（电气工程专业论文）电力电缆故障定位技术分析与系统设计.pdf

f-i， i 。 工 ， 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力电缆故障定位技术分析与系统 设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：由蛰 日期：型! ：乏：f 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：尚童玺 导师签名： 日期：鲨! 竺乡! 汐 】 ， 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着电力电缆的大量应用，电缆故障随之增多，电缆故障定位仪器大大缩短了 电缆故障的查找时间。本文结合现场实际，首先分析了电缆故障定位技术原理和实 际测试波形的特点，然后利用小波分析检测电缆故障的原理，设计了电缆故障定位系 统，实现了利用多种小波检测故障距离的方法。最后进行了电缆故障实测数据的分析实 验，结果表明设计的系统可实现故障位置的快速确定，提高了故障测距准确度。 关键词：电力电缆，故障定位，系统设计，应用分析 a b s t r a c t w i t ht h ep o w e rc a b l eo fal a r g en u m b e ro fa p p l i c a t i o n s ，c a b l ef a u l ti n c r e a s e ，a n d c a b l ef a u l tl o c a t i o ne q u i p m e n tg r e a t l yr e d u c e st h es e a r c ht i m ef o rc a b l ef a u l t i nt h i s p a p e r , t h ea c t u a ls i t e ，t h ef i r s to fac a b l ef a u l tl o c a t i o nt e c h n o l o g yt h e o r ya n dp r a c t i c a l t e s tw a v e f o r mc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc a b l ef a u l td e t e c t i o nu s i n gw a v e l e ta n a l y s i so ft h e p r i n c i p l e so fc a b l ef a u l tl o c a t i o ns y s t e md e s i g n e dt oa c h i e v eav a r i e t yo fw a v e l e t d e t e c t i o nm e t h o do ft h ef a u l td i s t a n c e f i n a l l y , ac a b l ef a u l t a n a l y s i so fr e a ld a t a e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h es y s t e mc a nq u i c k l yi d e n t i f yt h ef a u l t l o c a t i o n ，a n di tc a ni m p r o v et h ef a u l tl o c a t i o na c c u r a c y g a o j i a n p i n g ( e l c c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y a s s p r o f z h a os h u t a o ， s e n i o re n g i n e e rh a o y o n g - g a n g k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rc a b l e , f a u l tl o c a t i o n ，s y s t e md e s i g n , a p p l i c a t i o na n a l y s i s t 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 选题背景及意义1 1 2 电力电缆故障定位技术发展、应用现状1 1 3 本文的主要工作3 第二章电力电缆的故障与定位技术分析4 2 1 电力电缆的故障4 2 1 1 电力电缆的基本结构4 2 1 2 电力电缆的分类4 2 1 3 电力电缆的故障原因5 2 1 4 电力电缆的故障分类6 2 2 电力电缆故障定位的步骤与原理7 2 2 1 故障分析7 2 2 2 测距8 2 2 2 1 电桥法基本原理8 2 2 2 2 行波法测距原理。