方法上無明顯差異甚至優(yōu)于某些國(guó)外品牌的電纜測(cè)試儀，而且其操作的簡(jiǎn)便程度、測(cè)試速度、準(zhǔn)確程度、機(jī)動(dòng)性和性能價(jià)格比要優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。

一、工作原理

先介紹一下電力電纜的低阻故障和高阻故障。低壓脈沖反射法適用于低阻( 低于10倍波阻抗) 、接地及開路故障，并可以測(cè)試電纜的全長(zhǎng)和電波在電纜中的傳播速度，當(dāng)電纜發(fā)生低阻或接地故障時(shí)，故障點(diǎn)處的等效阻抗應(yīng)為故障電阻與電纜特性阻抗的并聯(lián)。故障電阻越小，反射波形越明顯。當(dāng)故障電阻為零時(shí)為全反射，由于測(cè)試端等效阻抗( 測(cè)試儀器的輸入阻抗) 大于電纜特性阻抗，所以在測(cè)試端產(chǎn)生同極性反射脈沖。而在低阻或接地故障處，由于故障電阻小于電纜特性阻抗，所以入射脈沖進(jìn)行故障點(diǎn)后產(chǎn)生反極性脈沖，并傳輸?shù)綔y(cè)試端，接收到的反極性脈沖的下降沿就對(duì)應(yīng)故障點(diǎn)的反射波形。當(dāng)電纜發(fā)生開路故障時(shí)，故障等效阻抗為故障電阻與電纜特性阻抗的串聯(lián)，開路即相當(dāng)于故障電阻為無窮大，這種情況入射脈沖將形成全反射，在測(cè)試端產(chǎn)生同極性反射脈沖，接收到同極性的脈沖的上升沿與故障點(diǎn)的反射波形對(duì)應(yīng)。

二次脈沖法在電纜故障定位中的應(yīng)用的工作原理如上圖所示。首先使用一定電壓等級(jí)、一定能量的高壓脈沖在電纜的測(cè)試端施加給故障電纜，讓電纜的高阻故障點(diǎn)發(fā)生擊穿燃弧。同時(shí)，在測(cè)試端加入測(cè)量用的低壓脈沖，測(cè)量脈沖到達(dá)電纜的高阻故障點(diǎn)時(shí)，遇到電弧，在電弧的表面發(fā)生反射。由于燃弧時(shí)，高阻故障變成了瞬間的短路故障，低壓測(cè)量脈沖將發(fā)生明顯的阻抗特征變化，使得閃絡(luò)測(cè)量的波形變?yōu)榈蛪好}沖短路波形，使得波形判別特別簡(jiǎn)單清晰。這就是我們稱之為的“二次脈沖法”。接收到的低壓脈沖反射波形相當(dāng)于一個(gè)線芯對(duì)地完全短路的波形。將釋放高壓脈沖時(shí)與未釋放高壓脈沖時(shí)所得到的低壓脈沖波形進(jìn)行疊加，2個(gè)波形會(huì)有一個(gè)發(fā)散點(diǎn)，這發(fā)散點(diǎn)就是故障點(diǎn)的反射波形點(diǎn)。這種方法把低壓脈沖法和高壓閃絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，使測(cè)試人員更容易判斷出故障點(diǎn)的位置。與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比,二次脈沖法的先進(jìn)之處，是將沖擊高壓閃絡(luò)法中的復(fù)雜波形簡(jiǎn)化為最簡(jiǎn)單的低壓脈沖短路故障波形，所以判讀極為簡(jiǎn)單，可準(zhǔn)確標(biāo)定故障距離。

相對(duì)于二次脈沖法，三次脈沖法電纜故障測(cè)試儀采用雙沖擊方法延長(zhǎng)燃弧時(shí)間并穩(wěn)弧,能夠輕易地定位高阻故障和閃絡(luò)性故障。三次脈沖法技術(shù)先進(jìn),操作簡(jiǎn)單,波形清晰,定位快速準(zhǔn)確,目前已經(jīng)成為高阻故障和閃絡(luò)性故障的主流定位方法。三次脈沖法是二次脈沖法的升級(jí)，其方法是首先在不擊穿被測(cè)電纜故障點(diǎn)的情況下，測(cè)得低壓脈沖的反射波形，緊接著用高壓脈沖擊穿電纜的故障點(diǎn)產(chǎn)生電弧，在電弧電壓降到一定值時(shí)觸發(fā)中壓脈沖來穩(wěn)定和延長(zhǎng)電弧時(shí)間，之后再發(fā)出低壓脈沖，從而得到故障點(diǎn)的反射波形，兩條波形疊加后同樣可以發(fā)現(xiàn)發(fā)散點(diǎn)就是故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置。由于采用了中壓脈沖來穩(wěn)定和延長(zhǎng)電弧時(shí)間，它比二次脈沖法更容易得到故障點(diǎn)波形。相對(duì)于二次脈沖法由于三次脈沖法不用選擇燃弧的同步時(shí)長(zhǎng)，操作起來也跟加簡(jiǎn)便。

