技術淺談

            電力電纜故障測試的弧反射法解析

            西安鐵路局西安供電段 徐波

            摘要:介紹了二次脈沖法、三次脈沖法的基本原理,對二者的區別進行了對比,以及應用了三次脈沖法技術的電纜故障測試儀的系統組成。最后對電纜故障測試的一般步驟和在該領域的最新情況以及今后的發展方向進行了展望,從而為生產及供電企業快速準確地查找電纜故障點提供了可以借鑒的方法。

            關鍵詞:電力電纜故障測試、二次脈沖法、三次脈沖法

            電力電纜的大量使用在我國已經有幾十年的歷史,前期使用運行的電纜現在已經進入了衰老期,因此,電纜的故障發生率在近幾年呈明顯的上升趨勢,尋找一種快速而行之有效的電力電纜故障測試方法十分緊迫和必要。

            現在國外內普遍采用的電纜故障方法有行波法電橋法跨步電壓法等等。國內大量采用的低壓脈沖法、高壓沖閃法都是行波法電纜故障測試儀價格如何,這些方法基本能應付電纜的低阻、開路和短路故障,針對這些類型的電纜故障,國外內大都采用也是低壓脈沖法。但實際工作中遇到的故障以高阻故障居多,而各廠家生產的電纜故障測試儀全都沿用傳統的沖擊閃絡法和電流取樣技術。由于其測試波形較為復雜,要求操作使用人員必須訓練有素,而且要有較豐富的現場測試經驗。多數人掌握不了波形分析的要領,難以在現場分析波形和快速準確地排除電纜故障。

            歐美國家在電力電纜的高阻故障定位上的研究比較早,20世紀60 年代就發明了弧反射法,并在電力電纜高阻故障定位上得到了成功的應用,80~90 年代相繼推出了較為成熟的電力電纜故障定位系統。目前國外只有三家公司擁有這樣的弧反射法技術,分別在英國、德國和奧地利。

            可喜的是,經過我國電纜故障儀的使用單位和研制單位的共同努力下,國產的二次脈沖法、三次脈沖法電纜故障測試儀相繼問世,技術達到國際先進水平,打破了國外公司在此領域的壟斷。從綜合對比和實測效果來看,三次脈沖法電纜故障測試儀與國內外同類型的先進儀器在測試方法上無明顯差異甚至優于某些國外品牌的電纜測試儀,而且其操作的簡便程度、測試速度、準確程度、機動性和性能價格比要優于國外產品。

            一、工作原理

            先介紹一下電力電纜的低阻故障和高阻故障。低壓脈沖反射法適用于低阻( 低于10倍波阻抗) 、接地及開路故障,并可以測試電纜的全長和電波在電纜中的傳播速度,當電纜發生低阻或接地故障時,故障點處的等效阻抗應為故障電阻與電纜特性阻抗的并聯。故障電阻越小,反射波形越明顯。當故障電阻為零時為全反射,由于測試端等效阻抗( 測試儀器的輸入阻抗) 大于電纜特性阻抗,所以在測試端產生同極性反射脈沖。而在低阻或接地故障處,由于故障電阻小于電纜特性阻抗,所以入射脈沖進行故障點后產生反極性脈沖,并傳輸到測試端,接收到的反極性脈沖的下降沿就對應故障點的反射波形。當電纜發生開路故障時,故障等效阻抗為故障電阻與電纜特性阻抗的串聯,開路即相當于故障電阻為無窮大,這種情況入射脈沖將形成全反射,在測試端產生同極性反射脈沖,接收到同極性的脈沖的上升沿與故障點的反射波形對應。

            電纜故障測試儀型號選型

            二次脈沖法在電纜故障定位中的應用的工作原理如上圖所示。首先使用一定電壓等級、一定能量的高壓脈沖在電纜的測試端施加給故障電纜,讓電纜的高阻故障點發生擊穿燃弧。同時,在測試端加入測量用的低壓脈沖,測量脈沖到達電纜的高阻故障點時,遇到電弧,在電弧的表面發生反射。由于燃弧時,高阻故障變成了瞬間的短路故障,低壓測量脈沖將發生明顯的阻抗特征變化,使得閃絡測量的波形變為低壓脈沖短路波形,使得波形判別特別簡單清晰。這就是我們稱之為的“二次脈沖法”。接收到的低壓脈沖反射波形相當于一個線芯對地完全短路的波形。將釋放高壓脈沖時與未釋放高壓脈沖時所得到的低壓脈沖波形進行疊加,2個波形會有一個發散點,這發散點就是故障點的反射波形點。這種方法把低壓脈沖法和高壓閃絡技術結合在一起,使測試人員更容易判斷出故障點的位置。與傳統的測試方法相比,二次脈沖法的先進之處,是將沖擊高壓閃絡法中的復雜波形簡化為最簡單的低壓脈沖短路故障波形,所以判讀極為簡單,可準確標定故障距離。