9 2 2 3 精确定位1 1 2 2 3 1 声测法1 l 2 2 3 2 声磁同步法1 2 2 2 3 3 音频感应法1 2 2 3 电力电缆行波定位技术分析1 3 2 3 1 低压脉冲反射法波形分析1 3 2 3 2 脉冲电流法波形分析1 4 2 3 3 二次脉冲法波形分析2 0 2 4 电力电缆故障定位仪器的配置2 0 2 5 本章小结2 2 第三章电缆故障定位系统设计2 3 3 1 虚拟仪器简介2 3 3 2 基于l a b v i e w 的电缆故障测距系统2 3 3 2 1 系统硬件组成2 3 3 2 2 系统软件工作流程的设计2 6 3 2 3 系统软件模块的设计2 7 3 2 4 系统软件运行界面的设计2 9 3 3 本章小结3 0 第四章基于小波的实测电缆信号分析3 1 4 1 小波分析原理3 1 华北电力大学工程硕士学位论文目录 4 1 1 小波分析基本概念3 1 4 2 基于小波分析法的奇异点检测3 2 4 2 1 模极大值与l i p s c h i t z 指数口3 2 4 2 2 模极大值线搜索算法3 3 4 3 实测电缆故障信号的分析3 4 4 3 1 小波的选取3 4 4 3 2 实测例子分析3 4 4 4 本章小结3 9 第五章结论4 0 参考文献4 1 致谢4 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 4 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 自电力电缆发明以后，就在世界各国的电力系统中得到了越来越广泛的应用。 随着我国经济的迅速发展，城网、农网的改造，电力电缆因其具有安全、可靠、分 布有利于美化城市与优化厂矿布局等优点，在我国也获得了广泛的应用。在我国一 些经济发达地区，如广州、深圳，城市1 0 k v 配网电缆化率己高达9 5 以上。即便 像在南宁这样的经济欠发达地区，已投入运行了l l o k v 交联聚乙烯电缆2 0 k i n ，l o k v 城市配网电缆化率也达到5 5 的水平【l 】。但是，由于电缆的制造工艺、施工质量、 安装运行环境、管理维护、被外力破坏等原因，电力电缆也会发生故障。随着电力 电缆的大量使用，其故障也随之增多，仅包头供电局近几年来每年检测的故障就有 十几例。准确、快速的检测出故障点对保障电力系统的可靠性和稳定性，以及保证 用户用电质量具有重要的意义。 i 2 电力电缆故障定位技术发展、应用现状 电力电缆故障定位技术可以分为初步定位和精确定位两个部分。初步定位也称 为测距，是测出故障点到电缆任一端的大致距离，有以电桥法为代表的阻抗法和以 低压脉冲法、脉冲电流法、二次脉冲法等为代表的行波法。精确定位则是根据粗测 的结果定位出准确的故障点，主要有声测法、声磁同步法、音频感应法、跨步电压 法等。 电力电缆故障定位技术的发展经历了一个很长时期。1 9 7 0 年以前，通常使用电 桥法及低压脉冲反射法测试电力电缆故障【2 j ： 电桥法：将被测电缆故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相， 调节电桥两臂上的一个可调电阻器，使电桥平衡，利用比例关系和已知的电缆长度就能 得出故障距离。用低压电桥测电缆低阻击穿，用电容电桥测电缆开路断线( 现在多把断 路作为高阻故障处理，电容电桥应用较少，日趋淘汰【3 】) 。电桥法测量结果精确，但需要 完好芯线做回路，电源电压不能加得太高，测量时要求知道电缆全长等资料。 电桥法经过多年的发展，在实际应用方面已经很成熟了，有很多电缆探伤仪是 根据电桥法原理制成的，发展出了智能电桥【4 】，有的仪器可测阻值高达i o o m q 的高 阻故障1 5 j ，远高于一般的通用电桥。测试准确、安全而快速。但是由于电力电缆大 部分是高阻故障和行波法的应用普及等原因，电桥法实际应用较少。 低压脉冲反射法：对于低阻击穿、短路、开路故障，测试时向电力电缆的故障相 华北电力大学工程硕士学位论文 压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点即故障点时，会产生反射回波， 返回测试点由仪器记录下来，根据发射脉冲与反射脉冲的往返时间差和脉冲 中传播的波速度，便可计算出故障点到离测试点的距离。低压脉冲反射法的 优点是简单、直观，不需要详细的电缆原始资料，还可以根据反射脉冲的极性分辨故障类 型。现在有的仪器可以实现自动测距，省去了人为判断的误差。低压脉冲反射法与 脉冲电流法配合可以测量电力电缆绝大多数故障。 电桥法和低压脉冲反射法对低阻和断路方面故障的定位可以说是发展的相当 完善了，而对于高阻故障的测寻是无能为力的，必须将高阻故障变为低阻后测量， 通常采用“烧穿法，费时费力。 在2 0 世纪7 0 年代发展起来一种针对高阻泄漏与闪络性故障的测试方法冲 击高压闪络法，又称脉冲电压法1 6 1 。其方法是首先将电缆故障点在直流或脉冲高压 信号下击穿，然后通过记录放电电压脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来 测距。