（电力系统及其自动化专业论文）电力电缆故障测距仪的研究与应用.pdf

d e s i g na n da p p l i c a t i o no f t h ei n s t r u m e n t o fp o w e r c a b l ef a u l tl o c a t i o n a b s t r a c t p o w e rc a b l ef a u l to c c l l r sr e g u l a r l yi n p o w e rs y s t e m f a u l tl o c a t i o ni st h e p r e c o n d i t i o n 幻e l i m i n a t et h ef a u l t a c c u r a t ef a u l tl o c a t i o nc a l lr e d u c et h et i m et of m d o u tt h ef a u l tp o i n tm a dt h ec o s tp o w e rc a b l ec u t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c es p r e a dp r o c e s so ft h ee l e c t r i cv o l t a g e ，e l e c t r i cc u r r e n t w a v ei nt h ee l e c t r i cc a b l ec i r c u i t ，t h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r i cc a b l eb e l o n gt oak i n do f d e l i v e r i n gl i n e ，w h i c hc a nl o o ka st h ec o u p l i n gc o n s t i t u t i o no fm u c hm o r ee l e c t r i c r e s i s t a n c e s ，e l e c t r i cc o n d u c t i v i t y , e l e c t r i cc a p a c i t ya n di n d u c t a n c e ，t h e s ea l lt h e e l e c t r i cp a r a m e t e r sa r ec a l l e dt h ee l e c t r i cc a b l ed i s t r i b u t i n gp a r a m e t e r a c c o r d i n gt o t h ep o w e rc a b l ed i s t r i b u t i n gp a r a m e t e ra n dw a v ee q u a t i o no fs q u a r ew a v et r a n s m i t t i n g i nt h ep o w e rc a b l e ，i tc a nd e d u c ee l e c t r i cv o l t a g ee c h oc o e f f i c i e n to fs q u a r ew a v eo n t h ep o w e rc a b l ef a u l tp o i n t ，t h ee c h oc o e f f i c i e n to f s h o r tc i r c u i ti s - 1 ，o p e nc i r c u i t si s + 1 - a n dt h ev o l t a g ee c h ot o e 街c i e n to fl o we l e c t r i cr e s i s t a n c e sf a u l ti st ol i e s i nt h e b o t ho ft h et w of a u l t s t h ee l e c t r i cv o l t a g ee c h oc o e f f i c i e n tp r o v i d e sd e p e n d a b l e t h e o r i e st ot h ep o w e rc a b l ef a u l tl o c a t i o n t h e n , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em a n yk i n d so fm e t h o d so fp o w e rc a b l ef a u l t | o c a t i o n ，t h e t r a d i t i o n a lm e a s u r ei sa d o p t i n gt h ee l e c t r i c i t yb r i d g et ol o c k ef a u l t b u ta l o n gw i t ht h et e c h n i c a l d e v e l o p m e n ti ne