二、系統(tǒng)組成

三次脈沖電纜故障測(cè)試儀、續(xù)弧反射法中央控制單元、電纜故障測(cè)試高壓沖擊單元

第一部分：三次脈沖電纜故障測(cè)試儀

三次脈沖電纜故障測(cè)試儀負(fù)責(zé)向電纜輸入測(cè)量脈沖，并判斷什么時(shí)候觸發(fā)電路發(fā)送測(cè)量脈沖最為合適，為保證儀器成功捕捉到故障點(diǎn)的技術(shù)關(guān)鍵。同時(shí)，它還負(fù)責(zé)把采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波，提出其中的有用的測(cè)量脈沖。三次脈沖電纜故障測(cè)試儀這個(gè)部分是整個(gè)三次脈沖電纜故障測(cè)試儀器的大腦，負(fù)責(zé)向其他部件發(fā)送各種指令，協(xié)調(diào)各部件的工作，并向操作者提供人機(jī)對(duì)話的界面。它的主要功能是對(duì)測(cè)量脈沖進(jìn)行高速的采樣和記錄，對(duì)采集的到信號(hào)進(jìn)行高速的運(yùn)算分析。對(duì)每次采集到的測(cè)量脈沖進(jìn)行高速傅里葉變換分析，成功地捕捉到電纜高阻故障的低壓脈沖波形，便于電纜故障測(cè)試人員分析。

第二部分：中央控制單元

中央控制單元是高壓脈沖、中壓脈沖和低壓測(cè)量脈沖匯合的部件，它對(duì)信號(hào)的處理直接影響著儀器的測(cè)量精度、穩(wěn)定性以及測(cè)量成功的幾率。中央控制單元中的高壓濾波單元可以濾掉高壓脈沖的毛刺，使高壓脈沖變得平滑，并在故障點(diǎn)形成穩(wěn)定的燃弧、延弧，同時(shí)也可減少高壓脈沖對(duì)波形記錄分析儀信號(hào)采集的干擾。過壓保護(hù)單元除了保護(hù)著三次脈沖電纜故障測(cè)試儀不受高壓脈沖的沖擊之外，還是低壓測(cè)量脈沖的分壓采樣的重要部件，是測(cè)量脈沖輸出、輸入交互的接口電路。

中央控制單元是一種連接裝置，用來連接三次脈沖反射儀和高壓脈沖發(fā)生器，以便實(shí)現(xiàn)高阻和間歇性故障的預(yù)定位。通過脈沖發(fā)生器的使用和故障點(diǎn)處中央控制器的濾波器的阻塞作用，系統(tǒng)創(chuàng)建了一次閃絡(luò)。此閃絡(luò)將高阻故障臨時(shí)轉(zhuǎn)變成為低阻故障。這樣，該故障就可以產(chǎn)生一次反射，并很方便地存儲(chǔ)在三次脈沖電纜故障測(cè)試儀中。通過對(duì)比閃絡(luò)前的軌跡線和閃絡(luò)過程中的軌跡線，就可以清晰顯示出故障距離。

第三部分：電纜故障測(cè)試高壓脈沖發(fā)生器

電纜故障測(cè)試高壓脈沖發(fā)生器是該套電纜故障預(yù)定位儀的能量提供部分，向外提供高壓高能的電壓脈沖。主要由升壓變壓器、高壓整流二極管、充電電容、放電球隙組成。

三、弧反射法成功應(yīng)用的幾大要素

電纜故障預(yù)定位儀要成功的運(yùn)用弧反射的方法，除了要求研制者熟悉弧反射的原理外，其儀器的硬件性能必須滿足如下幾大要素：

1、采樣頻率要高。由于測(cè)量脈沖在電纜中的傳播速度極快，一般在150～250 m/µs 之間；測(cè)量脈沖的寬度很窄，一般在10 ns～10 µs 之間；穩(wěn)定的高壓燃弧的時(shí)間很短，所以要求波形記錄分析儀的采樣頻率很高。故障測(cè)試的分辨率除了與脈沖傳播的速度、脈沖寬度有關(guān)外，與采樣頻率的高低關(guān)系最緊密。高頻采樣才能保證對(duì)測(cè)量脈沖充分、準(zhǔn)時(shí)地采集，只要有信號(hào)丟失，測(cè)量就會(huì)失敗。

