（高电压与绝缘技术专业论文）电力电缆故障探测系统的研制.pdf

电力电缆故障探测系统的研制 摘要 由于电力电缆具有输电通道小。受环境污染影响小，可靠性高，对人身 及周围环境干扰小等优点而被广泛应用。特别是在城市及大型工业电力用户， 电缆几乎成为今后主要的电能传输、分配的途径。因此，由于正常运行中电缆 的老化和外加非正常因素而导致电缆出现故障的事件也就不断增多。快速准确 地对电缆故障的种类、具体位置进行确定，对于提高电力系统的供电质量、减 少经济损失有非常重要的作用。特别是对于直埋电缆，如果不能快速准确地确 定故障点位置，故障的排除就会花费大量的时间、资金和人力。通过阅读大量 的文献，结合以往的科研实践，本论文提出了一种新型的基于行波定位技术， 小波分析技术和声磁联合定点技术的电力电缆故障探测系统，解决了其中的两 个技术核心问题。 首先，本文对电力电缆故障产生的原因、故障类型、分类及基本的故障 定位方法进行了概述，重点分析了行波测距法中的电缆故障行波过程。在此基 础上，结合小波分析法在信号消噪、奇异性检测等方面的优异性能，把小波分 析技术应用于电缆故障行波定位法中，研制出了基于小波奇异性检测原理的电 缆故障定位技术，该技术与以往的技术相比较，具有定位结果基本不受操作技 术人员操作水平影响的优点。本文对这项技术进行了理论分析，并利用计算机 仿真技术对这一技术的正确性、有效性进行了仿真分析，仿真结果表明：在仿 真数据输出步长为o o l 邮的条件下，故障定位精度可以达到2 以内，这表 明该技术完全可以满足工程实践的需要。 其次，对电力电缆故障精确定点的基本方法进行了概述，对各种方法的 优缺点进行了对比分析，重点分析了声磁联合定点技术。设计、制作了基于声 磁联合定点技术的电力电缆故障点精确定点仪主要硬件、软件模块。经初步试 验表明，若以声波在媒质中的传播速度最高为50 0 0 m s 来计算，该定点仪的 距离分辨率可以达到0 o l m 。 以上两个核心技术问题的解决，对于今后研制出基于以上两个技术的电 缆故障探测系统整机奠定了技术基础。 关键词 电力电缆故障；行波故障定位；精确定点；小波分析；奇异性检测 哈尔溃理t 大学t 学醪士学位论文 d e v e l o p m e n to ff a u l td e t e c t i o ns y s t e mf o r p o w e rc a b l e a b s t r a c t t h ep o w e rc a b l e sa r eu s e d e x t e n s i v e l y w i t ht h em e r i t ss u c ha ss m a l l t r a n s m i t i o np a t h w a y , l e s si n f l u e n c e db ye n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，h i g hr e l i a b i l 酊a n d l o wi n t e r f e r e n c e f o rp e r s o n a la n ds u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t i nt h ef u t u r e ，p o w e r c a b l en e a r l yb e c o m e st h em a i np a t hf o rt h ep o w e rt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n , e s p e c i a l l yi nt h ec i t ya n dt h ep o w e ru s e ro fl a r g es c a l ei n d u s t r y s ot h ei n c i d e n t so f c a b l eb r o k e nd o w n , c a u s e db ya g i n gi nn o r m a lr u n n i n ga n de x t e r n a la b n o r m a l f a c t o r s ，a r ei n c r e a s i n gc o n s t a n t l y i ti sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f p o w e rs u p p l ya n dr e d u c t i o ne c o n o m i cl o s s e st oi d e n t i f yt h ec a b l ef a u l tt y p e sa n d l o c a t ef a u l tp o i n tp o s i t i o nf a s ta n da c c u r a t e l y e s p e c i a l l yf o rt h eb u r i e dc a b l e ，i ft h e f a u l tp o nc a n tb el o c a t e dq u i c k l ya n dp r e c i s e l y , i tw o u l de x p e n dal o