l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n de s t a b l i s h m e n t i nt h e p o w e rc a b l ed i s t r i b u t i n g p a r a m e t e rt h e o r yf o u n d a t i o n ，i ta p p e a r st h el o wv o l t a g ep u l s em e t h o da n dp u l s ee l e c t r i cc u r r e n t m e t h o d a n dt h ep u l s ee l e c t r i cc u r r e n tm e t h o di sd i v i d ei n t ot h et w ok i n d so fd i r e c tc u r r e n th i g h v o l t a g ef l a s h o v e rm e t h o da n ds t r i k i n gh i g hv o l t a g ef l a s h o v e rm e t h o d a n di n t r o d u c es i m p l yt h e e v e r yk i n do f m e t h o da d v a n t a g e ，w e a k n e s sa n dt h e i rc o n n e c t i n gl i n em e t h o d s t h en e x t ，t h ep a p e ri n t r o d u c et h eh a r d w a r ed e s i g np r o j e c to ft h ei n s t r u m e n to f p o w e rc a b l ef a u l tl o c m i o n a sak i n do fi n t e l l i g e n tp r e c i s el o c k i n gi n s t r u m e n t ，i tm u s t a t t a i nt h ev e r yh i g hr e q u e s ti nm e a s u r i n ga c c u r a c y ，s o ，a d o p t i n gt h et w op a r a l l e l i n g s l i c e so f e x c e e d i n g s p e e da f dc o n v e r t e rt oi n c r e a s et h et r a n s i t i n gs p e e db yt w ot i m e s f o rt h ee x c e e d i n g s p e e dd a t ag a t h e r i n g 行e q u e n c nt h ec o m l o nd a t at r a n s m i s s i o n s y s t e mi s t oc a r l tu pt ot h er e q u e s t ，h e r ei n t r o d u c e sak i n do fo n - b o a r dr a m t r a n s m i s s i o nm e t h o d s e t t i n ga q u i c ke n t e rs l o wo u t ”r a m ，i tf i r s tw r i t et h ea d c r e s u l tt ot h eh i 曲s p e e db u f f e ra n dt h e ns e n dt ot h eh o s tc o m p u t e rm a i nm e m o r y f i n a l l nu s i n go ff o u n d a t i o nt h e o r i e so ft h ee l e c t r i cp u l s et r a n s m i t t i n ga n de c h o i n gi nt h e p o w e rc a b l e ，i tc a l le s t a b l i s hi n t e g r i t ym o d e lo fp o w e rc a b l ef a u hl o c a t i o n ，a n da d o p tt h e m a t l a bs o f t w a r et oi m i t a t et h es y s t e mm o d e la n dt 1 1 er e s u l t sc o m p o s e do fas e r i e so fd a t a w i t l lt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m sa r eg a i n e di t i ss h o w nf r o mt h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o n ，a n dt h ee f f i c i e n c