（电气工程专业论文）基于行波原理的电缆故障测距技术及其应用.pdf

摘要 随着电力电缆应用成本的下降和城市电网改造工作的开展，电力电缆获得了 越来越广泛的应用。各种类型的电力电缆在全国各工矿企业、事业单位、港口、 机场、石化、钢铁、城市电网等广泛应用。从生产安全及维护方便的角度出发， 几乎全部采用埋地电力电缆供电。这种供电的许多优点是显而易见的。但是，到 目前为止，电力电缆故障测距仍然缺少有效的方法。一旦发生绝缘故障，很难较 快地寻测出故障点的确切位置，往往要花数小时，甚至几天的时间，不能及时排 除故障恢复供电，往往造成停电停产的重大经济损失。所以，如何准确、迅速、 经济地查寻到电缆故障点具有很高的研究及应用价值。 为了良好地解决电缆故障测距的问题，本文在分析了现有电缆故障测距技术 的基础上，深入研究基于行波原理的电缆故障测距技术。它具有适用范围广，测 距精度高，应用潜力大等优点，是现在和今后电缆故障测距的主导方法。尤其是 二次脉冲法( 多次脉冲法) 的开发与应用，是今后电缆故障测距技术的重要发展 方向。 本文第一章概述了目前电缆故障测距技术的情况，特别是行波法电缆故障测 距技术的发展状况及存在的问题。第二章介绍了目前存在的各种电缆故障测距技 术及其分类，并进行了评价；同时介绍了电缆故障测距技术的的核心技术一故障 测距技术和信号处理技术。第三章应用小波分析理论对信号进行去噪处理，在理 论上提出小波去噪的原理及改进的软阀值算法。第四章介绍了行波法电缆故障测 距技术的基本原理及相关知识。第五章在第四章的基础上，提出电缆故障测距技 术的具体实现。第六章针对现场的实际应用存在的问题，提出了相关的各种解决 方法和对策。最后，则介绍了国内最新电缆故障测距技术一一二次脉冲法，该方 法可以很好地解决波形难以判断的棘手问题，并对行波法的电缆故障测距技术进 行了总结和展望。 本文试图通过对基于行波原理的电缆故障测距技术的系统性研究，针对目前 行波法存在的问题，从理论上和实际应用上提出了解决方法。对该领域的研究人 员及现场测试人员具有很好的参考价值。 关键词：电力电缆；故障测距；行波；二次脉冲法；小波分析 a b s t r a c t w i t ha p p l i c a t i o nc o s t sd e c r e a s i n go fp o w e rc a b l ea n dr e b u i l d i n go fp o w e r n e t w o r k ，p o w e rc a b l ei sb e i n gw i d e l yu s e d t h ee l e c t r i cc a b l e so fd i f f e r e n t t y p e sa r ei ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o ns u c ha sa l li n d u s t r i a la n dm i n i n ge n t e r p r i s e s ， p u b l i ci n s t i t u t i o n , p o r t ，a i r p o r t ，p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，s t e e l ，u r b a n e l e c t r i cw i r en e t t i n go ft h ew h o l ec o u n t r y m a i n t a i nf r o mp r o d u c t i o ns a f e t y c o n v e n i e n ta n g l es e to u t ，a d o p t ，b u r ya l ln e a r l ye l e c t r i cc a b l es u p p l yp o w e r al o to fa d v a n t a g e so ft h i sk i n do fp o w e rs u p p l ya r eo b v i o u s h o w e v e r ，u pt i l l n o w ，t h e r eh a v en o te f f i c i e n tm e t h o d so np o w e rc a b l ef a u l tl o c a t i o n i ti s h i n d e r e do n c et h eh o p e l e s sc a u s eh a p p e n s ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt os e e ka n dm e a s u r e t h ep r e c i s ep o s i t i o no ft h et r o u b l ep o i n tv e r yf a s t ，o f t e nt a k e ss e v e r a lh o u r s ， e v e ns e v e r a ld a y s ，c a n tf i xab r e a k d o w na n dr e s u m es u p