to ft i m e ， f u n d sa n dm a n p o w e r a c c o r d i n gt ot h ep a s tr e s e a r c ha n dk n o w l e d g ef r o mr e f e r e n c e s ， t h i st h e s i sp u tf o r w a r dan e wt y p ep o w e rc a b l ef a u l tl o c a t i o ns y s t e mo nt h eb a s i so f t r a v e l i n g - w a v el o c a t i n gt e c h n i q u e ，w a v e l e ta n a l y s i st e c h n i q u ea n dp i n p o i n t i n g t e c h n i q u eo f c o m b i n i n ga c o u s t i ca n dm a g n e t i c ，a n ds o l v e dt w ok e yp r o b l e m so f i t f i r s to fa l l ，i nt h i st h e s i s ，t h ec a u s e so ft h ec a b l ef a u l t ，f a u l tt y p e ，c l a s s i f i c a t i o n a n dt h eb a s i cm e t h o d so ff a u l tl o c a t i o na r es u m m a r i z e d ，t h e nt h ew a v ep r o c e s so f t h e f a u l tw a v ei nt h ec a b l ew a sa n a l y z e dw i t he m p h a s i s c o n s i d e r i n gt h ea d v a n t a g e so f w a v e l e ta n a l y s i si ns i g n a ld e - n o i s i n ga n ds i n g u l a r i t yd e t e c t i o n , t h ew a v e l e ta n a l y s i s t e c h n i q u ei sa d o p t e di nt r a v e l i n g - w a v ef a u l tl o c a t i o nm e t h o & a n dt h ef a u l tl o c a t i o n t e c h n i q u ef o rc a b l ew a sd e v e l o p e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fw a v e l e ts i n g u l a r i t y d e t e c t i o n c o m p a r e dw i t l lt h ef o r m e rt e c h n i q u e s t h en e wo n eh a st h em e r i tt h a tt h e l o c a t i o nr e s u l ti si n d e p e n d e n to ft h eo p e r a t o r sl e v e l t h et h e o r ya n a l y s i sh a sb e e n c a r r i e do n , a n dt h ev a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s sw e r es i m u l a t e dw i t hc o m p u t e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep r e c i s i o no ff a u l tl o c a t i o nc a nb eu pt o 士2 o nt h e c o n d i t i o nt h a tt h eo u t p u ts t e po ft h es i m u l a t i o nd a t ai s0 0 1r t s t h i si n d i c a t e st h a t t h et e c h n o l o g yc a ns a t i s f yt h en e e do f p r o j e c tp r a c t i c e 1 1 1 s e c o n d l y , t h eb a s i cp i n - p o i n t i n gm e t h o d so fp o w e rc a b l ea l es u m m a r i z e d ，a n d t h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so fe a c hm e t h o da l ec o m p a l e d ，t h eu n i o no