这种方法不必将高阻或闪络性故障烧穿，测试速度快，但是仪器安全性差。 为了改进脉冲电压法的缺点，人们普遍采用了脉冲电流法。脉冲电流法是通过 采用线性电流耦合器采集电缆故障击穿时产生的电流脉冲信号来实现记录放电电 流脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间。脉冲电流法又分为直闪法与冲闪法 两种，比脉冲电压法简化了接线，耦合出的脉冲电流波形也比较容易分辨。 1 9 9 0 年，国外发明二次脉冲法，即结合高压发生器冲击闪络技术，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，并记录在仪器中，电弧熄火后，复发一低压脉冲通过故 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) 位置是目前最先进的基础测试方法【2 】。 在行波测距法中，由于故障行波信号有一定的上升时间以及干扰的影响，人为 地标定故障信号的起始时刻与实际的行波信号到达测试端的时间可能有偏差，需要 采取数字信号处理方法，准确地检测出行波信号到达时间。近年，小波分析应用于 电力系统暂态信号分析与处理的优势已经展现出来。小波变换在时域、频域同时具 有良好的局部化特性，对信号的奇异点非常敏感，适用于时变的非平稳信号的检测 与分析【7 引。有利用小波奇异点检测确定线路故障发生时刻及其两次行波波头到达检 测点的时间间隔，从而推算出故障位置，达到故障定位的目的0 1 。在有的文章中， 提出了一种基于小波重构的电力电缆故障测距方法，该方法利用脉冲电源作用下故 障相与健全相的电流差作为测量信号，再利用小波变换对其做多尺度分解，对高频 分解信号进行单支重构，得到脉冲的精确到达时刻】。有的文章分析了利用小波变 换模极大值的方法，实现了在强噪声中提取信号，再现信号突变的功能。有的人提 出对故障相和无故障相进行比较并同时进行小波分解，从而找到两波形相分离的时 2 华北电力大学工程硕士学位论文 刻的方法。总之，小波变换在电力系统中的应用将为电力电缆故障定位技术带来重 大发展。 通过测距得到故障点的大概位置后，还要用声测法、声磁同步法、或音频法等 精确定位的方法找到准确的故障点。 声测法通过监听故障点在高压冲击时的击穿放电声音进行精确的定位，声音最 响点即为故障点。 声磁同步法是利用向电缆施加冲击直流高压使电缆故障点放电时，会在电缆周 围产生脉冲磁场的特点，在定点时接收到脉冲磁场信号后的声音即可认为是电缆故 障点发出的放电声音，从而提高了声测法的抗干扰能力。 7 音频感应法一般用于探测故障电阻小于l o f t 的低阻故障。用一定频率的音频信 号发生器向待测电缆注入音频电流，使电缆发出电磁波，在地面上接收电磁场信号 并放大，送入耳机或指示仪表，根据声响强弱或指示仪表值的大小来确定故障点的 位置。 跨步电压法，对直埋电缆的护层破损的开放性故障，在加高压脉冲时，会在故 障点形成喇叭形的电位分布，根据接在大地表面的电压表的指针摆动方向的不同来 查找故障点。 在精确定位的各种测试方法在实际定点中都有应用，也有很多厂家生产出专业 的设备。由于高阻故障是电力电缆的多发故障，声测法、声磁同步法应用最多，而 声磁同步法因其巨大优势已逐渐取代了声测法。 “ 1 3 本文的主要工作 研究电力电缆故障定位技术具有重要意义，从电缆故障定位实际应用角度出 发，结合当前电力电缆故障定位仪器的应用现状，本文主要在以下几个方面展开研 究工作： 1 ) 在通过查阅文献，分析电力电缆的故障类型以及故障成因，分析电力电缆 故障定位的各种技术的原理以及现有仪器的应用。 2 ) 分析行波在电缆中的传播规律，结合实际波形对电力电缆故障行波测距的 波形进行了对比分析、总结。 3 ) 选择合适的小波函数对电缆故障测试数据进行分析，并设计电缆故障定位 分析系统。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电力电缆的故障分析与定位技术分析 2 1 电力电缆的故障 2 1 1 电力电缆的基本结构 电力电缆主要由芯线( 导体) 、绝缘层和护层三部分组成【1 2 】，如图2 1 所示。 图2 - 1 高压电缆结构示意图 芯线是传导电流的通路。常用的电缆芯线材料是铜或铝。它们具有导电率大、 机械强度高。易于加工的特点。 绝缘层可以隔绝导体上高电场对外界的作用，常见的绝缘材料有：油浸纸、聚 乙烯( p e ) 、聚氯乙烯( p v c ) 、交联聚乙烯( x l p e ) 、乙丙橡胶等( e p r ) 。 护层又称为护套，保护电缆线芯和绝缘层，使芯线、绝缘层免受外界损伤、受 潮、渗透、腐蚀等作用，使电缆绝缘的电气性能长期保持稳定。一般由金属护套与 绝缘护层两部分组成。 2 1 2 电力电缆的分类 电力电缆按绝缘材料性质、结构特征和敷设环境，可分为不同的种类【1 4 】 1 ) 按绝缘材料性质分 ( 1 ) 油纸绝缘：黏性浸渍纸绝缘性；不滴流浸渍纸绝缘型；油压、油浸渍纸 绝缘型。 ( 2 ) 塑料绝缘：聚氯乙烯绝缘型：聚乙烯绝缘型；交联聚氯乙烯绝缘型。 ( 3 ) 天然橡胶：天然橡胶绝缘型；乙丙橡胶绝缘型。 