p l y i n gp o w e ri nt i m e ， o f t e nc a u s et h eg r e a te c o n o m i cl o s s e sl o s i n ge l e c t r i c a lp o w e ra n ds t o p p i n g p r o d u c t i o n s o ，h o wa c c u r a t e ，r a p i d l y ，e c o n o m yi ss e a r c h e dt ot h ec a b l et r o u b l e p o i n tt oh a v ev e r yh i g hr e s e a r c ha n du s i n gv a l u e t h i sp a p e rr e s e a r c hf i n dr a n g eo nt h eb a s i so fct r a v e l l i n gw a v ec a b l et r o u b l e o fp r i n c i p l el a wc a ns o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ec a b l et r o u b l ef i n d sr a n g ew e l l ， i ti sa p p l i c a b l ea n di ne x t e n s i v er a n g e ，t h ep r e c i s i o ni sh i g ht of i n dr a n g e ， e m p l o yt h ea d v a n t a g es u c ha sb e i n gg r e a to fp o t e n t i a l i t y ，i ti st h el e a d i n gm e t h o d t h a tt h ec a b l et r o u b l ef i n dr a n g en o wa n di nt h ef u t u r e e s p e c i a l l yt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs e c o n d a r yi m p u l s em e t h o d ( n u m e r o u si m p u l s e m e t h o d ) ，i st h ei m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft e c h n o l o g yt h a tt h ec a b l e t r o u b l ew i l lf i n dr a n g ei nt h ef u t u r e t h i sp a p e rc h a p t e ro n es u m m e du pt h es i t u a t i o no ft e c h n o l o g yt h a tt h ec a b l e t r o u b l ef i n d sr a n g ea tp r e s e n t ，t h es t a t eo fd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n d e x i s t i n gp r o b l e mt h a tw a v el a wt h a te s p e c i a l l yw a l kc a b l et r o u b l ef i n d sr a n g e t e c h n o l o g ya n dc l a s s i f i c a t i o nt h a tc h a p t e rt w oi n t r o d u c e dv a r i o u sc a b l et r o u b l e s e x i s t i n ga tp r e s e n ta n df o u n dr a n g e ，h a v ea p p r a i s e d ；r e c o m m e n dc a b l et r o u b l e t of i n dr a n g et e c h n o l o g yk e yt e c h n o l o g ya tt h es a m et i m e t e c h n o l o g ya n ds i g n a l t r e a t m e n tt e c h n o l o g yt h a tt h et r o u b l ef i n d sr a n g e e m p l o yl i g h tw a v ea n a l y z e t h e o r yg oo n ，g o ，m a k ea nu p r o a r ，d e a lw i t ht os i g n a l ，p u tf o r w a r dl i g h tw a v e g op r i n c i p l ea n di m p r o v