吳雙雙， 柏文琦， 楊宇祥， 何 凱

（1.湖南省計(jì)量檢測研究院， 長沙 410014； 2.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院， 長沙 410081）

0 引 言

電纜作為重要的通信和電能傳輸基礎(chǔ)性部件被譽(yù)為國家經(jīng)濟(jì)的“神經(jīng)”和“血管”。 為保證電纜運(yùn)行安全可靠、安裝更換方便，以及市容美觀，電纜大多采用直埋敷設(shè)的方式。 地下惡劣的環(huán)境、過負(fù)荷的使用，以及自然老化都容易導(dǎo)致電纜發(fā)生故障［1］。 電纜所具有的隱蔽性導(dǎo)致故障難以被直接觀測，因此，電纜故障的精確定位對于保障國家和社會安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 電纜故障原因及分類

電纜出現(xiàn)故障的原因［2?3］包括：電纜本身的質(zhì)量問題、試驗(yàn)過程導(dǎo)致的故障、安裝施工質(zhì)量問題、外部原因?qū)е碌碾娎|故障、管理不善導(dǎo)致的故障等。

（1）電纜本身的質(zhì)量問題：電纜的生產(chǎn)工藝控制不嚴(yán)格、電纜壓接力度不夠或者位置存在偏移、電纜產(chǎn)品質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)、存在損傷等都會導(dǎo)致電纜發(fā)生故障。

（2）試驗(yàn)過程導(dǎo)致的故障：采用了超出電纜適用范圍的試驗(yàn)方法（如交流電纜進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)），長時(shí)間施加超出試驗(yàn)電壓范圍的高電壓等。

（3）安裝施工質(zhì)量問題：在制作電纜的中間接頭和導(dǎo)體連接管時(shí)密封不良、敷設(shè)電纜時(shí)因野蠻拖拽使絕緣護(hù)套受損，導(dǎo)致電纜長期暴露在潮濕的空氣中，嚴(yán)重時(shí)會引起電纜的絕緣內(nèi)部大面積進(jìn)水，最終發(fā)生事故。

（4）外部原因?qū)е碌墓收希哼\(yùn)行過程中，牽拉或者基礎(chǔ)沉降使電纜受到外力的沖擊，導(dǎo)致電纜金屬形變、護(hù)套損傷，引發(fā)電纜故障。

（5）管理不善導(dǎo)致的故障：電纜溝槽長期積水或者土層受化學(xué)物質(zhì)污染，電纜環(huán)境呈現(xiàn)酸性或者堿性，使得電纜護(hù)套耐壓和阻抗發(fā)生變化，引發(fā)絕緣故障。 電纜長期運(yùn)行，發(fā)熱會加速電纜有機(jī)絕緣層老化，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)短路故障，甚至引起火災(zāi)。

根據(jù)故障性質(zhì)對電纜故障進(jìn)行分類，可分為開路故障、低阻故障、短路故障、高阻故障［4?5］。 ①開路故障：電纜對地絕緣可以滿足絕緣電阻要求限制，電壓不能通過電纜傳輸至另一端，或者電纜只能提供極小的帶載能力，不能滿足系統(tǒng)的負(fù)載要求。 ②低阻故障：電纜故障點(diǎn)的絕緣電阻明顯低于該電纜應(yīng)有的特征阻抗值。 ③短路故障：電纜故障點(diǎn)的絕緣電阻趨近于零或者小于一定限值。 ④高阻故障：電纜絕緣電阻明顯超出電纜應(yīng)有的特征阻抗。 閃絡(luò)性故障是高阻故障的一種間歇性故障方式，不易被發(fā)現(xiàn)。 通常電纜進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)施加一定電壓時(shí)，電纜被擊穿，當(dāng)電壓下降到一定值時(shí)，絕緣性能自行恢復(fù)。

電纜故障類型與故障點(diǎn)處的電阻（Rf）關(guān)系見表1，表 1 中Z0為電纜的特征阻抗，一般不超過40 Ω。

表1 電纜故障類型

2 傳統(tǒng)電纜故障測試方法

2.1 阻抗法

阻抗法電纜故障測試方法按照原理可以分為電橋法、聲磁同步法、音頻感應(yīng)法。

2.1.1 電橋法

阻抗法的經(jīng)典測試方法是電橋法［6］，通過電橋平衡原理，測量到故障點(diǎn)的線路電阻，代入相關(guān)參數(shù)，求解定位方程對故障點(diǎn)進(jìn)行定位。 電橋法測試電路及等效電路見圖1。

圖1 電橋法測試電路及等效電路

該方法的原理是：通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2使流過檢流計(jì)的電流為零，這時(shí)A、B兩點(diǎn)之間的電壓為零，電橋處于平衡狀態(tài)。 根據(jù)電橋平衡原理可得R1／R2＝R3／R4。 設(shè)電纜長度為S，電纜故障點(diǎn)與電纜末端的距離為S0，電纜故障點(diǎn)到測量端的距離為Sx，設(shè)電纜單位長度電阻為r，按照式（1）、式（2）、式（3）可計(jì)算出故障位置：