fs o u n da n d m a g n e t i cp i n - p o i n t i n gt e c h n o l o g yi sa n a l y z e dw i t l le m p h a s i s t h em a i nh a r d w a r e a n ds o f t w a r em o d u l e sh a v eb e e nd e s i g n e da n dm a d e ，o nt h eb a s i so f t h ep i n - p o i n t i n g t e c h n o l o g y o ft h eu n i o no fa c o u s t i ca n dm a g n e t i c i n d i c a t e db yt h ep r e l i m i n a r yt e s t ， t h er e $ o l u t i o nr a t i oo f d i s t a n c eo f t h i si n s t r t u n e n tc a l lr e a c h0 o lm e t e r ，a s s u m e dt h e m a x i m u m s p e e da c o u s t i cw a v ei s50 0 0 m si nt h em e d i u m t h es e t t l e m e n to ft h et w oc o r et e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，h a s e s t a b l i s h e dt h et e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o ni nd e v e l o p i n gt h ec o m p l e t em a c h i n es y s t e m f o rp o w e rc a b l ef a u l tl o c a t i o nb a s e do nt h et w ot e c h n o l o g i e si nt h ef u t u r e k e y w o r d sp o w e rc a b l ef a u l t ；t r a v e l i n g w a v ef a u l tl o c a t i o n ；p i n - p o i n t i n g ；w a v e l e t a n a l y s i s ；s i n g n l a l i t yd e t e c t i o n i v 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力电缆故障探测系统的研 制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：h 史诗日期：唧6 年月f 弓日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 电力电缆故障探测系统的研制系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 日】在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大 学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： h 建诗 姒弓 ， 日期：如口年；月j 多日 r 期：钏年弓月眵只 哈尔泞理丁大学t 学硕卜学位论叟 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 随着城网和农网改造的实施，电力系统中电力电缆的敷设量越来越多，特 别是随着城市改造和建设的不断深入，城市电网中电力电缆所占的比重越来越 大，电力电缆网络结构日益复杂，同时运行时间的不断增长使电缆老化加剧， 出现故障的事件也就不断增多。特别是对于直埋电缆，如果故障点位置探测的 不够准确，其故障的排除就会花费大量的时间、资金和人力。如何快速、准 确、经济的找到故障所发生的位置，便成为维修及恢复供电的关键一步。若能 使用恰当的仪器对其进行检测，既可省去大量的人力、物力，又可减少因停电 而造成的损失。因此保证电力电缆的安全运行和及时排除故障、迅速恢复供电 是一项很重要的工作，越来越受到各部门的重视“”。 目前，电力的传输一般采用架空线路或电缆线路来实现，它们担负着传输 电能的重任。与架空线路相比，电缆线路主要有以下一些优点“1 ： ( 1 ) 线间绝缘距离小，电缆在地下敷设不需占用地面上空间，对人身安全 可靠： ( 2 ) 受周围环境污染影响小，送电可靠性高； ( 3 ) 可以提高输电线路的输送能量。由于电缆波阻抗只有几十欧姆，在同 样电压等级下，电缆线路要比架空线路可以输送更多的功率。 因此，为了减少电网对交通、城市建设的影响，在1 l o k v 及以下系统中， 大城市人口稠密区的输配电网络、城市郊区的输配电网络、大型工厂，发电厂 和交通拥挤区，电力电缆的应用日益广泛”。 但是电缆线路相对于架空线路而占也存在着缺点，主要表现在线路的维护 上。