e ds o f tv a l v ev a l u ea l g o r i t h mt h a t m a k ea nu p r o a ri nt h e o r y t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft e c h n o l o g ya n dr e l e v a n tk n o w l e d g et h a tt h ec a b l et r o u b l e o fw a v el a wo ft h ec o n d u c tf i n d sr a n g et h a tc h a p t e rf o u rr e c o m m e n d e d o nt h e b a s i so fc h a p t e rf o u r ，p r o p o s ec a b l et r o u b l ef i n dr a n g et or e a l i z es p e c i f i c a l l y t e c h n o l o g y c h a p t e rs i xt ot h eq u e s t i o nt h a tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h e s c e n ee x i s t s ，h a v ep u tf o r w a r dv a r i o u sr e l e v a n ts o l u t i o n sa n dc o u n t e r m e a s u r e s f i n a l l y ，t h et e c h n o l o g yt h a to u rc o u n t r y sl a t e s tc a b l et r o u b l ef i n d sr a n g e t h a tr e c o m m e n d e d 一一s e c o n d a r yi m p u l s em e t h o d ，t h i sm e t h o dc a nw e l ls o l v et h e t h o r n yp r o b l e mt h a tt h ew a v ef o r mi sd i f f i c u l tt oj u d g e a n dw a v el a wh a sb e e n s u m m a r i z e dt ow a l k i n ga n dp r o s p e c t t h i sp a p e ra t t e m p tt h r o u g ht of i n dr a n g eo nt h eb a s i so fc o m p e t e n tw a v ec a b l e t r o u b l eo fp r i n c i p l es y s t e m a t i c n e s so ft e c h n o l o g ys t u d y ，t h ee x i s t i n gp r o b l e m o fw a v el a w ，h a sp u tf o r w a r dt h es o l u t i o n f r o mo nt h et h e o r ya n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nt od o i n ga tp r e s e n t h a v ev e r yg o o dr e f e r e n c ev a l u et ot h er e s e a r c h e r o ft h i sf i e l da n do n - t h e s p o tt e s t e r k e yw o r d s ：p o w e rc a b l e ； f a u l tl o c a t i o n ；t r a v e l l i n gw a v e ； s e c o n d a r y i m p u l s em e t h o d ； w a v e l e ta n a l y s i s m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本 作者签名 日期：力彳年i 明7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文 外) ；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制 手段保存汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 曰同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 指导教师 日期：护胁夕 日期：枷，2 夕 ，、。 担。 h 荔 第一章概述 第一章概述 随着我国国民经济的高速发展和城市电网改造的完成，大量的输电线路敷设 在地下，各种类型的电力电缆在全国各工矿企业、事业单位、港口、机场、石化、 钢铁、城市电网等广泛应用。