yo f t h ef a u l tm o d e li nt h ep a p e ri sv a l i d a t e d w r i t t e nb yw ud o n g w e n d i r e c t e db yc h e nk e n ( p r o f ) k e y w o r d s ：p o w e rc a b l e ，f a u l tl o c a t i n g ，l o wv o l t a g ei m p u l s e ，m a t l a bs i m u l a t i o n ， l a r g e n e s sp a c eo f a n a l o gt od i g i t ，s c m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹墨点鲎有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权南昌土学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：曼磐丈 导师签名：易他栩堋牵 j 签字日期：四年月，杏日 签字目期：声年多月，目 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀记 本章首先阐明电力电缆测距技术发展的概况、历史与趋势，然后对电力电缆 测距仪的研制发展简作介绍，最后介绍本课题的设计要求。 1 1 电力电缆测距技术发展的概况、历史与趋势 随着国家城市电网改造工作的开展，电力电缆数量的增加，广大供电部门非 常重视电缆的故障探测工作，迅速、准确地确定电力电缆故障点，能够提高供电 的可靠性，减小故障修复费用以及停电损失。 电力电缆多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来斗分困难。如何准确、迅速、 经济地查找电缆故障便成了供电部门日益关注的问题。了解电缆故障的原因，对 于减少电缆的损失，快速地判定出故障点十分重要的，造成电缆故障的原因通常 有机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化变质、防护层的腐化等等。 经典的测试方法是采用惠斯顿电桥法，电桥法有电阻电桥法，电容电桥法 旧，引。电桥法的优点是简单，方便，精度高。但它的重要缺点不适于高阻或闪络 性故障，而实际上电缆故障大部分属于高阻与闪络性故障。随着现代电力电子技 术的发展。近年来，电力电缆故障的测试技术有了较大发展，如出现了故障测距 的脉冲电流法，路径探测法，路径探测的脉冲磁场法以及利用磁场与声音信号时 间差寻找故障位置方法等，计算机技术的应用，便使得电缆故障探测技术面貌 新，进入智能化阶段。 ( 1 ) 经典惠斯顿电桥的电缆故障测距法 电桥法是采用惠斯顿电桥定理，将被测电缆终端的故障相和非故障相短接， 电桥的双臂分别接故障相和非故障相，调节可调电阻，使得电桥平衡，在由于电 缆直流电阻与长度成正比，可求出电缆故障点到测量端的距离。 电桥法的优点是简单、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，电桥的电流很小，一般灵敏度的仪表 很难探测的。而实际上电缆故障大部分属于高阻与闪络性故障，通常使用的方法 是在采用电桥法测量故障之前，用高压设备将故障点烧穿，使得故障电阻降到可 第一章绪论 以用电桥法进行测量的范围，而故障点的烧穿是一件十分困难的事，往往需要花 费数小时甚至更长的时间，十分不方便。电桥法的另一缺点就是要知道电缆的准 确长度等原始资料，当一条电缆线路由不同截面的电缆组成时，还需要进行换算， 电桥法也不能测量三相短路或断路故障。 ( 2 ) 脉冲反射法对电缆的故障测距 低压脉冲反射法用于测量电缆的低阻、短路与断路故障，低压脉冲法还可以 用于测量电缆的长度，电磁波在电缆中的传播速度，还可以用于区分电缆的中间 接头，t 型接头与线路终端等。 工作原理：测试时向电缆注入一个低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹 配点，如短路点，故障点，中间接头等。脉冲发生反射，回到测量点，被仪器记 录下来，波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差t ，对应脉冲在测量点与电阻不 匹配点往返一次的时间，已知脉冲在电缆中的传播速度v ，便可计算出阻抗不匹 配点的距离。 对发射脉冲的选择：由于矩形脉冲形成比较容易，故电缆故障测量仪器使用 的电压脉冲一般都是采用矩形脉冲。脉冲总是有一定的时间宽度的，假设为t ， 如果在时间r 内到来的反射脉冲与发射脉冲相重迭，便无法区分出来，因此就不 能测出故障点的距离，出现盲区。从减小盲区的角度来看，发射脉冲窄一些好， 但脉冲愈窄，它所包含的高频分量愈丰富，因而线路高频损耗大，则反射脉冲幅 值小，畸变更严重。影响这距离故障的测量效果。为解决这问题，应脉冲的发射 宽度分为几个范围，根据测量的距离来选择脉冲的宽度，测量距离愈远，脉冲宽 度愈宽，测量距离愈短，脉冲宽度愈窄。 ( 3 ) 冲击高压闪络测试法 电阻的高阻与闪络性故障由于故障点电阻较大，低压脉冲在故障点没有明显 的发射( 发射幅值小于5 ) ，故不能用低压脉冲法测距。