由式（1）、式（2）可得：R3／R4＝r（S + S0）／rSx

電橋法在電纜故障檢測中的使用較為廣泛，應(yīng)用也較為成熟，但存在以下缺點(diǎn)：

（1）高阻和閃絡(luò)性故障的電阻較大，電橋電流相當(dāng)微弱，測量難度較大。

（2）對環(huán)境及連接要求高，不太適用于在線測試。

（3）需要電纜的固有參數(shù)，此外，使用過的電纜固有參數(shù)存在偏差，為電橋法的使用帶來了很多的不確定性。

2.1.2 聲磁同步法

在施加高壓脈沖信號后，電纜故障點(diǎn)會被擊穿，產(chǎn)生的脈沖電流感應(yīng)出脈沖電磁場［7］。 磁場傳播速率接近于光速，遠(yuǎn)大于放電產(chǎn)生的聲音信號的傳播速率。 同步采集到達(dá)地面的電磁場信號和聲音信號，計(jì)算信號到達(dá)的時(shí)間差。 當(dāng)信號到達(dá)的時(shí)間差最小時(shí)，可以認(rèn)為該信號發(fā)出點(diǎn)是最接近于故障點(diǎn)的位置［8］。

2.1.3 音頻感應(yīng)法

音頻感應(yīng)法主要是采用電聲轉(zhuǎn)換技術(shù)，用于電纜路徑探測。 通過將音頻信號施加在兩根電纜之間或者電纜與屏蔽層之間，將電纜遠(yuǎn)端短路［9］。 通過接收天線接收電纜產(chǎn)生的音頻磁場，將接收到的信號通過電聲轉(zhuǎn)換為聲音信號，可以通過耳機(jī)直接聽取聲音大小，也可以通過示波器等儀器直接觀測信號的波形和幅值，準(zhǔn)確定位電纜的路徑。

2.2 行波法

2.2.1 高壓脈沖法

高壓脈沖法也叫沖閃法，其基本原理是，將高壓直流或者脈沖高壓信號施加在電纜上，當(dāng)電纜故障點(diǎn)被擊穿后，會在電纜上產(chǎn)生信號反射［10］。 采集入射信號和反射信號的時(shí)間差，代入波速即可計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。 該方法設(shè)備簡單，測試速率快，影響小，在甄別和定位高阻故障和閃絡(luò)性故障時(shí)被大量使用。 但該方法存在高電壓操作危險(xiǎn)，容易損壞測試儀器和設(shè)備，有高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 脈沖電流法

脈沖電流法是在高壓脈沖法的基礎(chǔ)上提出來的，其基本原理是，高壓擊穿電纜故障點(diǎn)時(shí)會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，此時(shí)，安裝在電纜終端的高頻電流互感器會采集故障點(diǎn)生成的放電脈沖信號，得到信號往返電纜測試端到故障點(diǎn)的時(shí)長，最后根據(jù)波速來確定故障點(diǎn)在電纜中所處的位置［11?12］。 該方法無須接觸高壓電路，不會危及操作人員的生命安全，但是該方法只能在提前得知故障類型的情況下使用，使用范圍很窄，其主要用于高阻故障和閃絡(luò)性故障中進(jìn)行距離定位。

2.2.3 二次脈沖法

為了克服高壓脈沖法和脈沖電流法的局限，提出了二次脈沖法（SIM）［13］。 首先向待測電纜發(fā)射一個(gè)低壓脈沖，信號遇到故障點(diǎn)會發(fā)生反射，記錄下反射信號的波形信息。 然后逐漸提高脈沖信號電壓，使被注入脈沖的電纜故障點(diǎn)被擊穿，此時(shí)故障點(diǎn)會出現(xiàn)并維持約幾百微妙的低阻狀態(tài)。 在此狀態(tài)下，向電纜注入低壓脈沖信號，信號遇到故障點(diǎn)會發(fā)生發(fā)射，記錄下反射信號的波形信息。 通過比較兩次反射信號的波形信息即可確定故障點(diǎn)。 該方法測距準(zhǔn)確性較高且易操作，但所需的測量儀器較多、檢測流程繁瑣且難以把握閃絡(luò)故障維持的時(shí)間，增大了測量的不確定性。

3 基于反射法的電纜故障測試方法

反射法因無須建立模型，且測量方法簡便快捷、準(zhǔn)確而成為首選技術(shù)。 依據(jù)探測信號的不同，反射法可分為：時(shí)域反射法（TDR）［14?15］、時(shí)頻域反射法（TFDR）［16?17］、擴(kuò)展頻時(shí)域反射法（SSTDR）［18?19］，以及混沌時(shí)域反射法 （CTDR）［20?23］。