从生产安全及维护方便的角度出发，几乎全部采用 埋地电力电缆供电。这种供电的许多优点是显而易见的。 电力电缆具有安全、可靠、有利于美化城市与厂矿布局等优点。但由于各种 因素的影响，在运行中，电力电缆也会发生故障。一旦发生故障，很难较快地寻测 出故障点的确切位置，往往要花数小时，甚至几天的时间，不能及时排除故障恢 复供电，往往会造成停电停产的重大经济损失。所以，如何准确、迅速、经济地 查寻到电缆故障便是本论文重点要解决的问题。 1 1 电缆故障测距技术的发展概况 电缆故障定位技术的发展经历了一个很长的时期。2 0 世纪7 0 年代前发明的 电桥法及脉冲测距法在测量电缆的接地故障和断路故障方面，可以说是发展得相 当完善了。然而，对于高阻故障( 高阻泄漏或高阻闪络性故障) 的测寻，采用上 述方法则无能为力了，必须另辟蹊径。这在2 0 世纪7 0 年代初对于世界各国都是 一个相当新的课题。电缆故障的定点是电缆故障探测的关键。目前，比较多采用 的方法是冲击放电声测法及主要用于低阻故障定点的音频感应法。实际应用中， 往往因电缆故障点环境因素复杂，如环境振动噪声过大、电缆埋设深度过深等， 造成定点困难，成为快速找到故障点的主要矛盾。8 0 年代以来，出现了低压脉冲 反射法、电压脉冲法、脉冲电流法、二次脉冲法等基于行波测距原理的电缆故障 测试技术，实际应用证明，对付电缆的各种类型高阻故障已不成问题。目前我国 的电力电缆故障测试技术及测试仪器已经达到世界先进水平。目前选择行波法进 行电力电缆的故障定位是一种较好的方法。随着在线故障测距的开发利用，行波 法尤显优越。 1 2 国内电缆故障探测技术的现状 近些年来，国内很重视电力电缆故障探测技术的开发研究。早期的方法是， 使高阻故障经过烧穿后变成低阻故障，而后再用电桥法或低压脉冲反射法进行粗 测。因为采用这种方法进行“烧穿”很费时问、人力、和电力，而且需要庞大的 设备。目前已经开发出可靠的冲击高压闪络法、二次脉冲法、智能高压电桥法等 华南理工大学1 = 程硕士学位论文 先进测试技术。所以，现在探测电力电缆故障时，不再将高阻故障“烧穿”，而 直接对故障电缆的故障相施加直流高压或冲击高压，使故障点电离放电闪络，然 后再通过闪络脉冲的反射波测出故障点的位置。 电缆故障中大约有9 0 是属于高阻故障，对于电缆故障中的高阻故障，国内 目前各厂家的电缆测试仪，最常用的方法就是冲击高压闪络法一一冲击高压电压 取样法或冲击高压电流取样法。此方法有很多优点，能解决大部分高阻故障。但 由于此方法所采集的波形较为复杂，不同类型的电缆，不同的故障距离，不同的 冲击高压，所测得的波形千变万化，往往与标准波形相差甚远。这样给测试人员 的分析、判断带来很大困难。不能根据波形分析准确判断故障距离，导致故障点 不能判定或错判的情况时有发生，以至很多单位购买了仪器却很难根据测试波形 分析判断故障距离。近年来，国外开始采用先进的二次脉冲法测试电缆故障成效 显著，已经得到了广泛的应用。例如奥地利b a u r 公司、德国s e b a k m t 公司生产 的电缆故障测试仪就是采用二次脉冲法。尽管价格不菲，目前国内不少具有经济 实力的企业为了快捷方便，还是进口了国外公司的成套设备。 二次脉冲法的先进之处，是将冲击高压闪络法中的复杂波形简化为最简单的 低压脉冲短路故障波形。所以一般测试人员都能方便准确地判读波形，标定故障 距离，达到快速、准确测试目的。 国内各种类型、型号繁多的电力电缆故障测试仪对故障距离进行粗测，其测 试原理均大同小异。仅仅是数据处理软件和测试界面、操作的难易程度、结构的 合理性等代表各厂家的特色不同而己。只有二次脉冲法( 或多次脉冲法) 才代表 了当今世界最先进的测试技术水平。我国于2 0 0 4 年下半年开始，有两个厂家先 后开发出具有二次脉冲法的电缆故障测试仪。填补了国内这方面的空白，使得我 国的电力电缆故障测试技术及测试仪器达到世界先进水平。 1 3 目前行波法面临的问题 虽然行波法电缆故障测距技术得到广泛的应用，但也存在以下一些问题： 第一个问题，因为工程实际中采用的脉冲波并不是标准的波形，所以在现场 录的波形复杂，难以辨认。故行波法当前面临的主要问题是如何能更好的仿真实 际的脉冲波形，从而得到更接近实际的波形，准确的识别反射波。另外当故障电 缆中除故障点之外还存在其他阻抗不匹配点时，行波信号将会出现反射和透射现 2 第一章概述 象，与架空线路系统构成不同，地下电缆要复杂得多。因此相应的阻抗不匹配点 就多，如电缆的t 型接头等。这些点的存在将给故障点反射波的识别带来困难。 第二个问题是死区问题，当在测量点附近发生故障时，由于入射波与反射波 之间的重叠，使第一个反射波无从识别。虽然提高采样频率可以减小死区范围， 但是无论采样频率如何提高，都不可能完全消除线路测量端存在的死区。 第三个问题是反射波到达时间的问题，由于行波是一种全频域信号，在电缆 中传输的过程中将发生衰减，而且不同频率的信号其衰减程度和速度也不同。频 率越高、传播速度越快，其衰减也越严重。结果便是行波波形在传播过程中产生 扭曲、变形。以哪一点作为反射波到达的时刻，这无疑将直接影响测距的精度。 第四个问题是行波波速问题，现有的所有测距方法都假设波速为一常数，但 是，如| i i 所述，不同频率的信号其传播速度是不同的，以一个速度去近似含有多 频率成份的行波信号的速度显然有欠妥当。 