王 巍， 劉石川

(1.鄂爾多斯電業(yè)局，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000;2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

0 引言

電力電纜故障的檢測(cè)是一個(gè)世界性的課題。上個(gè)世紀(jì)30年代，國(guó)外刊登了一篇論文《電纜中擊穿點(diǎn)之故障探測(cè)》，首先提出了用高壓沖擊來(lái)使故障點(diǎn)放電，用沖擊電流表粗測(cè)電纜故障的論點(diǎn)，這一觀點(diǎn)為以后電纜檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和手段的豐富奠定了基礎(chǔ)。電纜故障檢測(cè)設(shè)備是伴隨著先進(jìn)電子技術(shù)的出現(xiàn)而誕生的。電纜故障檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。上個(gè)世紀(jì)七十年代以前，主要是采用電橋法和低壓脈沖法(又稱(chēng)時(shí)域反射法)，電橋法及低壓脈沖測(cè)距法在測(cè)量電纜的接地故障和開(kāi)路故障方面，可以說(shuō)是相當(dāng)完善了。然而對(duì)于高阻故障(泄露高阻和閃絡(luò)高阻)的尋測(cè)，采用上述方法則是無(wú)能為力的，必須另辟蹊徑。盡管后來(lái)又出現(xiàn)了用高壓電橋(輸出高壓10kV)測(cè)高阻故障，但大多還需“燒穿”，故障可測(cè)率很低。

本文在分析了電纜故障診斷傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)各種技術(shù)的應(yīng)用詳細(xì)闡述，討論了未來(lái)在電纜測(cè)試診斷技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，具有很好的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 電纜故障測(cè)試技術(shù)的發(fā)展

通過(guò)引言介紹，我們知道電橋法實(shí)質(zhì)上只能解決電纜部分故障的測(cè)試。而電纜的故障千奇百怪，三相全壞的情況常有發(fā)生。為了解決諸多難題，，在西安電子科技大學(xué)科研人員的努力下，我國(guó)才有了真正意義上的電纜故障檢測(cè)儀。儀器的基本原理應(yīng)用了微波傳輸(雷達(dá)測(cè)距)理論，即脈沖法。無(wú)論低壓脈沖法還是高壓脈沖法均是依據(jù)微波在“均勻長(zhǎng)線(電纜)”傳輸中，因其某處(故障點(diǎn))特性阻抗發(fā)生變化對(duì)電波的影響來(lái)微觀地分析電波相位、極性及幅度等物理量的變化，來(lái)測(cè)得電波傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)的時(shí)間再計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。即:

式中，v為電波在不同介質(zhì)電纜中的傳輸速度;t為電波從始端到故障點(diǎn)再返回始端的時(shí)間。

1.1 脈沖回波返射法之電子管、晶體管階段

我國(guó)第一臺(tái)電纜故障檢測(cè)儀DGC—711可以等同于一臺(tái)示波器，其電路與一般脈沖示波器相似，不同的是采用了貯能示波管。利用其可有限保持瞬時(shí)暫態(tài)信號(hào)波形的特性來(lái)觀察故障點(diǎn)放電時(shí)的電壓波形，拍照記錄再分析照片上的波形，以此計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。其原理圖如圖1所示。

基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，DGC—711全部由分立元件組裝而成，因此，各項(xiàng)功能均采用手動(dòng)切換。做高壓脈沖測(cè)試時(shí)(閃絡(luò))取樣方式采用電阻分壓法。

圖1 DGC—711閃測(cè)儀基本原理框圖

1.2 單片機(jī)用于故障檢測(cè)階段

上世紀(jì)90年代初期，國(guó)內(nèi)電纜故障檢測(cè)儀在電路設(shè)計(jì)中大多采用了CPU處理器、高速的A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)編程控制等新技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化。其基本原理和連線見(jiàn)圖2。

圖2 電纜測(cè)試儀基本原理框圖

與第一代電纜故障測(cè)試儀相比，此階段電纜故障檢測(cè)儀在信號(hào)處理技術(shù)上是一個(gè)大的飛躍。它充分利用微處理器龐大的數(shù)據(jù)處理功能及豐富的軟件，徹底改變了原來(lái)用貯存示波管觀察瞬態(tài)模擬波形，用人工估讀故障波形距離的傳統(tǒng)方法，做到了一次采樣獲得的瞬態(tài)波形可以永遠(yuǎn)顯示、保存，并且用光游標(biāo)自動(dòng)跟蹤故障特征波形，自動(dòng)換算故障點(diǎn)距離，自動(dòng)數(shù)字顯示，自動(dòng)打印等。還可以根據(jù)不同種類(lèi)的電纜電波傳輸速度自動(dòng)修正測(cè)試距離?；旧蠈?shí)現(xiàn)了電纜故障測(cè)試半自動(dòng)化、半智能化。

1.3 計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)階段

新世紀(jì)伊始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電腦走進(jìn)了千家萬(wàn)戶。人們不再滿足于儀器的“簡(jiǎn)單”使用，于是就出現(xiàn)了信號(hào)采集和顯示、分析等功能的分解。即通過(guò)前置器采樣信號(hào)并處理后送入筆記本電腦，在電腦上顯示波形，采用專(zhuān)用軟件完成對(duì)波形的分析、存取、閱讀、比較等，給出最終的結(jié)果。