通常采用脉冲电压法， 将电缆故障点用高压瞬间击穿，记录采集下来的故障点击穿产生的电压行波信 号，通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一趟的时间来计算故障距 离，常采用线性分压耦合器来采集电缆中的电压行波信号。 其优点是不必将高阻与闪络性故障击穿，而直接利用故障击穿产生的瞬间脉 冲信号，测试速度快。其缺点是：( 1 ) 安全性差。通过一电容电阻分压器分压测量 第一章绪论 电压脉冲信号，与电压回路有电耦合，很容易发生高压信号窜入。( 2 ) 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。 电缆故障点的击穿，采用冲闪法，只有使故障点充分放电，获得正确的脉冲 波形，才能保障正确地测量故障距离。如果故障点不击穿，脉冲波形也会往还交 替，但它相邻脉冲之间对应的不是发射端和故障点之间的距离，而是电缆的长度。 当高压设备通过球间隙加到电缆上的高压信号幅值大与故障临界击穿电压时，电 压波穿过故障点，故障点电离，击穿放电。 从上面介绍的目前使用的电力电缆测距方法可以看出，大量使用的电力电缆 测距方法是基于行波测距法，但几乎没有利用电力电缆在运行时产生的故障暂态 信号测距的。这可能归咎于电力系统运行时的不稳定性：即故障发生时不确定性， 故障距离的变化导致的行波主频率的不确定性。随着对运行的系统中这些问题的 研究深入，故障瞬间产生的暂态信号有望得到更好的运用【4 j 。 目前利用行波原理架空线在线故障测距已有了很大的发展，国内外相应的装 置相继投入使用，但是利用行波原理的电力电缆在线测距原理仍在研制阶段，这 方面日本和美国起步较早，如日本准备利用配电网的暂态信号( 其中包括电力电 缆) 进行故障测距，特别是利用电力电缆运行中产生的局部放电进行故障预报1 5 j 。 澳大利亚的科学家还提出在电力电缆中加埋光缆，利用电力电缆故障时对周围光 缆的影响，通过一头测量光缆中的信号实现电力电缆测距【6 】。这种方法有望实现 测距与定点同步进行，但就目前我国的国情来看，显然不能大面积推广。 电力电缆故障测距是保障供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失的一种 必不可少的手段和措施，以实现电网的安全经济运行。随着城市建设的发展，电 力电缆在城网供电中所占的比例越来越大，在一些城市的市区已逐步取代架空输 电线路。随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆的故障也越来越频繁。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，两者对低阻故障 很准确，但对高阻故障不适用。其后出现了直压闪测法，电压法可测率高，波形清 晰易判，盲区小1 3 o9 0 年代后，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 第一章绪论 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。 1 2 电力电缆测距仪的发展 国外电力电缆测距技术的研制工作始于上世纪中。但直到7 0 年代初，数字 技术的出现，才使电力电缆测距技术实现数字化。 我国电力电缆测距技术的研制工作始于上世纪8 0 年代，8 0 年代到9 0 年代 开始使用电子计算机进行数值计算，1 9 8 9 年我国自行研制的第一台电力电缆故 障测距仪投入使用，揭开了我国电缆测距技术的序幕。8 0 年代初，我国首次从 国p t i 进了两套电力电缆测距仪器，取得了良好的效果，同时使我们认清了差距， 明确了自己开发的方向【lj 。 9 0 年代末计算机硬件技术飞速发展，计算机的硬件水平和处理速度不断提 高而价格却大幅度下降，在软件方面，新的操作系统和软件平台不断出现，使操 作界面更加友好，功能却不断提高，新的软件方法也开始为也开始为大家所接受 和掌握，电压监控系统的技术水准又有了新的提高。同时我国在电压监控系统领 域的应用技术也日趋成熟，已经达到了实用化水平。 1 3 电力电缆测距仪面临的课题 电力电缆测距仪问世已有十几年了，虽然技术上不断改进，但还存在一些问 题，具体有【7 , 8 , 1 0 1 ： ( 1 ) 可靠性有待进一步提高。电力部门对监测仪表的可靠性能要求极高，而 大多数电压监测仪采用低档次的芯片，抗干扰能力不强。在恶劣条件下，偶尔还 会有“死机”现象。“死机”后需人工手动复位。由上述统计指标可知，该类仪 器主要是对时间进行统计，“死机”必然带来时间的统计误差。 ( 2 ) 数据保存时间短，易丢失。国标规定停电7 2 h 以内统计数据不得丢失。 以往大多数电缆测距仪数据保存采用后备电源方式：安装一个锂电池，设计掉电 保护电路，停电后，立即启动后备电源，保存r a m 中的统计结果及维持时钟芯片 运行。但由于测距仪工作在野外、工地等恶劣环境中，野外停电没有电源的情况 第一章绪论 下，采用上述方法很难保证“万无一失”。并且锂电池充电时间长，即使冲满电， 数据也仅能保存7 2 h 左右。 ( 3 ) 仪器一般配微型打印机，打印每月的月报表，而微型打印机由于是机械 结构，经常容易出故障。 ( 4 ) 精度调整不方便。仪器一般采用硬件调整精度，须关机，打开仪器调整 内部电位器。这不方便，另外调整过程中须停电也带来统计误差。 设计一个测量系统时，应针对它的应用范围，针对测量的各种测量场合，提 出合理的技术指标，如输入输出的通路数量，定时范围，系统的可靠性等。由 于单片机可以由软件来实现各种控制功能，运算和控制能力强，因此用单片机设 计一个测量系统有一定的通用性。 系统具有如下一些特性： ( 1 ) 操作信号多。在一般情况下，要实现对电缆故障的测距，其中涉及到对测 量信号波形的操作，如设定、比较、计算等，操作信号较多。 ( 2 ) 逻辑关系复杂。各种控制信号之问存在非常复杂的逻辑关系和时序关系。 ( 3 ) 可靠性要求较高。故障测距一般是在现场进行工作的，环境条件比较差有 的测量测量对象周围有很大的干扰源，又要求准确地测量出数据，否则影响供电 的效率。因此要求测量系统要有较高的抗干扰性。 因此，应满足使用要求的前提下，充分发挥单片机的内部资源和运算功能， 简化硬件结构，用软件方法加强功能和提高系统的可靠性。 第二章电力电缆故障探测基础 第二章电力电缆故障探测基础 2 1 电缆故障的原因 了解电缆故障的原因，对于减少电缆的损坏，快速地判定出故障点是十分重 要。电缆故障的原因大致可分为以下几类【9 】： 1 机械损伤 机械损伤引起的电缆故障占电缆故障的很大比例。有些机械损伤很轻微，当 时并没有造成故障，但在几个月甚至几年后损伤部位才发展成故障。 1 ) 安装时损伤：在安装时不小心碰伤电缆，机械牵引力过大而拉伤电缆， 或电缆过度弯曲而损伤电缆。 2 ) 直接受外力损伤：在安装后电缆路径上或电缆附近进行城建施工，使电 缆受到直接的外力损伤。 3 1 行驶车辆的震动或冲击性负荷会造成地下电缆的铅包损伤。 4 ) 因为自然现象造成的损伤：如中间接头或终端头内绝缘胶膨胀而涨裂外 壳或电缆护套；因电缆自然行程使装在管口或支架上的电缆外皮擦伤：因土地下 沉引起过大拉力，拉断中间接头或导体。 2 绝缘受潮 绝缘受潮后会引起故障，造成电缆受潮的主要原因有： 1 ) 接头盒或终端盒结构不密封或安装不了良而导致进水。 2 ) 电缆制造不良，金属护套有小孔或裂缝。 3 1 金属护套因被外物刺伤或腐蚀穿孔。 3 绝缘老化变质 电缆绝缘内部气隙在电场作用下产生游离使绝缘下降，当气隙介质电离时， 气隙中产生臭氧、硝酸等化学生成物，腐蚀绝缘层：绝缘层中的水分使绝缘纤维 产生水解，造成绝缘下降。 过热会引起绝缘老化变质。电缆内部气隙产生电游离造成局部过热，使绝缘 层碳化。电缆过负荷是电缆过热很重要的因素。安装于电缆密集地区、电缆沟及 电缆隧道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆以及电缆与热力管道接近部 第二章电力电缆故障探测基础 分等都会因本身过热而使绝缘层加速损坏。 4 过电压 大气与内部过电压作用，使电缆绝缘层击穿，形成故障，击穿点一般存在材 料缺陷。 5 设计和制作工艺不良 中间接头和终端头的防水、电场分布设计不周密、材料选用不当、工艺不良、 不按规程要求制作等，会造成电缆头故障。 6 材料缺陷 材料缺陷主要表现在三个方面。一是电缆制造问题，铅( 铝) 护层留下的缺 陷；在包缠绝缘层过程中，纸绝缘层上出现裂损、破口和重叠间隙等缺陷；二是 电缆附件制造上的缺陷，如铸铁件上有砂眼，瓷件的机械强度不够，其它零件不 符合规格或组装时不密封等：三是对绝缘材料的维护管理不善，造成电缆绝缘层 受潮、脏化和老化。 在分析电缆故障发生的原因以及寻找故障点时，极重要的是特别注意了解高 压电缆敷设、故障及修复的情况。要注意做好电缆安装敷设及故障修复过程中的 记录工作。 2 。2 电缆故障的性质与分类 电缆故障从形式上可分为串联与并联故障 ”】。串联故障指电缆一个或多个导 体( 包括铅外皮) 断开；通常在电缆至少一个导体断路之前，串联故障是不容易 发现的。并联故障是导体对外皮或导体之间的绝缘f 降，不能承受正常运行电压。 而实际的故障形式组合是很多的。 图2 - 1 电缆故障等效电路 第二章电力电缆故障探测基础 电缆故障点可用图2 1 所示电路等效。r ，代表绝缘电阻，g 是击穿电压为v g 的击穿间隙，c ，代表局部分布电容，上述三个数值随不同的故障情况变化很大， 并且互相之间并没有必然的联系。 间隙击穿电压v g 的大小取决于放电通道的距离，电阻r f 的大小取决于电缆 介质的碳化程度，而电容c f 的大小取决于故障点受潮的程度，数值很小，一般 可以忽略。 根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性 故障( 具体见电缆故障测距仪使用手册) ，见表2 1 。 表2 - 1 电缆故障性质的分类 故障性质 r f间隙击穿情况 开路在直流或高压脉冲作用下击穿 低阻小于1 0 z or f 不是太低时，可用高压脉冲击穿 高阻大于1 0 2 0高压脉冲击穿 闪络直流或高压脉冲击穿 注：表中z o 为电缆的波阻抗值，电力电缆波阻抗值一般在1 0 _ _ 4 0 0 之间 以上分类的目的也是为了选择测试方法的方便，根据目前的故障技术，开 路与低阻故障可用低压脉冲发射法，高阻故障要用冲击闪络法，而闪络性故障可 用直流闪络测试。