1 4 本文的研究目标和主要内容 本文将详细论述基于现代行波测距原理的电力电缆故障测距技术，介绍目前 国内常用和最先进的电缆故障测距方法。从提高行波故障测距法的精度出发，给 出了各种故障测距法和电缆故障类型之间的联系以及提出了提高精度、消除噪声 的可行方法和尝试。本论文主要完成以下工作。 ( 1 ) 行波故障测距原理的介绍，详细论述和介绍了基于行波原理的电缆故 障测距技术的相关理论和知识。 ( 2 ) 针对故障测试信号处理方面存在的问题，提出了消除故障信号噪声和 畸变的各种信号处理技术。 ( 3 ) 电缆测距过程中受到噪声信号的干扰，存在波形失真和噪声干扰的问 题，为了提高测距的精度和便于判断波形，必须有效地消除噪声信号，保留真实 信号。利用小波分析理论在消噪方面的优势，引入小波消噪方法，达到很好的消 噪效果。 ( 4 ) 电缆故障类型的确定，针对不同的故障类型选择适当的电缆故障测距 方法。介绍了各种行波法电缆故障测距技术的实现方法及原理。 ( 5 ) 电缆高阻故障，针对波形较难以判断的问题，运用先进的二次脉冲法 来故障测距，可以很好地消除这个问题。 3 华南理工大学t 稃硕士学位论文 ( 6 ) 对于各种基于行波原理的电缆故障测距技术在实际应用中所遇到的问 题，提出相应的对策和注意事项。 行波测距方法适用范围广，测距精度高，应用潜力大，是目前国内外应用最 广泛的故障测距方法，也是以后发展的方向，特别是在在线故障测距方面的应用。 但必须指出的是，电缆线路结构多变，系统运行方式多样，故障类型复杂，每一 种故障测距方法都有其自身的优点，也有其适用的范围。各种测距方法各有侧重， 方法的适应条件也有所不同，可以说存在互补的关系。 4 第二章电缆故障测距技术 第二章电缆故障测距技术 2 1 电缆故障测距技术综述 电缆故障测距技术的发展经历了一个很长的时期。2 0 世纪7 0 年代前发明的 电桥法及脉冲测距法在电缆的接地故障和断路故障方面，可以说是发展得相当完 善了。然而，对于高阻故障( 高阻泄漏或高阻闪络性故障) 的寻测，采用上述方 法则无能为力了，必须另辟蹊径。 近年来，国内外很重视电力电缆故障探测技术的开发研究。早期的方法是， 使高阻故障经过烧穿后变成低阻故障，而后再用电桥法或低压脉冲法进行粗测。 因为采用这种方法进行“烧穿”很费时间、人力和电力，而且需要庞大的设备。 目前已经开发出可靠的脉冲电压法、脉冲电流法、二次脉冲法及智能高压电桥法 等先进测试技术。所以，现在探测电缆故障时，不再将高阻故障“烧穿”，而是 直接对故障电缆的故障相施加直流高压或冲击高压，使故障点电离放电闪络，然 后再通过闪络脉冲的反射波测出故障点的位置。 对于各种各样的电缆故障，一般都按照一定的程序和步骤进行：( 1 ) 确定 故障性质；( 2 ) 粗测距离，就是测出故障点到电缆任意一端的距离；( 3 ) 测寻故 障电缆的敷设路径；( 4 ) 故障点的定点( 精测) ，也就是确定故障点的精确位置。 本文所论述的电缆故障测距技术就是指粗测距离这一关键步骤的技术。 2 1 1 电缆故障类型 电力电缆故障是由于故障点的绝缘损坏而弓i 起的，一般故障的类型大体上分 为两大类：低阻( 短路) 故障和断路故障；高阻泄漏故障和闪络性故障。 1 低阻故障和开路故障 凡是电缆故障点绝缘电阻下降到该电缆的特性阻抗，甚至直流电阻为零的故 障均称为低阻故障或短路故障( 注：这个定义是从采用脉冲反射法的角度，考虑 到波阻抗不同对反射脉冲的极性变化的影响而下的。对于电桥法，低阻故障的定 义不受特性阻抗概念的限制。) 这里给出一个电缆特性阻抗的参考值： 铝芯2 4 0 m 2 截面积的电力电缆的特性阻抗约为1 0o ； 铝芯3 5m 2 截面积的电力电缆的特性阻抗约为4 0q 。 其余截面积的铝芯电力电缆的特性阻抗可据此估算。 凡是电缆绝缘电阻无穷大或虽正常电缆的绝缘电阻值相同，但电压却不能馈 华南理工大学工程硕士学位论文 至用户端的故障均称为开路( 断路) 故障。 2 高阻故障( 包括高阻泄漏故障和闪络性故障) 电缆故障点的直流电阻大于该电缆的特性阻抗的故障均为高阻故障。 ( 1 ) 高阻泄漏。在作电缆高压绝缘试验时，泄漏电流随试验电压的增加而 增加。在试验电压升高到额定值时( 有时还远远达不到额定值) ，泄漏电流超过 允许值，称为高阻泄漏故障。 ( 2 ) 闪络性故障，试验电压升至某值时，监视泄漏电流的电表指值突然升 高，表针且呈闪络性摆动；电压稍下降时，此现象消失，但电缆绝缘仍有极高的 阻值，这表明电缆存在有故障。两这种故障点没有形成电阻信道，只有放电闻隙 或闪络表面的故障便称为闪络性故障。 一般的高阻故障点的性质，可用图2 - 1 等效电路表示。 踅 室 - 麓 - l i m p 冉 赫 l t 越 图2 - 1 高阻故障等效电路 高阻故障的表现形式尽管多种多样，但其本质均表现在图2 - 1 等效电路中的 “高阻泄漏电阻”上，“高阻泄漏电阻”的阻值直接决定了高阻故障的特性，它 们可以或者是“高阻泄漏故障”，或者是“高阻闪络性故障”，或者是二者兼有 之的故障。 例如：当r s 近似无穷大时，故障点j s 两端的直流电压可以增至相当高而泄 漏电流还不至于超过额定值，完全可能在电压升至额定值前j s 被击穿，从而形成 闪络性故障。 