2 ) 按结构特征分 ( 1 ) 统包型。在各电缆线芯外包有统包绝缘，并置于统一护套内。 ( 2 ) 分相型。分相屏蔽，一般用在1 0 3 5 k v 电缆中，有油纸绝缘盒塑料绝缘 4 华北电力大学工程硕士学位论文 两种。 ( 3 ) 扁平型。三芯电缆的外形成扁平状，一般用于较长的水下和海底电缆。 ( 4 ) 自容型。护套内部有压力的电缆，如自容式充油电缆。 3 ) 按敷设环境分 ( 1 ) 直埋式。将电缆埋在地中或沟内，并加沙土覆盖。 ( 2 ) 沟架式。将电缆敷设在沟内或隧道内的支架上。 ( 3 ) 水下敷设。将电缆敷设在湖泊、海洋或河流内。 目前交联聚乙烯电缆已被广泛使用，与油纸电缆相比，其具有结构简单，制造 周期短，工作温度高，无油，敷设落差不限，运行可靠，质量轻，安装、维护简单 和输电损耗小等优点。由于其耐热性和机械性能好，传输容量大，所以不仅适用于 中低压系统，还可以应用到高压和超高压系统中。 2 1 3 电力电缆的故障原因 致使电缆发生故障的原因是多方面的，了解电缆故障产生的原因，以及电缆路 点径上的环境，对减少电缆的损坏，快速判断故障点是十分重要的，常见的原因有陋- 7 l ： 1 ) 外力破坏。突出表现在：机械开挖、人工打桩施工末经确认核对，随意作业， 孵；损坏电缆，造成接地短路故障，这类事故较为普遍，占电缆故障的4 0 ；车辆碾压， 冲击性负荷，地面沉降，造成电缆错位、扯拉度形，导致故障发生，这类问题在直 埋电缆上比较突出。 2 ) 电缆施工质量问题。电缆在安装施工过程中，没有严格按照有关电缆的安装 要求施工，碰伤电缆，机械牵引力过大而拉伤电缆，或电缆过度弯曲；安装、固定 不牢固，造成电缆错位、扯拉、摩擦、变形，导致绝缘故障发生，这类事故在移动 设备上经常发生。 3 ) 电缆中间头制作不良在环境潮气、湿度偏大的情况下，没有采取必要的防 范措施进行制作电缆头；中间接头密封不良，投入运行后使绝缘内部受到潮气水份 的侵蚀，引起中间接头绝缘受潮劣化；电缆中间接头导体连接管压接不良，打磨不 平整，特别是在压接管口边缘处，局部有尖角毛刺；中间接头设置不合理等原因都 会造成电缆的接头故障。电缆接头是电缆故障的多发点。 4 ) 电缆的管理问题。一些单位的电缆长期过负荷运行而不采取措施，电缆路径 与热力管道交叉而不采取防过热的措施，长期工作在有腐蚀性的环境中等，这些都 容易造成电缆的过热损坏、腐蚀和绝缘老化，形成各种故障。 5 ) 因自然现象造成的损伤。如接头或终端头内绝缘胶膨胀而胀裂外壳或电缆 护套，因电缆自然胀缩使装在管1 3 或支架上的电缆外皮擦伤，拉断中间接头或导体。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 量问题。在我国，常用的中低压电缆其生产技术是非常成熟的， 因此电缆的产品质量问题不存在设计及工艺问题主要是生产管理和市场管理问 题由于市场竞争激烈，出现一些生产的成品电缆竟没有半导电层，导体芯线易扭 断等难以想象的质量问题，如果使用的电缆产品质量不符合标准，存在有严重的偏 心、气隙、杂质或损伤等缺陷，那么这些先天性存在缺陷或不足的电缆，一旦敷设 使用后将造成致命的事故。这类问题在8 0 年代中期国内制造的电缆产品上比较突 出。 电缆故障的原因有很多，有些损伤很轻微，当时并没有造成故障，在几个月甚 至几年后损伤部位才发展成故障。 2 1 4 电力电缆的故障分类 电力电缆的故障分类如电力电缆的分类一样，站在不同角度有不同分法，如可 分为开放性故障和封闭性故障，接地故障和非接地故障，单相和多相故障等。从最 利于电缆故障检测方面考虑，应按电缆绝缘电阻大小分类，可分为开路故障、低阻 ( 短路) 故障、高阻故障【1 3 】。 1 ) 开路故障电缆导体或护层发生断裂或似断非断的情况。这时电缆绝缘电阻 无穷大或绝缘电阻正常而电压却不能送至对端。 2 ) 低阻( 短路) 故障电缆相间或相对地绝缘受损，其绝缘电阻小到能用低压 脉冲法测量的一类故障。发生低阻故障时，故障电阻一般小于i o z o ( z o 为电缆的特 性阻抗一般不超过4 0q ) 。短路故障是低阻故障的特例。 3 ) 高阻故障相对于低阻故障而言电缆相间或者相对地绝缘受损，但是绝缘 电阻较大不能用低压脉冲法测量的一类故障。故障电阻一般大于i o z o 。它又包括 泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障两类。 ( 1 ) 泄漏性故障：泄漏电流随试验电压的增加而增加，在试验电压升高到额 定值或远没达到额定值时，泄漏电流超过允许值称为泄漏性故障 ( 2 ) 闪络性故障：试验电压升至某值时，监视泄露电流的电流表的指值突然 升高，表针且呈闪络性摆动，电压稍下降时，此现象消失，但电缆绝缘仍然有较高 的阻值，这表明电缆存在故障，而这种故障点没有形成电阻通通，只有放电间隙或 闪落性表面的故障，称为闪络性故障i i 引。 