电缆线路由于埋设在地下，一旦出现故障，寻找起来十分困难，不仅浪费 了大量的人力、物力和查找时间，而且会造成难以估量的停电损失。寻求一种 快捷、准确的电力电缆故障探测方法，以缩短检修时间、减少停电损失，已成 为国内外科研技术人员的共同目标“1 0 。 1 2 国内外研究概况和发展趋势 从7 0 年代至今”，电缆故障定位技术取得了长足的发展和进步，各种测试 方法和测试仪器应运而生，电缆故障检测技术不断得到完善和提高，并且在实 践中得到了广泛的应用。 电力电缆故障铡寻技术是随着电力电缆的应用而产生的，其理论和实践也 是紧密结合、相互发展的。电力电缆的故障测距方法很多，总体上可分为阻抗 法和行波法两类。根据是否离线的需要，行波法又可分为离线和在线两种。无 论是从阻抗法到行波法，还是从离线测距的实现到在线测距的尝试，电力电缆 的故障测距技术经历了由简单到复杂的变化过程，先后发展出电桥法、低压脉 冲反射法、脉冲电流法以及应用光纤技术、计算机技术发展出来的新的测试方 法和系统等等“。例如使用实时专家系统对电缆进行自动检测”“，采用高 速光电传感技术，利用光纤对电缆进行在线故障测距；以及将全球定位系 统( g p s ) 技术应用于电缆故障在线测距当中“” 从长远来看，在线检测及全自动测试是未来电缆故障测试的发展趋势。相 对离线测距而言，在线检测能够快速实现故障测距。并且能够将故障测距信息 自动传送到系统监测设备，也避免了离线定位技术中所使用的过高的冲击电压 对电缆可能造成的附加损伤。目前，国内外一些公司在不断研究新的测试方 法，但电力电缆故障的在线检测与测距迄今尚未达到输电线路故障的在线检测 与测距的成熟程度“”。 在电缆故障定位方面目前实际应用的基本上都是离线测距。基本的测距方 法分为电桥法和行波定位法。相对于行波定位法而占，电桥法的价格低、测试 方法简单、操作简便，但是对于电力系统中实际使用的电缆，电桥法的适用性 比行波定位法差，所以，基于电桥法原理的电缆故障定位设备目前主要用于电 缆生产厂家，而基于行波定位技术的电缆故障定位设备则多应用在电力系统 中。 对于电力系统中直埋的电力电缆，由于电缆走向、埋设时电缆的拉直程度 等方面原因，仅仅依靠电桥法或行波定位法所确定的电缆故障位置往往只是电 缆故障的电路参数位置，而不是故障的地理位置，而对于故障检测和修复而 言，最重要的是要确定故障的地理位置而不是电路参数位置。因此，一般地， 对于实际投入使用电缆的故障定位基本上要包括两个方面，首先是利用电桥法 或行波定位法对故障进行定位，其目的是确定出故障的区日j ；然后是利用其它 - 2 技术对确定出的故障区域进行检测，具体确定出电缆故障的确切位置，这一过 程称为定点。电缆故障定点的方法主要有声测法、音频感应法及声磁传播时间 差法。目前，声磁传播时间差法是最为有效的故障定点方法。 10 3 课题的主要研究内容 本文的主要工作如下： 1 、以行波法为基础，结合小波分析中的相关技术，研究一种新的电力电 缆故障定位技术。 2 、采用声磁联合定点技术，研制电力电缆故障精确定点装置，其中包括 硬件及软件设计。 3 呛印泞理t 太学t 学妒t 学位论文 第2 章电力电缆故障探测技术简介 对电力电缆故障的查找，首先要对故障性质进行诊断，以便有针对性的选 择测试方法。然后再测定电缆故障点距测量端的距离，即故障测距；最后在测 距所确定的小范围内，根据故障类型，利用音频感应法、放电声测法或其它方 法查找出故障的准确位置，也即故障定点。 2 1 电力电缆故障产生的原因及分类 电力电缆经过敷设和长时间的运行使用，就可能发生故障，影响电力网的 安全运行。必须及时分清故障原因，准确判断故障点，从而消除故障。了解电 缆的故障原因及故障类型，对于快速的判定出故障点是十分重要的。 2 1 1 电力电缆故障原因 电力电缆故障的原因是多方面的，大致可分为以下几种： 1 机械损伤机械损伤引起的电缆故障占电缆故障事故的比例比较大。例 如在安装过程中，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，经过长时间运行后就有可能发展成故障”1 。 2 电缆绝缘的破坏电缆绝缘的破坏是故障产生的主要原因。特别是塑料绝 缘的电力电缆，绝缘在长期电场的作用下，就会发生树枝化放电，使绝缘降解 破坏，造成贯穿击穿。 由于绝缘层的介质损耗，可能造成电缆过热，进而加速了绝缘层老化。电 缆过负荷或散热不良，安装于电缆密集区、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与热力管道接近的电缆，都会因过热而使绝缘 加速老化。 电缆密封不严，绝缘层进入水分而受潮，使电缆绝缘性能下降，甚至造成 树枝状放电或直接贯穿性击穿，导致电缆出现故障。另外，在大气过电压和电 力系统内部过电压的作用下，使电缆绝缘层击穿，形成故障，这种情形下击穿 点一般是由于存在材料缺陷1 。 3 护层的腐蚀由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆铅包外皮受到 腐蚀出现麻点，开裂或穿孔，致使水分进入电缆也可以造成故障”“。1 。 一4 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 2 1 2 故障的性质与分类 电力电缆故障的分类方法比较多，通常有以下几种方法： 1 从故障形式上可分为串联与并联故障。