当r s 小于一定值，作耐压试验时，由于r s 的存在而产生较大的泄漏电流， 6 第二章电缆故障测距技术 这样大的泄漏电流将在高压电源的内阻上产生较大压降，而使j s 两端的电压无 法升高，j s 可能就不会被击穿，欲升高电压，泄漏电流势必增加，因此完全可 能因泄漏电流大大超过允许值而使继电器保护动作，j s 也就不会再现闪络现象。 2 1 2 电缆故障测距技术 当确定了故障电缆的故障性质以后。就可以根据故障性质，选择适当的测试 方法测出故障点n n 试端或末端的距离，这项工作就叫故障点的粗测距离。本文 所论述的电缆故障测距技术就是应用在这项工作。 粗测距离是电缆故障测试过程中最重要的一步，这项工作的优劣，决定着电 缆故障测试整个过程的效率和准确性。所以，电缆故障测距技术是电缆故障测寻 中最重要的技术。粗测的方法有多种，一般可以归纳为两大类，一种是经典法， 如电桥法等；另一种是基于行波的测试方法，如低征脉冲法、脉冲电压法、脉冲 电流法、二次脉冲法等。 大量的事实证明，大多数供电事故都发生在电源的分配供电网络中，如高压 开关柜中的各种附属设施、高压绝缘瓷瓶及地下电缆。而故障率最高，最难排除 的又要属电力电缆了。一旦故障发生，如何判断故障类型，如何根据故障类型和 本单位的设备条件选择合适的寻测方法，直接影响着对事故处理的速度。事实上， 电缆可能发生任何类型的故障，能否排除故障常取决于现场工程技术人员的实践 经验、他们所熟悉的特殊的试验设备以及他们能否正确的选用测试方法。 按照用低压( 或低压脉冲) 还是用高压寻测故障的方法，可将粗测方法分为 两大类：低阻、接地故障及断路故障的寻测方法；高阻故障的寻测方法。 其中，低阻、接地及断路故障的寻测方法有经典法、低压脉冲法等。而高阻 故障的寻测方法包括脉冲电压法、脉冲电流法、二次脉冲法等。 电缆故障测距技术的关键技术主要包括两部份：故障测距技术( 粗测) 和故 障信号处理技术。 2 2 故障测试信号处理技术 由于不经处理的原始测试信号容易畸变，现场测试人员很难通过此信号判断 出故障距离。所以，各电缆故障测试仪的厂家在仪器里都有对信号进行处理，使 得有用的信号得以保留，无用的信号得以屏蔽，最后得到的波形尽量与典型波形 接近，便于测试人员判断。 7 华南理t 大学t 程硕士学位论文 2 2 1 内部阻抗平衡技术 脉冲反射仪器发送的脉冲有定的宽度，由于仪器的输出阻抗与电缆波阻抗 不匹配，电缆上得到的或者是仪器接收电路感受到的发送脉冲拖了一个尾巴，故 障点反射脉冲与发射脉冲重叠，会造成显著的测量盲区；仪器同时接收并在显示 器上显示发送脉冲与反射脉冲，当故障点距离较远时，发送脉冲的幅值远大于故 障点反射脉冲，如通过提高放大器增益，来达到提高故障点反射脉冲幅值的目的， 将造成信号放大电路的饱和，出现所谓的“阻塞”现象。 使用内部阻抗平衡技术的目的在于压缩甚至消除仪器接收的发送脉冲，从而 减少或消除测量盲区，并且可以较大限度地增加放大电路增益，提高故障点反射 脉冲的幅值，而不会使放大电路“阻塞”造成脉冲反射波形失真。 如图2 2 所示，仪器同时向被测电缆于内部平衡网络发射脉冲，而仪器接收 到的信号是被测电缆于内部平衡网络上信号的差值，调节内部平衡网络参数，使 其与电缆的波阻抗一致，则发送脉冲在电缆与内部平衡网络上产生的信号相同， 仪器接收到的信号为零，而当反射脉冲到来时，内部平衡网络上无信号出现，反 射脉冲全部送到仪器接收电路上去。 为了简化操作，实际的低压脉冲反射仪器往往采用固定的平衡网络，而不用 操作人员调节。 川幢 俩 图2 - 2 内部平衡网络的作用 2 2 2 消除杂散电感影响的补偿技术 电缆存在杂散电感的影响，尽管只有几个微亨，但对高频行波信号而言，它 8 第二章电缆故障测距技术 的影响却不容忽略。表现在波形上为多了一个小的脉冲，这样会对故障点的距离 判断造成误差。所以可以通过以下方法克服： ( 1 ) 在仪器增加自动计算的方法，由仪器自动补偿。 ( 2 ) 测试中，尽量使用内部电感小的电容器，如脉冲电容器，并尽量缩短 电容器与电缆的连线( 包括接地线) 。每次测试时，都使用固定的电容器与导引 线，这样将有助于掌握误差的大小，以准确地计算实际故障点距离。 2 2 3 传统行波信号去噪技术 传统的消噪方法主要是采用频谱分析技术，即利用傅立叶变换把信号先映射 到频域内加以分析，对频域内的频谱进行处理，然后再变换到时域中就完成了信 号的消噪。这种方法适合于信号是平稳的且具有明显区别于噪声的频谱特征，不 适用于非平稳信号的消噪。电缆测距信号中入射脉冲信号和反射脉冲信号本身含 有大量的高频分量，因此是非平稳信号，利用传统的傅立叶消噪方法效果不是很理想。 2 2 4 小波去噪技术 小波分析作为一种新型的时频分析方法，由于其具有良好的时频局部性，并 且具有m a l l a t 快速算法，因此受到了越来越多的关注。运用小波进行一维信号 消噪处理是小波分析的一个重要应用之一，小波变换可以同时进行时频分析，具 有时频局部化和变分辨率特性，因此特别适合于处理非平稳信号。由于信号和噪 声的模极大值在小波变换下呈现出的不同的变换趋势，因此小波去噪是基于模极 大值原理的。