一般高阻故障点的性质可用图2 2 等效电路表示：高阻故障的表现形式尽管多 种多样，但本质均表现为图2 2 中的高阻泄漏电阻r 上，其阻值直接决定了高阻 故障的性质；当r 近似无穷大时故障点j 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被击穿，从而形成闪落 性故障；当r 小于一定值时，作耐压实验由于r 的存在而产生较大的压降，使j 6 华北电力大学工程硕士学位论文 两端的电压无法升高，j 可能就不会被击穿，欲升高电压泄漏电流势必增加因 而完全可能因泄漏电流大大超过允许值而使保护动作。j 就不会出现闪络现象当r 等于零或小于被测电缆的特性阻抗时，故障性质就变成低阻故障了。 高阻泄漏电阻 络放电间隙 图2 2 高压电缆结构示意图 以上对低阻和高阻的区分的界限i o z o 是按行波反射理论定义的，并不是一个固 定值，主要以低压脉冲法能否识别出低阻反射波为判断依据，对电桥法并不适用。 对电桥法来说这个界限也不是固定值，一般在l o o kq 左右，和电桥法的测试精度有 关，高压电桥要高一些，有的电桥甚至能测到l o o m q 。 2 2 电力电缆故障定位的步骤与原理 ”电力电缆发生故障，造成供电中断后，电缆测试人员应做好准备工作，按照一 定的步骤，选择合适的测试方法和仪器，来寻找故障点。电力电缆故障的查找一般 分三个步骤进行：故障分析，测距，精确定位。 2 2 1 故障分析 故障分析是指对故障电缆基本情况进行了解与分析的过程。包括对电缆的型 号、长度、敷设方式、走向、有无接头及接头位置、有无预留、预留地点及长度， 故障前的运行情况，有无检修历史，路径上有无施工等的了解；对故障电缆进行绝 缘测试，判断故障类型等。 电缆故障发生后，最好能找到参加敷设人员提供帮助，找到电缆敷设时的详细 资料，这对故障定位很有帮助。如果电缆的长度、路径等不清楚时，则应在定位时 探查清楚。故障时保护装置动作情况也可为故障类型的判断提供依据。 在测量绝缘时，应用兆欧表将各相导体对地、对金属屏蔽层，各相导体之间的 绝缘都测量清楚，并做好记录。如用兆欧表测量时显示过小，无法读取时，可改用 万用表测量。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 经过故障分析应能判断出电缆是一相、两相、还是三相故障，有无接地，是高 阻故障还是低阻( 短路) 或开路故障。对故障类型的判断也可采用低压脉冲法，判 断有无开路或短路现象。 2 2 2 测距 经过故障分析后，就要针对各种故障采用一定的方法进行测距。测距的目的是 测量出从故障点到测量端的距离。电力电缆的测距技术可以归纳为两类，即以电桥 法为代表的阻抗法和以低压脉冲法、脉冲电流法、二次脉冲法等为代表的行波法。 在测距中，应首选行波法，对于电缆的开路、短路、低阻故障采用低压脉冲法， 对于高阻故障应采用脉冲电流法或二次脉冲法。在采用行波法测距时，会遇到没有 反射脉冲或反射脉冲波形比较乱的情况，在确定不是操作调整的问题后，可以选用 电桥法进行测试。对于单芯高压电缆护层故障，因为大地的衰减系数很大，使用脉 冲电流法能测量的范围很小，一般也选用电桥法测距。 测距是全部定位过程中最重要的一环，准确的初步定位可以为精确定位节省时 间，对一些比较短的电缆，也可以不测距直接去精确定位，但对于长电缆，如果毫 无目的地去定位，将会大大延长故障定位的时间，如果再找不到故障点，对测试人 员也是一种打击。所以在实际测试中应保证初测的准确性，可以采用不同方法进行 验证。由于采用行波法测距中低阻与高阻的分界并不是很确切，对采用低压脉冲法 测试的一部分开路、短路、低阻故障，必要时也可用脉冲电流法或电桥法验证一下。 2 2 2 1 电桥法基本原理 在电桥法测距中，认为电缆是集中参数元件，在同一瞬间，电缆上各点的电流 大小相等、相位相同，同种规格的电缆芯线电阻( 电容) 与长度成正比。一般接线 方式如图2 3 。 ( a ) 测试线路 图2 - 3 电桥法原理图 ( b ) 等效电路 华北电力大学工程硕士学位论文 图( b ) 为图( a ) 的等效电路图，当电桥平衡时，检流计g 中无电流通过，且满足 等式： r 1r 3 瓦= 瓦 ( 2 1 ) 设电缆单位长度电阻为r q m ，l 为电缆长度，x 为故障点到测量点的距离，根 据电桥平衡公式( 2 1 ) 得： 由式( 2 2 ) 可得： 凫尼 凫忍 ( 2 - 2 ) x 兰警照( 2 - 3 ) r 一一 “ 1 + r 2 电桥法的优点是简单、方便、精确度高，误差在o 3 0 5 【6 】，但是不能测高 阻故障。经过多年的发展，电桥法已有很多改进，克服了许多缺点。现在发展出了 智能全自动高压电桥，实现自动测量，可以测到很高的电阻值。 2 2 2 2 行波法测距原理 行波法测距的理论基础是把电缆当作“均匀长线 ，来讨论电波在电缆中传播 的微观过程。在行波测距中，电缆是由沿电缆长度分布的许许多多电阻、电导、电 容和电感元件( 等效元件) 组成，这些元件的参数称为电缆传输线路的“分布参数。 沿电缆分布的电阻、电感、电容和电导，在任一点都相等，每一段电缆传输线路( 等 效长线) 的等效电路，如下图2 - 4 所示。 图2 - 4 均匀长线电路模型 图2 - 4 中r o 、l o 、g o 、c o 分别为每小段( 无限小) 电缆传输线路的电阻、电感、 电导和电容。 