串联故障是指电缆一个或多个导 体( 包括铅、铝外皮) 断开；并联故障是指导体对外皮或导体之间的绝缘下降， 而不能承受正常运行电压。导体断路往往是电缆故障电流过大而烧断的，这种 故障一般伴有并联接地或相f b 】绝缘下降的情况。实际发生的故障绝大部分是单 相对地绝缘下降故障“”。 电缆故障点可用图2 - l 所示的电路来等效。见代表故障点处绝缘电阻，g 是击穿电压为的击穿间隙，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，并且相互之间并没有必然的联系。 主绝缘金属屏蔽层 线芯 地 图2 一l 电缆故障等效电路 f i g 2 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f c a b l ef a u l tp o i n t 间隙击穿电压以的大小取决于放电通道的距离，电阻置，的大小取决于电 缆介质的碳化程度，电容c ，的大小取决于电缆绝缘材料的性质和故障点受潮 的程度，数值很小，一般可以忽略。 2 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。，见表2 1 。 开路( 断路) 故障：电缆的各线芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体断开。 具体表现为电缆相问或相对地绝缘电阻达到所要求的范围值，但工作电压不能 传送到终端，或终端有电压，但负载能力很差。( 低压脉冲测试时，故障有反 射且反射波与发射波同相) 低阻绝缘故障：按照过去工程实践的惯例，凡是电缆故障点的残余绝缘 - 5 电阻小于1 0 倍电缆特性阻抗的电缆绝缘故障称为低阻绝缘故障。有时把故障 点残余绝缘电阻接近零的故障称为短路故障( 低压脉冲测试时故障有反射且反 射波与发射波反相) 。 高阻故障：按照过去工程实践的惯例，把电缆故障点的残余绝缘电阻大 于l o 倍电缆特性阻抗的故障均称为高阻故障( 低压脉冲测试时反射不明显) 。 闪络性故障：试验电压升至某值时，泄漏电流突然升高，监视泄漏电流 的表针间歇性摆动。电压稍下降时，此现象消失，但电缆绝缘仍有极高的阻 值。闪络性故障多是在进行预防性试验时发生，并多出现于电缆中间接头或终 端头内。 表2 - 1 电缆故障性质的分类 t a b l e2 - lt h ec l a s s i f i c a t i o no f c a b l ef a u l tp r o p e r t y 故障性质 量 间隙的击穿情况 开路在直流或高压脉冲作用f 击穿 低阻 小于l oz 0 以不是太低时，可用高压脉冲击穿 高阻 太于1 0z o 高压脉冲击穿 闪络 盲流或高压脉冲击穿 表中z 0 为电缆的波阻抗，电力电缆波阻抗一般在1 0 , - 4 0q 之日j 。以上分类 的目的是为了方便选择故障定位方法。根据目j ； 采用的故障测距技术，开路与 低阻故障可用低压脉冲反射法，高阻故障要用冲击闪络法，而闪络性故障可用 直流闪络法测试。现场人员有把r 1 l o o k n 的故障称为低阻故障的习惯，主要 是因为传统的电桥法可以测量这类故障。”。 据统计，高阻和闪络性故障约占整个电缆故障总数的9 0 ”1 。高阻故障和 闪络性故障是通过试验的方法来区分的。 图2 2 给出了电缆直流耐压试验等效电路，其中b 为试验设备内阻，e 为 设备所能提供的直流电压值，电阻r r 与临界击穿电压为珞的间隙并联代表故 障点。 i 图2 2 电缆直流耐压试验等效电路 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f c a b l ed cv o l t a g ew i t h s t a n dt e s t 6 哈尔演理t 大学- 学硕十学位论文 由图2 2 可知，在对电缆进行直流高压绝缘试验时，电缆击穿前电缆故障 点所分得的电压为 u ：e 丢( 2 - t ) r s + rr 对闪络性故障来说r ，较大，故障间隙两端电压基本上与电源电压e 相同， 当试验电压舞至某一值时，故障点被击穿，电流突然升高，电压突然下降。预 防性试验中发生的故障多属于闪络性故障。高阻故障点电阻r ，较小( 但大于 l o 磊) ，导致故障点两端所加电压不能升高至高于故障点击穿电压，也就不能 使故障点击穿。因此，可以从在对电缆进行高压绝缘试验时有无故障点击穿现 象判断电缆存在高阻还是闪络性故障1 。显然，高阻与闪络性故障的区分不是 绝对的，它与高压试验设备的容量或试验设备的内阻等因素有关。 2 2 电力电缆故障探测的步骤 电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤。 1 电缆故障性质的诊断电缆故障性质的诊断，即确定故障的类型与严重程 度，以便选择适当的电缆故障测距与定点方法。 2 电缆故障测距电缆故障测距又叫粗定位，在电缆的一端使用仪器确定故 障距离，现场上常用的故障测距方法有电桥法和行波法。目前，故障测距装置 的测距误差一般在4 l o 米的范围。 3 电缆故障定点电缆故障定点，又叫精确定点，即按照故障测距结果，根 据电缆的路径走向，在个较小的范围内，利用放电声测法或其它方法确定故 障点的准确位置。 