m a l l a t 利用奇异信号和随机噪声在小波变换各尺度空间中模极大 值的不同传播特性，提出了基于模极大值的小波消噪方法，该方法经过对模极大 值的处理之后，存在一个由模极大值重构小波系数的问题，计算比较复杂。另外一 种比较简单的方法是对各个尺度上的小波系数进行重新整定，然后进行小波重构。 2 3 电缆故障点粗测技术 2 3 1 经典法 经典法作为电缆故障测距技术，已逐渐被现代行波法故障测距技术所取代， 但在某些地区与单位尚不具备脉冲反射测试条件时，仍需要使用经典法。因此， 下面简单介绍一下几种常用的经典电缆故障测距技术的基本原理。 ( 1 ) 电阻电桥法 电阻电桥法，在2 0 世纪6 0 年代以前，被世界各国所广泛采用。该法几十年来 9 华南理工大学t 稃硕士学位论文 几乎没有任何改变，它对低阻接地及短路故障比较适用。它利用双臂电桥测出电 缆芯线的直流电阻值，再准确测量电缆实际长度，按照电缆长度与电阻的正比例 关系，计算出故障点。 图2 3 为直流电桥法预定位原理图。图中：r 1 为电桥的标准电阻，l 为电缆长 度，x 为测量处与故障点的距离。设单位长度电缆金属层电阻为r 0 ，调节电阻r 2 使检流计指示为0 ，此时电桥平衡，有： 【l + ( l x ) 】r 0 xr 0 = r i ，r 2 ( 2 1 ) 解得：x = 2 l ( 1 + r 1 r 2 ) ( 2 2 ) 图2 - 3 电桥测距原理图 需要特别指出的是：对于三相低阻故障，由于没有完好相做参比，而无法测 试，使它的应用范围大打折扣。 ( 2 ) 电容电桥法 当电缆故障呈断线性质时，由于直流电阻电桥法中测量桥臂不能构成直流通 路，所以电阻电桥法将无法测量出故障距离，这时常用电容电桥法即可测出故障 距离。 电容电桥法工作原理与电阻电桥法基本相同，不同之处在于：图2 - 1 的直流 电源换成交流5 0 h z 电源，检流计换成交流毫伏表。 需要注意的是：使用电容电桥法测试电缆故障时，其断线故障的绝缘电阻应 不小于1 m q ，否则会造成较大的误差，从而限制了电容电桥法在实际测试工作中 的应用。 ( 3 ) 烧穿降阻法 第二章电缆故障测距技术 对于高阻故障，经典的测试方法是毫无效果的。因为高阻故障的故障电阻很 高，测量电流极小，即使用足够灵敏的仪表也难以测量。为了使经典法能够测试 高阻故障，必须通过烧穿降阻法把高阻故障变为低阻故障。当故障点形成低而稳 定的电阻通道时，即可使用低阻测试方法进行故障距离的测试。 2 3 2 低压脉冲法 低压脉冲法，又叫雷达法。它是根据传输线理论，在被测电缆上输入一脉冲 电压，当发射脉冲在电缆线路上遇到故障点、电缆终端或中问接头时，由于该处 阻抗的改变，而产生向测试端运动的反射脉冲，利用仪器记录下发射脉冲与反射 的时间差t ，即发射脉冲在测试端与故障点之间往返一次所需的时间。故障距 离d f 可由下式求得： 1 d ，= 言心( 2 - - 3 ) 4 式中：v 为行波在电缆中的传播速度 2 3 3 脉冲电压法 脉冲电压法，又称闪测法。闪测法具有直流高压闪络( 直闪) 方式和冲击高 压闪络( 冲闪) 方式之分别。它们的测试原理是：根据电缆故障性质的不同，在 故障电缆上施加直流电压( 直闪方式) 或冲击电压( 冲闪方式) ，使故障点击穿 放电，即发生闪络。根据传输线理论，该闪络将在电缆中产生一个电压跃变( 即 脉冲) ，这个跃变的电压将以行波的形式在电缆的测试端与故障点之间来回反射。 这时，如果在测试端记录下行波来回一次的时间t ，再根据行波在电缆中的传 播速度v ，就可以利用式( 2 3 ) 求出故障距离d f 。 脉冲电压法在电缆故障测距技术中应用很广泛，有着多年的应用实践经验， 对它的有效性和准确性，给予充分的肯定，但也发现了它的不足之处。脉冲电压 法是通过电容、电阻分压器测量电压脉冲信号的，仪器与高压回路有电耦合，安 全性不够理想；耦合出的电压信号波形上升不够尖锐，有时识别起来有一定的困 难，尤其是在特殊波形的分析中，需要有较好的基础理论与实践经验。在采用冲 闪方式测距时，由于高压电容器对脉冲信号呈短路状态，所以需要一隔离电感或 电阻，这样就增加了接线的复杂性，而且降低了电容器放电时加到故障电缆上的 电压，使故障点不容易被击穿。 1 1 华南理工大学工稃硕七学位论文 2 3 4 脉冲电流法 脉冲电流法与脉冲电压法都是利用行波技术，只是脉冲电流法所利用的是电 流行波信号，而脉冲电压法利用的是电压行波信号。 脉冲电流法也可以分为直流高压闪络( 直闪) 方式和冲击高压闪络( 冲闪) 方式。它们都是根据电缆故障性质的不同，在故障电缆上施加直流电压( 直闪方 式) 或冲击电压( 冲闪方式) ，使故障点击穿放电，发生闪络。然后通过记录测 量故障点击穿时产生的电流行波信号在测试端与故障点之间往返一次所需的时 间t ，再根据行波在电缆中的传播速度v ，就可以利用式( 2 - - 3 ) 求出故障距离 d f 。可见脉冲电流法与脉冲电压法的基本原理完全相同。 脉冲电流法的电流脉冲信号，是利用线性电流耦合器来测量流入充电电容的 脉冲电流信号。当放电脉冲电压( 或故障点反射电压) 信号到达测试端时，高压 电容器呈短路状态，产生很强的脉冲电流信号，被仪器记录下来的就是线性耦合 器输出的、与高压回路电流成正比的尖锐脉冲电流信号。 2 3 5 二次脉冲法 二次脉冲法在国外是9 0 年代中研制出来的最先进的测试方法。