电力电缆故障测试技术研究

2013-09-28刘石川

电线电缆 2013年1期

王巍，刘石川

(1.鄂尔多斯电业局，内蒙古鄂尔多斯017000;2.内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010020)

0 引言

电力电缆故障的检测是一个世界性的课题。上个世纪30年代，国外刊登了一篇论文《电缆中击穿点之故障探测》，首先提出了用高压冲击来使故障点放电，用冲击电流表粗测电缆故障的论点，这一观点为以后电缆检测技术的发展和手段的丰富奠定了基础。电缆故障检测设备是伴随着先进电子技术的出现而诞生的。电缆故障检测技术的发展经历了一个漫长的过程。上个世纪七十年代以前，主要是采用电桥法和低压脉冲法(又称时域反射法)，电桥法及低压脉冲测距法在测量电缆的接地故障和开路故障方面，可以说是相当完善了。然而对于高阻故障(泄露高阻和闪络高阻)的寻测，采用上述方法则是无能为力的，必须另辟蹊径。尽管后来又出现了用高压电桥(输出高压10kV)测高阻故障，但大多还需“烧穿”，故障可测率很低。

本文在分析了电缆故障诊断传统技术的基础上，对各种技术的应用详细阐述，讨论了未来在电缆测试诊断技术领域的发展方向，具有很好的现实指导意义。

1 电缆故障测试技术的发展

通过引言介绍，我们知道电桥法实质上只能解决电缆部分故障的测试。而电缆的故障千奇百怪，三相全坏的情况常有发生。为了解决诸多难题，，在西安电子科技大学科研人员的努力下，我国才有了真正意义上的电缆故障检测仪。仪器的基本原理应用了微波传输(雷达测距)理论，即脉冲法。无论低压脉冲法还是高压脉冲法均是依据微波在“均匀长线(电缆)”传输中，因其某处(故障点)特性阻抗发生变化对电波的影响来微观地分析电波相位、极性及幅度等物理量的变化，来测得电波传输到故障点的时间再计算出故障点的距离。即:

式中，v为电波在不同介质电缆中的传输速度;t为电波从始端到故障点再返回始端的时间。

1.1 脉冲回波返射法之电子管、晶体管阶段

我国第一台电缆故障检测仪DGC—711可以等同于一台示波器，其电路与一般脉冲示波器相似，不同的是采用了贮能示波管。利用其可有限保持瞬时暂态信号波形的特性来观察故障点放电时的电压波形，拍照记录再分析照片上的波形，以此计算出故障点的距离。其原理图如图1所示。

基于当时的技术水平，DGC—711全部由分立元件组装而成，因此，各项功能均采用手动切换。做高压脉冲测试时(闪络)取样方式采用电阻分压法。

图1 DGC—711闪测仪基本原理框图

1.2 单片机用于故障检测阶段

上世纪90年代初期，国内电缆故障检测仪在电路设计中大多采用了CPU处理器、高速的A/D转换器、单片机编程控制等新技术，初步实现了半自动化。其基本原理和连线见图2。

图2 电缆测试仪基本原理框图

与第一代电缆故障测试仪相比，此阶段电缆故障检测仪在信号处理技术上是一个大的飞跃。它充分利用微处理器庞大的数据处理功能及丰富的软件，彻底改变了原来用贮存示波管观察瞬态模拟波形，用人工估读故障波形距离的传统方法，做到了一次采样获得的瞬态波形可以永远显示、保存，并且用光游标自动跟踪故障特征波形，自动换算故障点距离，自动数字显示，自动打印等。还可以根据不同种类的电缆电波传输速度自动修正测试距离。基本上实现了电缆故障测试半自动化、半智能化。

1.3 计算机及网络技术阶段

新世纪伊始，随着计算机技术的进一步发展，电脑走进了千家万户。人们不再满足于仪器的“简单”使用，于是就出现了信号采集和显示、分析等功能的分解。即通过前置器采样信号并处理后送入笔记本电脑，在电脑上显示波形，采用专用软件完成对波形的分析、存取、阅读、比较等，给出最终的结果。

1.3.1 技术的进步

这一时期的产品在采样频率提高到最高达40 MHz，大大提高了仪器的响应速度和分辩率，仪器的操作已趋鼠标化。测试距离最大到40 km，测试盲区15 m左右。同时仪器采用了高集成化及SMT(表面贴装)技术，更加小巧，便携、可靠。软件方面由汇编语言过渡到高级语言编程，工作平台升级为Windows系统，软件功能强大而丰富，使人机对话进一步友好。由于采样频率的提高(40 MHz)和信号采集技术的创新，新的取样方式感应式应运而生，实现了测试与高压完全隔离，人身的绝对安全。其原理图如3所示。

图3 智能电缆仪原理框图

1.3.2 测试波形的改变

第一、二代电缆故障检测仪采用高压分压，电感取波形(冲L法)方式，即电压取样法(见图4)。在故障点击穿时，实质上是一个LC的振荡电路，所以故障点放电的电压波形往往是叠加在余弦大振荡波上，并且很容易被淹没。改用新一代检测仪及感应法取样后波形基本处于同一水平基线，而且会反映出多个周期，分析时可选取更为理想的一个周期波形，使人为的读数误差减至最小。同时增加了同屏双波形显示，即测试区域放大波形及全貌波形同时记录、显示，加之现有的各种比较波形功能，使用起来将更加容易、快捷。特别是实时波形的打印功能，解决了测试波形归档保存的难题，方便以后的查阅、分析。