1.3.1 技術(shù)的進(jìn)步

這一時(shí)期的產(chǎn)品在采樣頻率提高到最高達(dá)40 MHz，大大提高了儀器的響應(yīng)速度和分辯率，儀器的操作已趨鼠標(biāo)化。測(cè)試距離最大到40 km，測(cè)試盲區(qū)15 m左右。同時(shí)儀器采用了高集成化及SMT(表面貼裝)技術(shù)，更加小巧，便攜、可靠。軟件方面由匯編語(yǔ)言過(guò)渡到高級(jí)語(yǔ)言編程，工作平臺(tái)升級(jí)為Windows系統(tǒng)，軟件功能強(qiáng)大而豐富，使人機(jī)對(duì)話進(jìn)一步友好。由于采樣頻率的提高(40 MHz)和信號(hào)采集技術(shù)的創(chuàng)新，新的取樣方式感應(yīng)式應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試與高壓完全隔離，人身的絕對(duì)安全。其原理圖如3所示。

圖3 智能電纜儀原理框圖

1.3.2 測(cè)試波形的改變

第一、二代電纜故障檢測(cè)儀采用高壓分壓，電感取波形(沖L法)方式，即電壓取樣法(見(jiàn)圖4)。在故障點(diǎn)擊穿時(shí)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)LC的振蕩電路，所以故障點(diǎn)放電的電壓波形往往是疊加在余弦大振蕩波上，并且很容易被淹沒(méi)。改用新一代檢測(cè)儀及感應(yīng)法取樣后波形基本處于同一水平基線，而且會(huì)反映出多個(gè)周期，分析時(shí)可選取更為理想的一個(gè)周期波形，使人為的讀數(shù)誤差減至最小。同時(shí)增加了同屏雙波形顯示，即測(cè)試區(qū)域放大波形及全貌波形同時(shí)記錄、顯示，加之現(xiàn)有的各種比較波形功能，使用起來(lái)將更加容易、快捷。特別是實(shí)時(shí)波形的打印功能，解決了測(cè)試波形歸檔保存的難題，方便以后的查閱、分析。

圖4 第一、二代儀器高壓脈沖法測(cè)試波形

1.3.3 定點(diǎn)儀技術(shù)的改進(jìn)

由于電纜故障點(diǎn)在被擊穿后產(chǎn)生電磁波和聲波，因此傳統(tǒng)方法是接收兩者信號(hào)并處理放大，通常電磁波強(qiáng)度用指針式電壓表指示，聲波則通過(guò)耳機(jī)輸出，兩者均為最大(強(qiáng))時(shí)即為故障點(diǎn)，這種接收技術(shù)被稱(chēng)為“聲磁同步”法。其原理圖如圖5所示。

定點(diǎn)儀新技術(shù)中對(duì)電磁波進(jìn)行了更細(xì)的分解。由于電磁波在空氣中的傳輸速度比聲波快，通過(guò)計(jì)時(shí)電路記錄兩者到達(dá)的時(shí)間再經(jīng)邏輯運(yùn)算給出故障點(diǎn)距離。即:

圖5 定點(diǎn)儀原理框圖

另一種方法則是通過(guò)對(duì)瞬時(shí)電磁波及聲波信號(hào)進(jìn)行整理后顯示出波形(如圖6)，在二者波形起點(diǎn)重合時(shí)即認(rèn)為此處為故障點(diǎn)位置。

圖6 依據(jù)波形判別故障點(diǎn)示意圖

2 電纜故障測(cè)試的方法

2.1 低壓脈沖法

低壓脈沖法是依據(jù)微波傳輸理論(雷達(dá)原理)，在電纜故障相上加一脈沖信號(hào)，當(dāng)電波傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)時(shí)必然有部分反射回來(lái)，通過(guò)分析入射波與反射波的時(shí)間差，計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。由于輸出的信號(hào)電壓低(通常為150V)很安全，因此，被稱(chēng)作低壓脈沖法。此方法可用來(lái)測(cè)量電纜的低阻故障、開(kāi)路故障、電纜長(zhǎng)度以及部分中間接頭的位置。其波形規(guī)律如圖7。

圖7 開(kāi)路故障及全長(zhǎng)低壓脈沖法測(cè)試波形

電纜只有在充分放電后，才能使用脈沖法進(jìn)行測(cè)量。開(kāi)路、全長(zhǎng)反射波與起始波同極性。當(dāng)?shù)妥瓒搪饭收蠒r(shí)，波形中不出現(xiàn)全長(zhǎng)反射波。電纜的中間接頭的反射波一般與發(fā)射波同極性，偶爾也出現(xiàn)負(fù)性，脈沖幅度要比故障點(diǎn)或電纜終端的反射脈沖幅度小;T型接頭反射波與發(fā)射波反極性，且幅度較大。