对于高阻故 障，最常用的方法就是脉冲电压法和脉冲电流法。这两种方法能解决大部分高阻 故障。但由于它们所采集的波形较为复杂，不同类型的电缆，不同的故障距离， 不同的冲击高压，所测得的波形千变万化，往往与标准波形相差甚远，以至不能 根据波形分析准确判断故障距离。二次脉冲法的先进之处在于使现场测得的故障 波形得到大大简化。将复杂的高压冲击闪络波形变成了非常容易判读的类似于低 压脉冲法的短路故障波形，降低了对人员的技术要求和经验要求，所以，大大提 高了现场故障的判断准确率。 2 4 各种电缆故障测距技术的评价 长期以来，涌现出了许多测量方法与仪器，这些方法与仪器适用于不同故障 情况，各有各优缺点，这里就各种电缆故障测距技术简单地做一下评价和比较。 ( 1 ) 电桥法 电桥法是经典的测试方法。它的优点是简单、方便、精确度高，但它的重要 缺点是不适用于高阻与闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥里电流很 小，一般灵敏度的仪表，很难探测，实际上电缆故障大部分属于高阻与闪络性故 第二章电缆故障测距技术 障。在用电桥法测量故障距离之前，需用高压设备将故障点烧穿，使其故障电阻 值降到可以用电桥法进行测量的范围，而故障点烧穿是件十分困难的工作，往往 要花费数小时，甚至几天的时间，十分不方便，有时会出现故障点烧穿，故障电 阻反而升高的现象，或是故障电阻烧得太低，呈永久短路，以至不能用放电声测 法进行最后的定点。电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原始技术资 料，当一条电缆线路内是由导体材料或截面不同的电缆组成时，还要进行换算， 电桥法还不能测量三相短路或断路故障。 ( 2 ) 低压脉冲法 低压脉冲法，又叫雷达法，是受二次世界大战雷达的启发而发明的，它通过 观察故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差测距。 低压脉冲法的优点是简单、直观、不需要知道电缆的准确长度等原始技术资 料。根据脉冲反射波形还可以容易地识别电缆接头与分支点的位置。 低压脉冲法的缺点是不能适用于测量高阻与闪络性故障。 ( 3 ) 脉冲电压法 脉冲电压法，又称闪测法，是6 0 年代发展起来的一种高阻与闪络性故障测 试方法。 首先使电缆故障在直流高压信号的作用下击穿，然后，通过观察放电电压脉 冲在观测点与故障点之间往返一次的时间测距。 脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障 击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是电缆故障测试 技术的重大进步。 脉冲电压法的缺点如下： 1 ) 安全性差。仪器通过一电容电阻分压器测量电压脉冲信号，仪器与高压 回路有电耦合，很容易发生高压信号串入，造成仪器损坏。 2 ) 在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串一电阻 或电感以产生电压信号，增加了接线的复杂性，且降低了电容放电时加在故障电 缆上的电压，使故障点不容易击穿。 3 ) 在故障放电时，特别是进行冲闪测试时，分压器耦合的电压波形变化不 尖锐，难以分辨。 4 ) 脉冲电流法 华南理t 大学工稃硕七学位论文 脉冲电流法是8 0 年代初发展起来的一种测试方法，以安全、可靠、接线简 单等优点显示了强大的生命力。 脉冲电流法与脉冲电压法的区别在于：前者通过一线性电流耦合器测量电缆 故障击穿时产生的电流脉冲信号，成功地实现了仪器与高压回路的电耦合，省去 了电容与电缆之间的串联电阻与电感，简化了接线，传感器耦合出的脉冲电流波 形亦比较容易分辨。 5 ) 二次脉冲法 二次脉冲法在国外是9 0 年代中研制出来的最先进的测试方法。对于高阻故 障，最常用的方法就是脉冲电压法和脉冲电流法。这两种方法能解决大部分高阻 故障。但由于它们所采集的波形较为复杂，不同类型的电缆，不同的故障距离， 不同的冲击高压，所测得的波形千变万化，往往与标准波形相差甚远，以至不能 根据波形分析准确判断故障距离。而二次脉冲法恰恰可以很好地解决这个最棘手 的问题。所以，二次脉冲法( 或多次脉冲法) 代表着当今世界最先进的测试技术 水平，是以后电缆故障测距技术最重要的一个发展方向。 二次脉冲法的基本原理是：在故障点起弧的瞬间通过内部装置触发，发射一 低压脉冲，此脉冲在故障点闪络处( 电弧的电阻值很低) 发生短路反射，并记忆 在仪器中，电弧熄灭后，复发一测量脉冲通过故障处直达电缆末端并发生开路反 射，比较两次低压脉冲波形可非常容易地判断故障点( 击穿点) 位置。 2 5 本章小结 本章对电缆故障测距技术进行了全面的介绍，电缆故障测距技术包括两部份 的核心技术：故障信号处理技术和故障点测距技术。在故障信号处理技术方面， 介绍了几种主要的信号处理技术，并且在信号去噪技术方面通过传统的方法和小 波去噪法进行了初步的对比，指出小波去噪的优越性，这在第三章将对小波分析 在故障信号去噪方面进行详细的论述。而在故障点测距技术方面，根据电缆故障 类型，对目前存在的电缆故障测距法进行了分类，同时介绍了的各种故障测距法 的基本原理，并对各种故障测距技术进行了评