图4 第一、二代仪器高压脉冲法测试波形

1.3.3 定点仪技术的改进

由于电缆故障点在被击穿后产生电磁波和声波，因此传统方法是接收两者信号并处理放大，通常电磁波强度用指针式电压表指示，声波则通过耳机输出，两者均为最大(强)时即为故障点，这种接收技术被称为“声磁同步”法。其原理图如图5所示。

定点仪新技术中对电磁波进行了更细的分解。由于电磁波在空气中的传输速度比声波快，通过计时电路记录两者到达的时间再经逻辑运算给出故障点距离。即:

图5 定点仪原理框图

另一种方法则是通过对瞬时电磁波及声波信号进行整理后显示出波形(如图6)，在二者波形起点重合时即认为此处为故障点位置。

图6 依据波形判别故障点示意图

2 电缆故障测试的方法

2.1 低压脉冲法

低压脉冲法是依据微波传输理论(雷达原理)，在电缆故障相上加一脉冲信号，当电波传输到故障点时必然有部分反射回来，通过分析入射波与反射波的时间差，计算出故障点的距离。由于输出的信号电压低(通常为150V)很安全，因此，被称作低压脉冲法。此方法可用来测量电缆的低阻故障、开路故障、电缆长度以及部分中间接头的位置。其波形规律如图7。

图7 开路故障及全长低压脉冲法测试波形

电缆只有在充分放电后，才能使用脉冲法进行测量。开路、全长反射波与起始波同极性。当低阻短路故障时，波形中不出现全长反射波。电缆的中间接头的反射波一般与发射波同极性，偶尔也出现负性，脉冲幅度要比故障点或电缆终端的反射脉冲幅度小;T型接头反射波与发射波反极性，且幅度较大。

2.2 高压脉冲法

高压脉冲法可测所有类型的故障，尤其对泄漏高阻更为有效。电缆所加的冲击电压大小应以故障点能充分闪络放电，仪器能记录到理想的冲闪波形为好，切勿一开始就将球隙调得很大。若故障点放电困难，应尽可能地加大贮能电容容量或提高冲击电压(增大球隙间距)。但是切勿一直加压冲闪。图8、图9为高压脉冲法初测电缆故障接线示意图与波形图。

图8 高压脉冲法初测电缆故障接线示意图

图9 冲闪法几种常见典型波形

3 多次脉冲法在电缆故障测试上的应用

综上所述，二次脉冲法和多次脉冲法概念的提出是建立在高压闪络法中高压击穿并使故障点放电这一基础上的。电缆故障点被击穿时会产生电弧而形成瞬间的短路，呈瞬间低阻故障特性。在燃弧稳定阶段(或称瞬间低阻区)再在电缆上加一个低压脉冲信号，则会出现一个和用低压脉冲法测试低阻故障时相同的波形。把这种在电缆上同时施加高压脉冲和低压脉冲的方法称为二次脉冲法，若低压脉冲信号是周期发送的则称为多次脉冲法。图10为多次脉冲法原理接线图。

本文采用FCL-2056M电子式一体化脉冲发生器产生高压多次脉冲信号，采用FCB-6操作箱，FVT-6/50轻型试验变压器、FPC-25/12高压脉冲电容、FCL-2061安全型刻度球隙产生高压冲击信号，对故障电缆进行了波形实测。波形如图11、12所示。

图10 多次脉冲法测试接线图

图11 多次脉冲法实测波形

图12 多次脉冲法实测波形

上述实验证明，多次脉冲法的另一先进性在于它能周期性发射脉冲信号，保证了在故障点处于短路电弧状态时必有一个或多个反射波回来，从而显示出测试波形。多次脉冲法的测试基本原理还是传输线理论的波反射原理，只是相对普通高压脉冲法来说，它用高压脉冲使故障点形成瞬间短路电弧，在燃弧期间再发一低压脉冲到故障电缆，此时，即可得到高阻故障的低压脉冲波形，此波形比普通高压脉冲波形易于判读，完全如同判读分析低压脉冲波形，如再将低压脉冲测全长的波形与之同屏比较显示，则更加易读。

当在电缆故障相施加冲击高压闪络时，故障点经历起弧—弧稳定—弧熄灭三个阶段，短路电弧总共持续约240 μs，只有在弧稳定阶段(约80 μs)所加的低压脉冲信号才真正有效且返回到测试端。因为短路电弧在起弧和熄弧两个阶段均不稳定，测试电路中脉冲储能电容与放电回路中分布电感形成LC振荡回路，使芯线上存在幅度很大的衰减余弦振荡波和故障点击穿时在故障点与测试端来回反射的脉冲波，波形杂乱无章。多次脉冲法实际上也可归纳为高压闪络法的范畴，都是利用故障点在冲击高压作用下电弧将故障相和电缆地线短路的特性来完成测试的。