2.2 高壓脈沖法

高壓脈沖法可測(cè)所有類(lèi)型的故障，尤其對(duì)泄漏高阻更為有效。電纜所加的沖擊電壓大小應(yīng)以故障點(diǎn)能充分閃絡(luò)放電，儀器能記錄到理想的沖閃波形為好，切勿一開(kāi)始就將球隙調(diào)得很大。若故障點(diǎn)放電困難，應(yīng)盡可能地加大貯能電容容量或提高沖擊電壓(增大球隙間距)。但是切勿一直加壓沖閃。圖8、圖9為高壓脈沖法初測(cè)電纜故障接線示意圖與波形圖。

圖8 高壓脈沖法初測(cè)電纜故障接線示意圖

圖9 沖閃法幾種常見(jiàn)典型波形

3 多次脈沖法在電纜故障測(cè)試上的應(yīng)用

綜上所述，二次脈沖法和多次脈沖法概念的提出是建立在高壓閃絡(luò)法中高壓擊穿并使故障點(diǎn)放電這一基礎(chǔ)上的。電纜故障點(diǎn)被擊穿時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧而形成瞬間的短路，呈瞬間低阻故障特性。在燃弧穩(wěn)定階段(或稱(chēng)瞬間低阻區(qū))再在電纜上加一個(gè)低壓脈沖信號(hào)，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)和用低壓脈沖法測(cè)試低阻故障時(shí)相同的波形。把這種在電纜上同時(shí)施加高壓脈沖和低壓脈沖的方法稱(chēng)為二次脈沖法，若低壓脈沖信號(hào)是周期發(fā)送的則稱(chēng)為多次脈沖法。圖10為多次脈沖法原理接線圖。

本文采用FCL-2056M電子式一體化脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高壓多次脈沖信號(hào)，采用FCB-6操作箱，F(xiàn)VT-6/50輕型試驗(yàn)變壓器、FPC-25/12高壓脈沖電容、FCL-2061安全型刻度球隙產(chǎn)生高壓沖擊信號(hào)，對(duì)故障電纜進(jìn)行了波形實(shí)測(cè)。波形如圖11、12所示。

圖10 多次脈沖法測(cè)試接線圖

圖11 多次脈沖法實(shí)測(cè)波形

圖12 多次脈沖法實(shí)測(cè)波形

上述實(shí)驗(yàn)證明，多次脈沖法的另一先進(jìn)性在于它能周期性發(fā)射脈沖信號(hào)，保證了在故障點(diǎn)處于短路電弧狀態(tài)時(shí)必有一個(gè)或多個(gè)反射波回來(lái)，從而顯示出測(cè)試波形。多次脈沖法的測(cè)試基本原理還是傳輸線理論的波反射原理，只是相對(duì)普通高壓脈沖法來(lái)說(shuō)，它用高壓脈沖使故障點(diǎn)形成瞬間短路電弧，在燃弧期間再發(fā)一低壓脈沖到故障電纜，此時(shí)，即可得到高阻故障的低壓脈沖波形，此波形比普通高壓脈沖波形易于判讀，完全如同判讀分析低壓脈沖波形，如再將低壓脈沖測(cè)全長(zhǎng)的波形與之同屏比較顯示，則更加易讀。

當(dāng)在電纜故障相施加沖擊高壓閃絡(luò)時(shí)，故障點(diǎn)經(jīng)歷起弧—弧穩(wěn)定—弧熄滅三個(gè)階段，短路電弧總共持續(xù)約240 μs，只有在弧穩(wěn)定階段(約80 μs)所加的低壓脈沖信號(hào)才真正有效且返回到測(cè)試端。因?yàn)槎搪冯娀≡谄鸹『拖ɑ蓚€(gè)階段均不穩(wěn)定，測(cè)試電路中脈沖儲(chǔ)能電容與放電回路中分布電感形成LC振蕩回路，使芯線上存在幅度很大的衰減余弦振蕩波和故障點(diǎn)擊穿時(shí)在故障點(diǎn)與測(cè)試端來(lái)回反射的脈沖波，波形雜亂無(wú)章。多次脈沖法實(shí)際上也可歸納為高壓閃絡(luò)法的范疇，都是利用故障點(diǎn)在沖擊高壓作用下電弧將故障相和電纜地線短路的特性來(lái)完成測(cè)試的。

4 總結(jié)與展望

總而言之，多次脈沖法電纜儀的先進(jìn)性在于從根本上解決了讀波形難的問(wèn)題，因?yàn)樗鼘_擊高壓閃絡(luò)法中的所有復(fù)雜波形變成了極其簡(jiǎn)單的一種波形，即低壓脈沖法短路故障測(cè)試波形，易識(shí)別易掌握，使用人員稍加理論培訓(xùn)就能達(dá)到快速準(zhǔn)確測(cè)量故障距離的目的。

在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器，用戶操作計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專(zhuān)門(mén)的電子儀器。在真正意義上實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面友好，真正的一機(jī)多功能。由此可見(jiàn)，在今后的發(fā)展中，這種虛擬儀器發(fā)展方向必將成為電纜測(cè)試技術(shù)發(fā)展的主流。

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