通常把r f ( 1 0 0 kq 的故障称为低阻故障。 2 3 电缆故障性质的诊断“2 3 所谓的诊断电缆故障性质，就是指确定：故障电阻是高阻还是低阻；是闪 络还是封闭性故障：是接地、短路、断路，还是混合；是单相、两相，还是三相 故障。 可以根据故障发生时出现的现象，初步判断故障的性质。例如，运行中的 电缆发生故障时，若只是给了接地信号，则有可能是单相接地故障。继电保护过 电流继电器动作，出现跳闸现象，则此时可能发生了电缆两相或三相短路或接地 故障，或者是发生了短路与接地混合故障。发生这些故障时，短路或接地电流烧 断电缆将形成断线故障。但通过上述判断不能完全将故障的性质确定下来，还必 第二章电力电缆故障探4 基础 须测量绝缘电阻和进行“导通试验”。 测量绝缘电阻时，使用兆欧表( i k v 以下的电缆，用l k v 的兆欧表；l k v 以上的电缆，用2 5 k v 的兆欧表) 来测量电缆线芯之间和线芯对地的绝缘电阻； 进行“导通试验”时，将电缆的末端三相短接，用万用表在电缆的首端测量芯线 之间的电阻。现将一故障电缆的测量结果列于表2 2 中，供参阅。 表2 - 2绝缘电阻的测量与。导通试验” 用兆欧表测量绝缘电阻( m q )用万用表做“导通试验” 线芯间线芯与地末端三相短接测电阻 a b 2 5 0 0a e2 5 0 0a bo b c8 b e5b co c a 2 5 0 0 c g3c ao 根据表2 2 所列绝缘电阻之测量结果，可以分析出此故障是两相接地；根据 “导通试验”结果，以确定三相电缆末发生断线。此故障点的状态，如图2 2 所示。 ao o bo 7 _ o 土 c 。_ z _ _ 。 e 图2 - 2电缆线路故障状态图 由于兆欧表分辨率比较差，当指示为0 时，不能以为故障电阻为0q ，要用 万用表测量故障电阻的精确值，以确定故障是否是属于低阻的。 第三章电缆线路的波过程 第三章电缆线路的波过程 介绍电压、电流波在电缆线路里的传播过程，以便了解基于电压、电流波传 播原理的电缆故障测距技术。 3 1 长线的基本概念与等效电路 电力电缆属于传输线的一种，传输线的长度与它所传播信号波长相比拟时， 称长线。脉冲电压行波中含有大量的高频分量( 脉冲电压行波宽度越窄，上升沿 越陡，则高频分量越大) ，这些高频分量的波长相对于电缆长度来说很小。传输 电缆随着所传送行波的电压和频率的升高，芯线和外皮间的位移电流和漏电流就 越来越不可忽略。另外，芯线中的电流不仅会因导线有电阻而在导线上产生电压 降，而且还会产生交变磁场，此磁场又会感生出自动电势 1 3 , 1 4 1 。 因此，电缆线路( 以下简称电缆) 可看成许许多多电阻r 、电导g 、电容c 与电感l 元件( 等效元件) 相联结组成的，这些元件称为电缆的分布参数。电缆 分布参数模型如图3 1 所示。 + 竺d x “ 卜 d x _ - 图3 - 1电缆分布参数模型 此时，电缆沿线各处电流电压不同，电压u 和电流i 都是空间x 长度的函数。 图中各参数： r 。( q m ) 单位长度的电阻 l 。( h m ) 单位长度的电感 c 。( f m ) 单位长度的电容 g 。( s m )单位长度的点纳 第三章电缆线路的波过程 l o 和c 。是惰性元件，行波从一端传播到另一端将会有一定的延时，r 0 和g 。 的存在导致波形发生衰减，如果忽略线路的传播损耗，当r 产0 、g g = o 时，称为无 损线。 m x 厂厂一 图3 _ 2 正向波和反向波 n 电缆线路上传播的电压、电流波以一定的速度运动，称为行波。把运动方向 与规定方向一致的行波，称为正向行波，把运动方向与规定方向相反的行波称为 反向行波。假定有一电缆线路，如图3 2 所示，规定距离坐标x 的方向从m 端到n 端，则线路上向着n 端运动的波叫正向行波，而向着m 端运动的波叫反 向行波 2 0 。 3 2 电缆中的波速度与波阻抗 3 2 1 波速度 行波从一端传到另一端需要定的时间，电缆长度与传播时间之比，称为波 速度v 。经分析可知，电缆中的行波的波速度可表示为： y ： 厶c 。心 其中：s 一光的传播速度，3 1 0 8 m s ； “一介质相对导磁系数；e 一介质介相对电系数。 可见，电缆的波速度只与电缆的绝缘介质的性质有关，而与导体芯线的材料 及截面积无关，对于不同导体材料制成的电缆，只要绝缘介质相同的，其波速度 是不变的。经测量，常用的塑料电缆的v 一1 7 0 一2 0 0 m ps 。 第三章电缆线路的渡过程 3 2 2 波阻抗 电缆中的电压波在向前运动时，对分布电容不断充电产生伴随的向前运动的 电流波，对电压、电流之间的关系，用波阻抗z o 来描述。 斤一 z o2 j 等 l o 、c o 不但与电缆介质材料有关、介质系数与导体系数有关外，还与电缆 芯线的截面积有关和芯线与外皮之间的距离有关。所以，不同规格和种类的电缆， 其波阻抗也不同。电缆芯线的截面积越大，波阻抗值越小。一般电力电缆的波阻 抗值在1 0 _ _ 4 0 q 之间。 对于正向电压波u 与电流波i + 之间，则有： u i + = z o 对于反向电压波u 一电流波i 一之间，则有： u i = 一z o 由上可看出，正向电压、电流波同极性，而反向电压、电流波反极性。假设 电压行波极性为正，则线路上电流行波的流动方向就是电压行波的流动方向。 