2 3 电力电缆故障探测的方法 长期以来，出现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，各具有优缺点，这里就对各种故障测距与定点方法简单地做一下比较 2 3 1 故障测距的方法 2 3 1 1 电桥法 电桥法是一种经典测试方法。它可分为正接法和反接法。传统的方法是正 7 - 哈印滨理t 大学t 学硕士学位论文 接电桥法，其测试线路的连接如图2 - 3 所示，将放测电缆终端故障相与非故障 相短接。电桥两臂分别接故障相与非故障相，图2 - 4 给出了等致电路图。 图2 - 3 正接电桥法测试线路的连接图 f i g 2 - 3c o n n e c t i o nd i a g r a mo f n o r m a l p o l a r i t yb r i d g em e t h o d e d 图2 4 正接电桥法等效电路图 f i g 2 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f n o r m a lp o l a r i t y b r i d g em e t h o d 设电缆的单位长度的电阻率呢，全长为，一端距故障点的距离为了，则 当电桥调至平衡后，各桥臂之间具有如下关系； 置，是= u + l - x ) r o x r o ( 2 2 ) 推导上式可得 舻器( 2 - 3 ，墨十r 电缆断路故障可用电容电桥测量，原理与上述电阻电桥类似。 该方法的优点是简单、方便、精确度高且操作安全，但该方法的重要缺点 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，电桥回路中电流 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 性故障。在用此方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该方法进行测量的范围，而故障点烧穿是十分困难的工 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 断，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定点。该方法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度 等参数。 反接电桥法可以克服正接法不能测量高阻故障的缺点，它的测试接线及等 效电路图如图2 5 、图2 - 6 所示。实际上就是将正接法中的电源与检流计互换之 后得到的电桥，它对高阻故障定位时，不必对电缆进行烧穿，可以通过加大电 压e 的幅度，使故障点击穿，在击穿的同时就可以对故障进行定位。 8 哈矿滨理丁大学1 二学碰十学位论丈 图2 5 反接电桥法测试线路连接图图2 6 反接电桥法等效电路图 f 唔2 - 5r e v e r s ec o n n e e t i o nd i a g r a mo f f i g 2 - 6e q u i v a l e n tc i r c u i to f n o r m a l b r i d g em e t h o d p o l a r i t yb r i d g em e t h o d 2 3 1 2 低压脉冲反射法 低压脉冲反射法，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。 低压脉冲反射法的优点是简单、直观、不需要知道电线的准确长度等原始 技术资料，但是必须事先知道电缆的波速度，或者事先要对电缆的波速进行测 量( 也可以先进行故障定位，然后再测量电缆的波速度) 。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。 其缺点是不能适用于测量高阻与闪络性故障。 2 3 1 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。 首先使故障电缆在直流高压或脉冲高压的作用下击穿，然后，通过测量放 电所形成的电压脉冲波在观察点与故障点之间往返一次的时间来测距。 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进行测距、测试速度快，虽然测量过程相对与电桥 法而言对操作人员的技术要求比较高，而且，往往测距结果与操作人员的技术 和经验有比较大的关系。但是现代技术的进步j 下在逐步降低这方面的要求。 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得到所需要的测量电压脉冲信 号，仪器与高压回路有直接电耦合，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，由于高压电容对从故障处反射回来的脉冲信号呈 短路状态，需要串联一电阻或电感以产生反射电压波信号，这就增加了接线的 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。 9 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。 