长线理论中的波速度，特性阻抗，波的反射与透射是对电力电缆的故障性质分 析及故障波形分析有十分重要的意义。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 1 ) 波速度v ：因为l o 和c o 都是惰性元件，所以从a 端施加电压后b 端并 不能立即得到电压。因为l o 不能立即产生电流，电容c o 上的电压也不能立即建立， 而要经过一定时间使h 中的电流和c o 上的电压建立起来，最后使端点b 得到电 压。所以，电波从a 点传到b 点要经历一定的时间，也就是说电波在电缆中传播 有一定的速度【2 0 1 。无耗长线中传播速度为： 1c y = 霄= 一 ( 2 4 ) 肛 一“ 其中c 为光速，c = 3 1 0 8 m s ；肛为电缆芯线周围介质的相对导磁系数；e 为 电缆芯线周围介质的相对介电系数。 可见，电缆中电波的传播速度v 与电缆的介电性能有关。而与导体芯线的材料 与截面积无关。对于由不同导体材料制成的电缆，只要绝缘介质是相同的，其波速 度是不变的。所以，同一电波在不同绝缘材料的电缆中传播，速度不同。经测量可 知，对于油浸纸绝缘电缆，v 1 6 0m i - t s 。：对于塑料电缆， v 1 7 0 2 0 0m i t s ， 对于橡胶电缆v 2 2 0m o s ，对于交联电缆v 1 7 0m g s ( 1 2 】。 2 ) 特性阻抗z o ：电缆的特性阻抗定义为行波电压与行波电流之比，由长线方 程的求解得知特性阻抗与频率有关，在微波且无耗的情况下， z 0 = ，厚 vc o ( 2 - 5 ) 特性阻抗z o 与频率无关为一实数，l o 和c o 除与电缆所用介质材料驹介电系数 和导磁系数有关外，还与电缆芯线的截面和芯线与外皮之间的距离有关。与电缆的 长度无关。所以，不同规格和种类的电缆，其特性阻抗也不同，而且电缆芯线的截 面越大，特性阻抗越小。例如，油浸纸绝缘电缆的特性阻抗在1 0 4 0 f t 之间p 】。 3 ) 电缆中电波的反射与透射：两个波阻抗不同的电缆相连接时，连接点会出 现阻抗不匹配的情况当电缆中出现断线或低阻故障时，故障点等效阻抗与电缆特 性阻抗不匹配。行波运动到阻抗不匹配点时，会产生全部或部分的反射，在低阻故 障时还会有行波的透射现象，即有一部分行波越过故障点继续向前运动。电缆中任 何一点的阻抗不均匀也会引起不同的反射。反射的强弱随阻抗大小的不同而不同， 反射的强弱可用反射系数来表示。 开路的电压反射系数为+ l ，开路造成了电压的全反射，电压反射波与入射波同 极性。实际的开路点电压是入射电压与反射电压之和，因此出现了电压加倍现象。 开路点的电流反射系数为一l ，反射电流与入射电流大小相等，方向相反，实际的 开路点电流是二者之和，因此为零【5 1 。 短路的电压反射系数为一l ，短路点反射电压与入射电压大小相等，方向相反， l o 华北电力大学工程硕士学位论文 其合成电压为零。短路点电流反射系数为+ l ，反射电流与入射电流相等，短路点 出现电流加倍现象【5 1 。 行波法测距的基本方法是通过测量低压注入脉冲或故障点放电脉冲在故障点 与测量端之间的运动时间来测量电缆故障距离。如已知脉冲在电缆中的传播速度为 v ，入射脉冲与反射脉冲的时间差为t ，根据公式l = v a t 2 可测算出该阻抗不匹 配点到测试端的距离。根据是否离线分为离线测距和在线测距。离线测距可分为低 压脉冲反射法、脉冲电压法、脉冲电流法和二次脉冲法等。 2 2 3 精确定位 在测距后，就要根据初测的结果到电缆路径上精确定位。精确定位技术主要包 括声测法，声磁同步法和音频感应法。对能产生冲击放电声的高阻故障和一部分低 阻故障，可以用声测法或声磁同步法，最好选用声磁同步法，对确实没有放电声的 金属性接地、短路等用音频感应法或跨步电压法。 2 2 3 1 声测法 在故障电缆加上一个高压脉冲使其发生击穿放电的同时，还会产生相当大的放 电声。对于沟架式敷设的电缆，打开盖板或进入缆沟后用人耳可直接听到。对于直 埋电缆，有些开放性故障也可用人耳直接听到；封闭性或埋设较深的电缆，故障点 放电时产生的机械振动传到地面，通过振动传感器和声电转换器，将微弱的振动变 成“啪啪 的放电声。通过听放电声可以准确地找出故障点，声测法是电缆故 障最基本的精确定位技术嵋。如图2 5 所示。 图2 5 声测法接线原理图 声测法便于掌握，可信性较高，但是受外界环境噪声的影响较大，有时为了排 除外界噪声干扰，需要在夜深人静试才能测试。当遇到电缆本体内闪络或故障点附 近有空腔共振( 如电缆沟) 的情况时，声音会在很大范围内都能听见，且大小相同，就很 难做到精确定位【2 2 1 。一些仪器可以记录故障点放电产生的声音波形信号，使测试人 员从信号的强度、频率、衰减、持续时间等多方面分析判断，排除从外部噪声的影 响，正确地识别出故障点放电产生的声音信号。 誊 咿 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 3 2 声磁同步法 在向故障电缆加上一个高压脉冲使其击穿放电时，会产生一个放电声音信号，并 且同时放电电流会在电缆周围产生脉冲磁场。