3 3 行波的反射与透射现象n 5 1 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。当电缆中出现 断线或低阻故障时，故障点等效阻抗与电缆波阻抗不相等，也会出现阻抗不匹配。 当行波运动到阻抗不匹配点时，会产生部分或全部发射，出现行波回送现象。在 低电阻故障( 故障点电阻不为零时) 还会有行波透射现象，即有一部分行波越过 故障点继续往前运动。 图3 3 给出了电缆出现低阻故障时，行波的反射与透射现象。u 。为入射波， u ，为返回的反射波，u 。为越过故障点的透射波。 u ，一u 图3 3 低电阻故障点行波的反射与透射 第三章电缆线路的波过程 3 4 行波波动方程与正弦稳态解 3 4 1 行波波动方程 1 6 , 1 7 , 1 8 1 设以电缆的始端为计算距离的起点，电缆上某一点到始端的距离为x ，利用 节点电流方程i = o ，节点电压方程u = o 。可以得到如下的电压电流方程组1 7 1 ： “一f “+ 罢出l = r o d x i + l o 出罢 卜( r + 罢出 ：g 。交。：罢出 + c o 出氢。+ 罢出 。1 略去高阶无穷小项并化简得： 孔7 玉= r o i + l o a i a t ( 3 - 2 ) 1 一a f 巩：g o u + c o o a t a2 列 缸2 02 i 苏2 卜芸+ ( g 。豢+ 当r 。= o 、g 。= o 时，上式可以化简为如下形式 式( 3 - 4 ) 为波动方程，其通解为： ( 3 3 ) ( 3 4 ) f “0 ，f ) = “+ o x v ) + “一o + x v ) lj b ，) = f + o x ，v ) 一i 一( f + x v ) i + v 2 ” 洚。) ? _ ( t + x v ) = 1 v ) “ 对于式( 3 - 5 ) 的表达式可以这样理解：以u + ( t - x v ) 为例，u + ( t - x v ) 表示 u + 是变量t x v 的函数，其定义为：当t x v 时， 1 3 堕：! 墓堕船 厶 g c c l i j | i 巩一酽竹一酽 苎三兰皇塑鉴堕塑茎塾堡 “+ o x v ) 0 ，假定f ：b 时，线路位置为x 1 的这一点的电压函数为，如图( 3 5 ) 所示，当 变到f ：时，具有相同电压值“。的点必定满足 f ，一蔓：，2 一生 vv 图3 5前行电压波传播示意图 也就是说要求t x v 为常数，得到d x d t = v ，可以看出v 为速度。对于固定 的电压值u 。来说，它在导体上的横坐标是以速度v 向x 正方向移动的，因此 u + ( t - x v ) 可以理解为一个速度v 向x 正方向移动的电压波。同样u 。( t x v ) 可以 看成是以速度v 向x 负方向移动的电压波。u + 、u 分别被称为前行电压波、反向 电压波。 3 4 2 行波正弦稳态解旧 为了更好的研究行波在电缆中的传输特性，假定入射电压为正弦波，可得： 因此 掣：扣6 0 ) 战 掣：归j e ) 甜 r i c l u i o x = r o + l o a ，缸 一 l a i a x = g o u + c 0 3 u o t 警砜j + 溅j = ( j 。j 。弘以x 掣：g 。6 + j 葩。6 ：( g 0 + ? o c 。) 6 1 4 第三章电缆线路的渡过程 u = a 1 p 1 + 4 2 p ” 1 j ：生g m 一生p ” ( 3 咱) l z cz c 其中z 。为传输线的特性阻抗： 乙= 厝焉弘么臼 y 为传播系数：y = - , ( e o + j o , l o x g o + j , o c o ) 由( 3 - 6 ) 式可以看出传输线上任一点的电压和电流是由两个分量构成的， 方向以始端指向终端为参考方向，这两个分量分别称为入射分量和反射分量，即： r 。 l u = u 。+ u 可 1j ：j 。一j 一 其中：u 。、。为电压和电流的入射分量；【，一、j 时为电压和电流的反射 分量。由此可见，传输线上任一点的电压和电流是入射波和反射波分量的叠加和。 反射波分量降低了传输线的传输效率。所以正常情况下是不希望传输线上存在反 射分量。反射波的大小可以用反射系数来衡量。反射系数按下式定义： p 0 ) ：粤：善 u i ni 。 其中。为行波反射点与始端的距离，设，：，时，6 ：d ：、j ：j ：，代入( 2 6 ) 式中可求出待定系数a ，、a 。的表达式为： 铲如+ z c 砂 铲吾隆卜 1 第三章电缆线路的波过程 f 6 = 三( 6 z + z 。j z e ，。一j ) + 圭( 6 ：一z 。jz e 一，。一) 1j = 圭 晕+ j ： er 。j ) + 丢 晕j z e 一，。一j ) 3 8 将传输线终端的电压6 ：和电流j ：作为边界条件，此时用某点到终端的距离 j 表示该点的位置，得x 。= ，一x ，由( 3 - 8 ) 式可得： f 方= 圭( 方z + z 。j z 弘”+ 三( 6 ：一z 。j ：弘一 1j = 圭 宝+ j ： e f + 三( 晕j ： e f p ”面u 2 - z z c l 2 e 却 设终端负载阻抗为z 。：舀：j ：，则有： 刖= 麓p 却厶r 十二， 下面讨论电力电缆发生短路、断路及其低阻故障的反射情况【1 9 1 。 