2、燃弧要穩(wěn)定。高壓脈沖加到故障電纜的測(cè)試端后，要在高阻故障點(diǎn)形成穩(wěn)定的燃弧，這是弧反射法應(yīng)用成功的前提。要形成穩(wěn)定的燃弧，不僅僅需要很高的電壓和很大的輸出電流，而是需要高壓脈沖有一定大的能量，即是電壓、電流和時(shí)間的乘積：Q = U•I•t。不同電壓等級(jí)的電纜，其電纜的耐壓能力不同，再者，故障點(diǎn)絕緣情況不同，產(chǎn)生燃弧所需的電壓、電流、能量都不同。還有一點(diǎn)，輸入給電纜的高壓脈沖本身如果已經(jīng)經(jīng)過濾波等處理后，其高壓脈沖信號(hào)本身就很理想，這也將促成燃弧的穩(wěn)定。

3、觸發(fā)測(cè)量脈沖要適時(shí)。在高阻故障點(diǎn)能產(chǎn)生高壓燃弧后，向電纜測(cè)試端加入測(cè)量脈沖的時(shí)間要適時(shí)。測(cè)量脈沖加入得太早，測(cè)量脈沖波頭到達(dá)故障點(diǎn)時(shí)，燃弧還未產(chǎn)生，測(cè)量脈沖會(huì)直接行進(jìn)到電纜終點(diǎn)端頭，波形記錄儀可能接收到來自終點(diǎn)端頭的反射波，甚至接收不到任何反射波；測(cè)量脈沖加入得太晚，測(cè)量脈沖波頭到達(dá)故障點(diǎn)時(shí)，燃弧已經(jīng)結(jié)束，波形記錄儀可能接收到來自終點(diǎn)端頭的反射波。這樣，波形記錄儀無法接收到來自故障點(diǎn)的反射波，導(dǎo)致故障定位失敗。這要求儀器的程序處理中心能良好的協(xié)調(diào)各部件的工作。

4、信號(hào)取樣要準(zhǔn)確。在測(cè)量脈沖發(fā)送適時(shí)的前提下，還要保證波形記錄分析儀記錄的是正確的信號(hào)。因?yàn)殡娙莘謮汉?img src="../img/kc900測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)1.jpg" alt="電纜故障測(cè)試儀招標(biāo)"width="360" height="270" align="right" />的信號(hào)是高壓脈沖、測(cè)量脈沖以及雜波的混合信號(hào)，要從其中提取有用的測(cè)量脈沖信號(hào)，去掉所有的干擾信號(hào)。這就要求弧反射濾波儀的處理能力優(yōu)越。

5、CPU 運(yùn)算速度要快。由于波形的行進(jìn)速度極快，采樣頻率極高，要處理的數(shù)據(jù)量極大，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要盡快地得到測(cè)量波形圖，因此，與之配合的CPU 的存儲(chǔ)、運(yùn)算速度就相應(yīng)的要求很高。否則，采樣到的信號(hào)就會(huì)有丟失，送給波形記錄分析儀的信號(hào)數(shù)據(jù)將不真實(shí)、不正確，分析的結(jié)果肯定不正確，最后呈現(xiàn)給操作者的波形就會(huì)是雜亂的波形，故障的定位就會(huì)失敗。

6、波形記錄儀的抗干擾能力要強(qiáng)。由于電力電纜的故障測(cè)試都是在強(qiáng)磁場(chǎng)、高電壓的環(huán)境下進(jìn)行的，對(duì)儀器的抗干擾能力要求比較高，不能出現(xiàn)死機(jī)、花屏等現(xiàn)象。

五、結(jié)束語(yǔ)

弧反射法是目前國(guó)際上采用的最先進(jìn)的方法，針對(duì)電纜故障定位的其他方法的研究也在緊密地進(jìn)行之中。隨著我國(guó)相關(guān)制造技術(shù)的提高，國(guó)際、國(guó)內(nèi)技術(shù)交流的增多，我國(guó)的技術(shù)人員一定能很好的掌握這項(xiàng)技術(shù)，研發(fā)出性能更好的電纜故障定位系統(tǒng)，甚至發(fā)現(xiàn)更好的電纜故障定位的方法。三次脈沖法電纜故障測(cè)試儀的研究成功，代表了國(guó)內(nèi)最高水平及電纜測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)。相信隨著宣傳及推廣，它們會(huì)迅速普及到廣大電纜維護(hù)者手中，為我國(guó)的電力電纜維護(hù)做出積極的貢獻(xiàn)。

六、參考文獻(xiàn)

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