声磁同步法基本原理是通过仪器检测 出这个脉冲磁场信号，如果听到的声音信号与磁场信号同步，即可认为该声音是由 故障点放电产生的，否则可认为是干扰信号。磁场信号比声音信号传播的快，两者 传到地面同一点的时间差就不同，通过探头找到时间差最小的地方，探头所在位置 的正下方就是故障点的位置。声磁同步法提高了定点时抗环境干扰的能力，是目前 最理想的精确定位方法。 图2 6 在不同点的放电声晋信号 图2 - 6 中给出了仪器探头在故障点附近两点检测到的故障点放电声音信号，仪 器是被脉冲磁场信号触发后开始记录声音信号的。从图中可以看出a t 2 a t l ，所以 第二个点更靠近故障点【1 2 】。 2 2 3 3 音频感应法 音频感应法是通过接收向电缆中注入音频电流发出的电磁波实现定位的。当探 头在故障点前沿着电缆的路径移动时，会听到有规律的、强度相等的音频声音，当 探头位于故障点上方时，声音会突然增强，再从故障点继续向前移动时，声音又会 明显变弱，声音信号明显增强处就是故障点。 音频感应法一般用于探测故障电阻小于1 0 q 的低阻故障。在电缆接地电阻较低 时，故障点放电声音微弱，用声侧法进行定点比较困难，特别是金属性接地故障的 故障点根本无放电声音而无法定点，所以要采用音频感应法。用音频感应法对两相 短路并接地故障，以及三相短路或三相短路并接地故障进行测试，都能获得满意的 效果。一般测寻所得的故障点位置之绝对误差为l 2 米。 不同厂家采用的频率有所不同，在探测仪器也有一些差别。有时故障点前后的 声音变化不大，若用一般的电感线圈接收信号，则在电缆全长上任一点听测到的信 号声响基本上没有变化，从而无法测出故障点这时应采用特殊的差动探头，差动 探头有两个线圈，两个线圈的信号相减后送入仪器，据此可能测出故障点，原理如 图2 7 1 2 3 1 。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 纛惫燃 睢kik删 fj s 趟b：衄矿一 二l二 一丁3 歌 ：一 i 一电缆缝芯 确皮 卜故酶点 州疑信号发生嚣 罐动探头 图2 - 7 音频法测量单相接地故障原理图 2 3 电力电缆行波定位技术分析 2 3 i 低压脉冲反射法波形分析 通过仪器向电缆中输入低压脉冲信号，当遇到波阻抗不匹配的故障点时该脉冲 信号就会产生反射，测量反射脉冲和发射脉冲的时间差，再根据电缆的波速度就可 计算出故障距离。低压脉冲反射法主要用于测量电缆的开路、短路和低阻故障，不 能用于测量高阻故障。 a 电缆 图2 - 8 低压脉冲反射法校测三相全长，检测低阻、开路故障接线原理图 开路点故障电缆 八 矛路波形 发射脉冲反射脉冲 ( a ) 开路故障理论波形 燃诅直 摊蛾 嘣村兰绷 ( b ) 短路或低阻故障的理论波形 图2 - 9 低压脉冲反射法测试的理论波形 一 一 一 华北电力大学工程硕士学位论文 ( a ) 开路故障实测波形( b ) 低阻故障的实测波形 图2 - 1 0 低压脉冲反射法测试的实测波形 低压脉冲反射法的波形比较容易识别，有3 个特点：开路为同极性反射；低阻 为反极性反射；多次反射必然是等间隔的，如图2 - 9 。仪器向电缆中输入低压脉冲 信号后，遇到开路故障时，测量端与故障点的反射系数均为+ l ，所以反射波与入射 波同极性；当遇到短路故障点时，测量端的反射系数均为+ 1 而故障点的反射系数为 1 ，所以反射波与入射波反极性，每次反射后，极性反转一次；电缆中间有低电阻 故障时的电压反射系数为：p = 1 ( 1 + 2 k ) ，其中k = r z 0 ，r 为低阻故障点的电阻值， 也为一反极性反射，反射幅值要变小。低压脉冲反射法测距中，故障点的电阻值对 波形幅值影响较大，如果故障电阻大于电缆特性阻抗的l o 倍时，脉冲反射系数幅 值小5 ，故障点反射脉冲比较难以识别，低压脉冲法的探测效果不好【2 0 1 。 图2 1 0 为低压脉冲反射法测试的实测波形，其反射规律与理论分析是相同的， 但波形的幅值会随着反射次数的增多而衰减，最后消失。图2 - 1 0 中的波形相对简 单，反射波的幅值较大，易于辨认。实际测量中故障点距测量端的远近，故障电阻 值的大小、中间接头等都会对波形产生影响，波形要复杂一些。 在实际测量中，经常使用低压脉冲比较法来寻找故障点，利用故障芯线和良好 芯线的波形进行对比，可以较好的排除接头等的干扰，确定故障点及故障点的起始 位置。通过低压脉冲法测量良好芯线，可以用来校正波速度或者校验电缆全长。一 般情况下，不论低阻还是高阻故障，都要用低压脉冲反射法来校正波速度或者校验 电缆全长，这对提高测量准确度是非常必要的。 2 3 2 脉冲电流法波形分析 测试时，通过仪器在电缆一端的故障相导体与金属护层之间或两个故障相导体 之间，施加直流高电压或脉冲高电压使故障点击穿放电，利用故障点瞬间放电产 生的电流行波信号在故障点与测试端来回反射的时间来计算故障距离。包括直流高 压闪络测量法( 直闪法) 和冲击高压闪络测量法( 冲闪法) 。 1 ) 直闪法 直闪法是将高压直接加到故障电缆上，不断升高电压直至故障点击穿放电。