2 3 1 4 脉冲电流法 该法是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偶合器测量电 缆故障击穿时产生的电流脉冲信号，消除了仪器与高压回路之间的直接电耦 合，代之以磁耦合来提取故障击穿信号。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也比较容易分辨。 目前，在电力系统中，故障测距绝大多数采用行波测距法。低阻与断路故 障采用低压脉冲反射法，它比电桥法简单直接；测量高阻与 j 络性故障采用脉 冲电流法：两者都是通过脉冲信号在故障点与测量点之间往返一次的时日j 测 距，但前者是主动向电缆发射探测电压脉冲，后者是被动记录故障击穿产生的 瞬闻脉冲电流信号m 。 2 3 15 二次脉冲法 到了2 0 世纪9 0 年代，出现了二次脉冲法( s i m ) 测试技术。其原理是：首先 由回波仪释放一个发射脉冲( 低压脉冲) ，在高阻电缆故障点处不能被反射，而 是在电缆远端被反射回来，回波仪将反映整根电缆长度的“完好轨迹”的反射 波形存储起来。然后，冲击高压发生器向故障电缆施加冲击高压，使电缆故障 点发生闪络，故障点的电弧表现为阻值非常低的电阻。同时回波仪被触发送出 第二个发射脉冲，此加在高压信号上的脉冲将从故障点反射。这样，带自动数 据处理的回波仪存储故障点反射波形，并将“完好轨迹”和故障轨迹进行叠 加，两条轨迹将有一个清楚的错位点。这个错位点就是故障点的反射波形点。 二次脉冲法的优点是：低压脉冲宽度可以调节；较长线路也能记录到清晰的信 号波形。提高测量精度。缺点是：所用仪器较多；由于故障点电阻要降到很小 的数值，如果故障点受潮严重，故障点击穿过程较长，测试时间将相应增加； 故障点维持低阻状态的时间不确定，施加二次脉冲的具体时刻的控制有相当大 的技术难度。 最近，奥地利的b a u r 公司又推出了多次脉冲法( m i m ) 测量技术。其原理 与二次脉冲法相近。在此方法中，回波仪使用2 0 0 m h z 的实时记录仪，仅使用 一个高压脉冲就能够同时记录5 个显示故障的测量脉冲，仪器对多咏冲的波形 进行优化，“故障”和“良好”的轨迹将自动同时显示在回波仪上。两条轨迹 在故障点有明显的错位，距该点的距离可以由光标的移动即刻测出。 1 0 哈尔漳理- 大学丁学硕+ 学位论文 2 3 2 精确定点的方法 电缆故障的精确定点是故障探测的关键。目前，比较常用的方法是冲击放 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 障点附近环境因素复杂，如振动噪声过大、电缆埋没深度过深等造成定点困 难，成为影响快速、准确找到故障点的主要因素。 2 3 2 1 冲击放电声测法 用声测法定点时，首先要用一个能使故障点产生规则放电的装嚣，使故障 点放电。然后，在粗测所得的故障点位置的前后，用接收故障点放电声响的装 置( 即定点仪) 来确定故障点的精确位置。放电声最大处，即为电缆故障点所在 的位置。应用这种方法进行定点时，有时会因为无法区分声音的大小差别而导 致定点不能进行的情况产生。而且，有时还会因为比较大的背景噪声而便定点 难以进行。 2 3 2 2 声磁同步法 声磁同步法是声测法的改进方法，就是利用电磁波和声波的接收能否同步 来判断故障放电，主要是为了消除比较大的背景噪声的影响。如果能听到振动 声波的同时，又显示出故障点放电电磁波的存在，则说明听到的振动波是可信 的，故障点就在附近。 2 3 2 3 声磁传播时间差法 在实际测量中，哪一点的信号最强并不很明显，这就会给故障定点带来困 难。声磁传播时间差法就是通过检测放电时所产生的电磁信号与声音信号到达 测量仪的时间差来对电缆故障定点。时间差最小的位置即为故障点所在位置。 只要仪器能够接收到放电声波和放电电磁波，并显示两种信号的时间差，就可 以判断测量点距故障点的远近。这是一种比较理想的定点方法。 2 3 24 音频感应法 音频感应法一般用于探测低阻故障。探测时，用音频信号发生器向待测电 缆通入音频电流，发出电磁波；然后，在地面上用探头沿待测电缆路径接收电 缆周围电磁场变化的信号，并将之送入放大器进行放大；而后。再将放大后信 号送入耳机或指示仪表，根据耳机中声响的强弱或指示仪表示值的大小而定出 故障点的位置。这种方法是对上面的三种方法的一个补充，因为在低阻故障的 情形下，要想使故障点发生击穿并产生振动声波是不容易的，特别是当故障点 的残余绝缘电阻很低且稳定时，要想使故障点发生击穿并产生振动声波是非常 困难的。因此，上面的三种方法就不能使用。 2 4 本章小结 本章对电力电缆的故障原因及分类、故障探测的步骤以及故障测距、精确 定点使用的方法进行了阐述，为电力电缆故障探测系统的研制与开发打下基 础。 1 2 哈打滨理t 太学t 学硕十学位论文 第3 章电力电缆故障点行波测距装置的研制 由于行波法具有具有探测速度快、精度高、适应性强等优点，因此该类型 的故障探测装置得到了广泛的应用。 3 1 电缆线路的波过程 3 1 1 长线的基本概念与等效电路 电力电缆是传输线的一种。传输线本身的长度与它所传播的信号波长相比 拟时，称为长线。对电缆中的脉冲电压、电流波而言，其脉冲宽度不足l 螂。 而波在l p s 时间内的传播距离仅2 0 0 m 左右，所以有必要把电缆线路看成长线 来研究电压、电流波的传播过程。 图3 1 为一小段电缆传输线路的分布参数等效电路。它可以看成由许多电 阻r 、电感厶电导g 、电容c 相联接组成，这些元件称为电缆的分布参数。 