1 短路 当电缆出现短路时，从故障点向负载看去其等效阻抗为零，即相当于阻抗 z 。= 0 。假设故障点为电缆末端，则x = 0 ，根据公式求出电压反射系数： 荆= 箍一专叫 短路点反射电压与入射电压大小相等，方向相反，故障点的合成电压为o 。 说明行波到达短路点后，电场能量全部转化为磁场能量。 2 断路 当电缆出现断路点时或行波运动到电缆的开路终端时，从断路点向负载看 第三章电缆线路的波过程 p ( 0 ) = z z 。l + - z z 。c 坐= 1 断路造成全发射，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，因此出现电压加倍现象。 3 电缆中出现低阻故障 电缆中间出现低电阻故障时，设故障电阻两边的电缆分别用大小等于波阻抗 值z 。的电阻来代替。故障点的电压反射系数为： p g ) 一南8 2 ” 其中k = r ，z 。，r ，为故障点等效阻抗 其中x 为故障点与线路始端的距离，由上式可见o c j p 例c 1 ，反射系数不为 零，说明在该点将会发生波的反射现象 综上所述，故障点存在会使该点的波阻抗发生变化，行波在该点会发生反射 现象，行波在传输线中的传播速度是一定的，通过测量入射波和反射波之间的时 间差，就可以得到故障点的距离。由于电缆本身存在着损耗，行波在电缆中传输 会发生畸形现象，实际波形与理想波形相比会有很大的差距。 第四章电力电缆故障测距方法 第四章电力电缆故障测距方法 长期以来，涌现出了许多测量方法与仪器，这些方法适用于不同的故障情况， 各有各的优点，这里就故障测距的几种方法简单地做一下评价和比较，最后讨论 了如何提高测量精度。 4 1 经典惠斯顿电桥测距法 这是一种这是一种经典的故障测试方法【1 1 ，其测试电路图和等效电路图如图 4 1 所示。电桥法是采用惠斯顿电桥定理，将被测电缆终端的故障相和非故障短 接，电桥的双臂分别接故障相和非故障相，调节可调电阻，使得电桥平衡，在由 于电缆直流电阻与长度成正比，可求出电缆故障点到测量端的距离。 有 c a ) 测试电路图b ) 等效电路图 图4 _ 1电桥法测试电路图和等效电路图 测试时仔细调节r 。值，使电桥平衡，c d 间电位为零。根据电桥平衡原理 堕：生 曩r r i , r ：为已知电阻，设r ，r ：= 女，则： 堕：t r 4 设电缆导体电阻率为r ，三全长一代表电阻全长，l o 一代表故障点到测量端 第四章电力电缆故障测距方法 的距离。则 l 全长+ 厶2 址，即厶= 三生长一t 。故：t2 茬甍 即可以算出故障点的距离。电桥法的优点是简单、方便、精确度高，但它的 主要缺点是不能使用于高阻与闪络性故障，因为故障点电阻很高时，电桥电流很 小，一般灵敏的仪表，很难探测。另外，还必须知道电缆的准确长度等原始资料， 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，此外 电桥法还不能测量三相短路或断路故障。 4 2 低压脉冲法】 低压脉冲法用于测量电缆的低阻、短路与断路故障，还可以测量电缆的长度、 电磁波在电缆的传播速度，并且可以用来区分电阻的中间接头，t 型接头与线路 端点。图4 2 为低压脉冲的反射原理图。 丕二二二 歹 术兰二j ! 图4 - 2 低压脉冲反射原理图 根据传输线理论，在被测电缆上送入一脉冲电压，当发射脉冲在传输线上遇 到故障时，由于故障点阻抗不匹配，而产生向测量点运动的反射脉冲，记录下发 射脉冲和反射脉冲，二者的时间差出，则对应于脉冲信号在测量点与故障点往 返一次所需要的时间，求出故障点距离为： = y f 2 其中，v 为脉冲在电缆里的传播速度。 通过识别反射脉冲的极性可以判定故障的性质，根据反射脉冲的极性，可以 判断故障的性质。断线或接触不良引起的反射脉冲为正( 图4 3 a ) ，低电阻或 短路故障引起的的反射脉冲为负( 图4 - 3 b ) 。断路故障反射脉冲与发射脉冲极 性相同，而短路故障的反射脉冲与发射脉冲的极性相反。 第四章电力电缆故障测距方法 a ) 断线或接触不良b ) 低电阻或短路故障 图4 3 脉冲反射被形 低压脉冲反射法只适用于断线或接触不良，低电阻或短路故障的测试。对于 高电阻故障，由于与故障点并联的故障电阻和电缆波阻抗相比太很多，造成故障 点阻抗突变不明显，产生的脉冲反射相当微弱。因此，低压脉冲方式不能有效地 测量高电阻故障、要用下面介绍的脉冲电流法测试。 4 3 脉冲电流法【3 】 电缆的高阻与闪络性故障，故障点的电阻较大，不能用低压脉冲反射法测距， 应采用脉冲电流法。将电缆的故障点用高压击穿，采集并记录下故障点击穿产生 的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号，在测量端与故障点往还一趟的时 间来计算故障点距离。 4 3 1 脉冲电流法基本原理 图4 - 4直闪法工作原理 如图4 4 所示，在加到电缆上的电压增加到某一值时，故障突然击穿放电 产生向测量点运动的放电脉冲，放电脉冲到达测量点后，仪器通过电流耦合器 记录下第个电流脉冲。放电脉冲在测量点被反射回故障点，在故障点又被反射 折回测量点，这一反射过程不断进行，直至放电过程结束。 第四章电力电缆故障测距方法 图4 - 5 直闪法脉冲