接 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 线原理如图2 1 l 。其中t i 为调压器，t 2 为高压试验变压器，c 为储能电容器，l 为 线性电流耦合器，其输出经屏蔽电缆接测距仪器的输入端子。 直闪法用于闪络击穿性故障，在预防性试验中多出现这类故障。直闪法的波形 简单，放电脉冲电流行波信号在测试端与故障点的反射系数均为+ 1 ，为多次同极性 反射，第一个脉冲为故障点放电脉冲波形，以后为多次反射脉冲波形如图2 1 2 【2 4 1 。 t l t 2 图2 1 1 直闪法接线原理图 故障点放电脉冲故障点反射脉冲 图2 - 1 2 直闪法波形图 2 ) 冲闪法 冲闪法是通过一个球形间隙将高压加到故障电缆上，接线原理如图2 1 31 2 4 1 ，与 直闪法相似，多了一个球形间隙g 。冲闪法可以测量低阻、高阻和大部分闪络性故 障，实际应用比较多，可以测试实际绝大部分故障。直闪法的电源电压是一直加在 故障点上，不断升高电压直至故障点击穿放电；而冲闪法是先升高电压，通过球形 自j 隙击穿，将直流电源电压突然加到电缆上去，使故障点击穿放电。 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 乃 拓 图2 - 1 3 冲闪法接线原理图 ( 1 ) 故障点未击穿波形 当高压设备通过球间隙加到电缆上的脉冲电压不够高时，故障点不会发生击 穿，这时的波形如图2 1 4 。球隙放电产生的电流行波在故障点不会产生反射，到达 对端后的反射系数为1 ，在测量端的反射系数为+ 1 ，所以为一极性交替反转的波形。 并且间隔相同，为电缆全长。 j z j z 图2 - 1 4 未击穿时的电流理论波形 ( 2 ) 故障点直接击穿波形 当高压设备通过球间隙加到电缆上的脉冲电压大于故障点临界击穿电压时，故 障点电离，击穿放电，称为直接击穿。直接击穿的脉冲电流波形原理如图2 1 5 【5 】。 图2 1 5 ( a ) 为电流行波网格图，对故障电缆施加高压e 将球间隙击穿后，高电压波e 沿电缆向前运动，相应的电流波为i o = 一e o z 0 沿电缆向前运动，经时间百后，高电 压波到达故障点，故障点开始电离，在经放电延时t d 后，直接击穿放电。电压从e 突跳到0 ，产生电流波i o 向测量点流动。在测量点和故障点电流波的反射系数均为 + l ，所以反射脉冲与放电脉冲是同极性的。测量点的电流是所有电流波的和，相应 的电流波形如图2 1 5 ( b ) ，线性耦合器的输出如图2 1 5 ( c ) 所示。图2 1 5 ( c ) 中第一 个脉冲是球间隙击穿时电容对电缆放电引起的，第二个脉冲是故障点放电电流脉冲 到达测量点产生的，与第一个脉冲之间的时间差为2 t + t d ，以后的脉冲则是电流行 波在故障点与测量点之间来回反射造成的。波形上第二个负脉冲与第三个负脉冲之 1 6 ( b ) 测量点电流波形 ( c ) 线性电流耦合器波形 图2 一1 5 故障点直接击穿时原理波形 1 7 f 华北电力大学工程硕士学位论文 实测直接击穿的电流波形如图2 1 6 【1 如。故障点直接击穿时，会产生一间隔相等， 幅值渐渐减小的波形，这就是脉冲电流法的典型波形。在波形图中，1 、2 两点间的 距离对应的时间为2 * + t d ，2 、3 两点间的距离对应的时间为2 t ，故障距离应为2 、3 两点间的距离。实测1 、2 两点间的距离要大于2 、3 两点间的距离，与理论分析相 符。4 点的突起是由于高压设备与导引线的杂散电感引起的，定位时应特别注意。 1 ， ，- 一1 ，。 厂 扩一 i 、 图2 一1 6 故障点直接击穿时典型电流波形 ( 3 ) 远端反射电压击穿波形 在球间隙击穿施加到电缆上的电压小于故障点临界击穿电压时，电压波穿过故 障点运动到电缆的开路远端，由于电压反射系数为+ l ，产生极性相同的电压波向测 量端回送，反射电压波所到之处，出现电压幅值加倍，如超过故障点临界击穿电压， 在远端反射电压波穿过故障点后，故障点电离，一定的时间延时后，击穿放电，这 种情况称为远端反射电压击穿，如图2 1 7 【1 2 】。此时，电缆故障点上获得的实际电压， 比由高压设备产生的电压大一倍。此时只要适当提高球隙电压，就可发生直接击穿。 当故障点离对端较近或放电延时相对较长时，也会出现这种情况。 放电脉冲波形放电脉冲次反射波形 图2 一1 7 对端反射后击穿波形 ( 4 ) 长放电延时波形 在直接击穿时，由于放电延时t d 的影响，高压电波在穿过故障点后，故障点才 开始放电，t d 与施加到故障点的电压、故障点的破坏程度、绝缘材料等有关，不是 一个定值，有时甚至很长。有的故障电缆铠装及铅包破裂，而未及时处理，时间一 久，潮气往往从破裂处渗透进去，形成大面积受潮。这时，故障点放电延时时间往 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 往很长，达数百微秒，甚至数毫秒，而一般故障点击穿延时仅几个微秒。高压电波 经多次反