分布参数电路中的电磁暂态过程属于电磁波的传播过程，简称波过程”1 。 图3 i 电缆分布参数等效电路 f i g 3 一ic a b l ee q u i v a l e n tc i r c u i to f d i s t r i b u t i o np a r a m e t e r 图3 - 2 无损线等效电路 f i g 3 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f n ol o s sc a b l e 当信号电流流过每一段电路上的串联电阻置与电感工时，就会产生电压 降，信号电流在每一段线路上还会通过电容c 与电导g 从中途返回。为了更 清晰地分析波过程的物理本质和基本规律，一般暂时忽略线路的电阻和电导损 耗，即令r = g = o ，则线路称为无损耗线路，其单位长度上电容、电感值分别 用c 0 与厶表示，等效电路如图3 2 所示。 分布参数线路上任一点电压、电流值实际上是许多个向两个不同的方向传 播的电压、电流波数值的代数和。这些电压、电流波以一定的速度运动，因此 称为行波。把运动方向与规定方向致的行波，称为j 下向行波，而把运动方向 1 3 与规定方向相反的行波称为反向行波。 3 1 2 电缆中的波速与波阻抗 3 1 2 1 波速度 在图3 - 3 q a ，t - - 0 时电缆首端合闸于直流电压源e 。t = 0 以后，近处的电容 a c 立即充电；而远处的电容由于电感的存在需要一段时间才能充上电，并向 更远处的电容放电。即一个电压波以一定的速度沿工方向传播，在导线周围逐 渐建立起电场。同样，由于电容的充电在电感中也有一个电流流过，所以也有 一个电流波同时沿x 方向传播，在导线周围逐步建立起磁场。电压波与电流波 沿线路的流动就是电磁波沿线路传播的过程。 图3 3 无损线上的波过桴 f i g 3 3w a v ep r o c e s so f n ol o s sl i n e 设单位长度线路的电感和电容分别为三。和c o ，在某一时刻电磁波到达工 点，则长度为并的导线电容为c o x ，此电容充电到u = e ，即获得电荷c o x u ，这 些电荷是在t 时间内经电流波f 传过来的，因此 c o r u = i t( 3 - 1 ) 另一方面在t 时间内，长度为x 的导线上已有电流f ，电感为三晦，产生的磁 链为l o x i ，这些磁链是在t 时间内建立的，导线上的感应电势为 “= i - o x i t ( 3 2 ) 由式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 消去“和i ，可得流动波的传播速度： v ：三：上( 3 - 3 ) t 上o c o 经分析后可知“1 1s v 2 了雳 = f ( 3 - 4 ) q l 、i r 蜥 、? 式中卜光的传播速度，s = 3 x1 0 s 米，秒： ，一电缆芯线周围介质的相对导磁系数： 1 4 广 f 哈尔泞理t 大学t 学砂+ 学位论文 岛电缆芯线周围介质的相对介电系数。 可见，电缆中波速度v 与电缆的绝缘介质性能有关，而与导体的芯线的材 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，其波速 是不变的。 经过测量可知，对于油浸纸绝缘电缆，v = 1 6 0 m i t s ；塑料电缆， v = 1 7 0 1 8 0n l u s ；橡胶电缆，v - z 2 2 0 m g s 。1 。 3 1 2 2 电缆的波阻抗 电缆中的电压波在向前运功时，对分布电容不断充电产生伴随的向前运动 的电流波，一对电压、电流波之间的关系，用波阻抗( 也称特性阻抗) 来描述。 由式( 3 - 1 ) 和( 3 - 2 ) 消去时间t ，可得到同一时刻同一地点同一方向电压波与 电流波之比 z 0 = u i = 厶c o ( 3 - 5 ) 上式中，z o 即为电缆线路的波阻抗，它为一实数，具有电阻的量纲。o 、 c 0 除与电缆所用介质材料、介电系数与导磁系数有关外，还与电缆芯线的截面 积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 。 图3 - 4 电缆上的电压行波与电流行波 f i g 3 - 4v o l t a g ew i i v ea n dg t t r t e n tw a v eo f t h ec a b l e 电压波和电流波数值之间的关系是通过波阻抗z 相联系的。但不同极性的 行波向不同的方向传播，需要规定一个正方向。规定电压波的正负号只决定于 导线对地电容上电荷的正负号，与运动方向无关，并规定沿工正方向运动的与 正电荷对应的电流波为正方向。于是得到如图3 - 4 所示的结果：在此前提 下，前行波w 与f ，总是同号，而反行波 6 与瑶总是异号，即 ：z ( 3 - 6 ) i ， 1 5 哈尔滨理j 大学t 学硕十学位论文 3 1 3 波的反射与折射 丝：一z b ( 3 7 ) 当电缆中出现故障时，故障点等效阻抗与电缆波阻抗不相等，就会出现阻 抗不匹配的情况。当行波运动到阻抗不匹配点时，会产生全部或部分反射，出 现行波回送现象。在低电阻故障( 故障点电阻不为零时) ，还会有行波折射现 象，即有一部分行波越过故障