            電纜故障測試儀標準

            相對于二次脈沖法,三次脈沖法電纜故障測試儀采用雙沖擊方法延長燃弧時間并穩弧,能夠輕易地定位高阻故障和閃絡性故障。三次脈沖法技術先進,操作簡單,波形清晰,定位快速準確,目前已經成為高阻故障和閃絡性故障的主流定位方法。三次脈沖法是二次脈沖法的升級,其方法是首先在不擊穿被測電纜故障點的情況下,測得低壓脈沖的反射波形,緊接著用高壓脈沖擊穿電纜的故障點產生電弧,在電弧電壓降到一定值時觸發中壓脈沖來穩定和延長電弧時間,之后再發出低壓脈沖,從而得到故障點的反射波形,兩條波形疊加后同樣可以發現發散點就是故障點對應的位置。由于采用了中壓脈沖來穩定和延長電弧時間,它比二次脈沖法更容易得到故障點波形。相對于二次脈沖法由于三次脈沖法不用選擇燃弧的同步時長,操作起來也跟加簡便。

            二、系統組成

            三次脈沖電纜故障測試儀、續弧反射法中央控制單元、電纜故障測試高壓沖擊單元

            第一部分:三次脈沖電纜故障測試儀

            三次脈沖電纜故障測試儀負責向電纜輸入測量脈沖,并判斷什么時候觸發電路發送測量脈沖最為合適,為保證儀器成功捕捉到故障點的技術關鍵。同時,它還負責把采集到的信號進行濾波,提出其中的有用的測量脈沖。三次脈沖電纜故障測試儀這個部分是整個三次脈沖電纜故障測試儀器的大腦,負責向其他部件發送各種指令,協調各部件的工作,并向操作者提供人機對話的界面。它的主要功能是對測量脈沖進行高速的采樣和記錄,對采集的到信號進行高速的運算分析。對每次采集到的測量脈沖進行高速傅里葉變換分析,成功地捕捉到電纜高阻故障的低壓脈沖波形,便于電纜故障測試人員分析。

            第二部分:中央控制單元

            中央控制單元是高壓脈沖、中壓脈沖和低壓測量脈沖匯合的部件,它對信號的處理直接影響著儀器的測量精度、穩定性以及測量成功的幾率。中央控制單元中的高壓濾波單元可以濾掉高壓脈沖的毛刺,使高壓脈沖變得平滑,并在故障點形成穩定的燃弧、延弧,同時也可減少高壓脈沖對波形記錄分析儀信號采集的干擾。過壓保護單元除了保護著三次脈沖電纜故障測試儀不受高壓脈沖的沖擊之外,還是低壓測量脈沖的分壓采樣的重要部件,是測量脈沖輸出、輸入交互的接口電路。

            中央控制單元是一種連接裝置,用來連接三次脈沖反射儀和高壓脈沖發生器,以便實現高阻和間歇性故障的預定位。通過脈沖發生器三級多次脈沖電纜故障測試儀使用現場的使用和故障點處中央控制器的濾波器的阻塞作用,系統創建了一次閃絡。此閃絡將高阻故障臨時轉變成為低阻故障。這樣,該故障就可以產生一次反射,并很方便地存儲在三次脈沖電纜故障測試儀中。通過對比閃絡前的軌跡線和閃絡過程中的軌跡線,就可以清晰顯示出故障距離。

            第三部分:電纜故障測試高壓脈沖發生器

            電纜故障測試高壓脈沖發生器是該套電纜故障預定位儀的能量提供部分,向外提供高壓高能的電壓脈沖。主要由升壓變壓器、高壓整流二極管、充電電容、放電球隙組成。

            三、弧反射法成功應用的幾大要素

            電纜故障預定位儀要成功的運用弧反射的方法,除了要求研制者熟悉弧反射的原理外,其儀器的硬件性能必須滿足如下幾大要素:

            1、采樣頻率要高。由于測量脈沖在電纜中的傳播速度極快,一般在150~250 m/µs 之間;測量脈沖的寬度很窄,一般在10 ns~10 µs 之間;穩定的高壓燃弧的時間很短,所以要求波形記錄分析儀的采樣頻率很高。故障測試的分辨率除了與脈沖傳播的速度、脈沖寬度有關外,與采樣頻率的高低關系最緊密。高頻采樣才能保證對測量脈沖充分、準時地采集,只要有信號丟失,測量就會失敗。

            2、燃弧要穩定。高壓脈沖加到故障電纜的測試端后,要在高阻故障點形成穩定的燃弧,這是弧反射法應用成功的前提。要形成穩定的燃弧,不僅僅需要很高的電壓和很大的輸出電流,而是需要高壓脈沖有一定大的能量,即是電壓、電流和時間的乘積:Q = U•I•t。不同電壓等級的電纜,其電纜的耐壓能力不同,再者,故障點絕緣情況不同,產生燃弧所需的電壓、電流、能量都不同。還有一點,輸入給電纜的高壓脈沖本身如果已經經過濾波等處理后,其高壓脈沖信號本身就很理想,這也將促成燃弧的穩定。

            3、觸發測量脈沖要適時。在高阻故障點能產生高壓燃弧后,向電纜測試端加入測量脈沖的時間要適時。測量脈沖加入得太早,測量脈沖波頭到達故障點時,燃弧還未產生,測量脈沖會直接行進到電纜終點端頭,波形記錄儀可能接收到來自終點端頭的反射波,甚至接收不到任何反射波;測量脈沖加入得太晚,測量脈沖波頭到達故障點時,燃弧已經結束,波形記錄儀可能接收到來自終點端頭的反射波。這樣,波形記錄儀無法接收到來自故障點的反射波,導致故障定位失敗。這要求儀器的程序處理中心能良好的協調各部件的工作。

            4、信號取樣要準確。在測量脈沖發送適時的前提下,還要保證波形記錄分析儀記錄的是正確的信號。因為電容分壓后電纜故障測試儀招標的信號是高壓脈沖、測量脈沖以及雜波的混合信號,要從其中提取有用的測量脈沖信號,去掉所有的干擾信號。這就要求弧反射濾波儀的處理能力優越。

            5、CPU 運算速度要快。由于波形的行進速度極快,采樣頻率極高,要處理的數據量極大,現場操作人員需要盡快地得到測量波形圖,因此,與之配合的CPU 的存儲、運算速度就相應的要求很高。否則,采樣到的信號就會有丟失,送給波形記錄分析儀的信號數據將不真實、不正確,分析的結果肯定不正確,最后呈現給操作者的波形就會是雜亂的波形,故障的定位就會失敗。

            6、波形記錄儀的抗干擾能力要強。由于電力電纜的故障測試都是在強磁場、高電壓的環境下進行的,對儀器的抗干擾能力要求比較高,不能出現死機、花屏等現象。

            五、結束語

            弧反射法是目前國際上采用的最先進的方法,針對電纜故障定位的其他方法的研究也在緊密地進行之中。隨著我國相關制造技術的提高,國際、國內技術交流的增多,我國的技術人員一定能很好的掌握這項技術,研發出性能更好的電纜故障定位系統,甚至發現更好的電纜故障定位的方法。三次脈沖法電纜故障測試儀的研究成功,代表了國內最高水平及電纜測試的發展趨勢。相信隨著宣傳及推廣,它們會迅速普及到廣大電纜維護者手中,為我國的電力電纜維護做出積極的貢獻。

            六、參考文獻

            1、電纜故障閃測儀原理與電纜故障測量
            陜西科學技術出版社 1993.3
            2、電力電纜故障探測技術
            科匯電氣有限公司 1993.9
            3、“BAUR”、“SEBA”、“HAGENUK.KMT”電纜測試儀器產品說明書
            4、電力電纜故障探測技術
            機械工業出版社 1999.4
            5、全國供用電工人技能培訓教材《電力電纜中級工》
            中國電力出版社 1999.5
            6、《KC-900三次脈沖電纜故障測試儀說明書》
            西安華傲通訊技術公司 2007.11
            7、電纜故障定位中的弧反射法介紹
            南方電網技術研究 2006.7
            8、《FH-8636電纜故障測試儀使用說明書》
            西安方匯電氣有限公司 2005.7

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