3.1 時(shí)域反射法

時(shí)域反射法的工作原理見圖2。 其原理為：向故障電纜注入低壓脈沖信號，信號遇到阻抗不匹配的點(diǎn)會發(fā)生反射。

圖2 時(shí)域反射法的工作原理

由行波的傳輸理論可知，故障點(diǎn)處的反射系數(shù)Г按照式（4）計(jì)算：

式中：Z0為電纜故障點(diǎn)的阻抗，Ω；ZL為電纜的特征阻抗，Ω。 反射情況分以下類型：

（1）電纜正常：無故障：Z0＝ZL，Г＝0；

（2）電纜開路：Z0＝∞，Г ＝1，信號發(fā)生全反射，且入射信號與反射信號的極性相同；

（3） 電纜短路：Z0＝0，Г ＝-1，信號發(fā)生全反射，且入射信號與反射信號的極性相反。

測得入射信號與反射信號的時(shí)間差t，若已知信號在電纜中的傳播速率為v，則測試點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離l＝vt／2，信號在電纜中的傳播速率可表示為：

式中：T為信號在電纜中的傳輸時(shí)間，s；L為高頻時(shí)傳輸線分布電感，H；C為傳輸線分布電容，F(xiàn)；c0為光速，m·s-1；ε為電纜芯包絡(luò)介質(zhì)的相對介電系數(shù)；μ為電纜芯包絡(luò)介質(zhì)的相對導(dǎo)磁系數(shù)，不同規(guī)格的電纜受材料和尺寸影響系數(shù)不同。

TDR 實(shí)現(xiàn)簡單，且對電纜無損害，但是在測量過程中容易產(chǎn)生噪聲信號的疊加，給反射信號提取帶來困難，且測試信號隨著傳播距離的增大，衰減也會逐漸增大，很難識別反射信號，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差很大［24］，在實(shí)際工作中無法檢測高阻故障。

3.2 時(shí)頻域反射法

TDR 的單域分析方法常受到分辨率的限制，而TFDR 綜合考慮信號在時(shí)域和頻域范圍內(nèi)的特性，向電纜中注入高斯包絡(luò)調(diào)頻信號，利用Wigner 算法對入射信號和反射信號進(jìn)行時(shí)頻分析，得到故障信息，從而確定故障位置和故障類型［25?26］。

TFDR 采用的高斯包絡(luò)調(diào)頻信號s（t）由式（6）表示：

式中：t0為調(diào)頻信號，s；ω0為頻率中心，Hz；α為持續(xù)時(shí)間，s；β為帶度，% 。 調(diào)頻信號由t0、ω0、α、β決定。

其傅里葉變換S（ω） 可表示為：

在文獻(xiàn)［27］和文獻(xiàn)［28］中，通過式（8）、式（9）來表示調(diào)頻信號的參數(shù)：

式中：Ts為信號時(shí)長的標(biāo)準(zhǔn)偏差；Bs為信號的帶寬。對于入射信號的參數(shù)可以根據(jù)待測電纜的長度和信號發(fā)生器的輸出范圍自行選擇。

入射信號s（t）的 Wigner?Viller 時(shí)頻由式（10）表示：

對入射信號和反射信號利用時(shí)頻互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算Csr，由式（11）計(jì)算：

對Csr進(jìn)行歸一化處理，首端反射和故障點(diǎn)反射兩個(gè)局部峰之間的時(shí)間差Δt即為故障測距時(shí)間，則電纜故障距離l為：

式中：v為電纜中信號的傳播速率，m·s-1。 雖然TFDR 能實(shí)現(xiàn)高精度的故障定位，但是高斯包絡(luò)調(diào)頻信號對電纜中的信號形成干擾，因此，不能實(shí)現(xiàn)在線檢測［27］。

3.3 擴(kuò)展頻時(shí)域反射法

SSTDR 作為一種單端檢測方法，它的測試信號是采用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制的PN 序列。經(jīng)過調(diào)制后的信號可以提高信號相關(guān)的信噪比，提高抗干擾和濾除噪聲的能力，且不會干擾電纜中的正常信號。 SSTDR 將調(diào)制后的 PN 序列x（t）注入電纜，信號通過阻抗不匹配的節(jié)點(diǎn)時(shí)會發(fā)生明顯反射，考慮加性噪聲n（t），接收到的反射信號為：

式中：ak為發(fā)射信號的衰減系數(shù)；為信號在測試電纜中的傳輸延遲時(shí)間，s。

將反射信號y（t）與參考信號x（t-ti）（ti為系統(tǒng)延時(shí)估計(jì)值）做相關(guān)：

式中：T為 PN 序列的周期，s；n（t）與參考信號不相關(guān)，該項(xiàng)的積分可認(rèn)為是零；根據(jù)偽隨機(jī)序列的原理，當(dāng)反射信號與入射信號的相位一致時(shí)，只有一個(gè)信號峰值，此時(shí)該時(shí)間即為反射信號的延時(shí)時(shí)間。

SSTDR 使用的偽隨機(jī)信號具有高斯白噪聲均值為零的特點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)且不會對電纜中的工作信號產(chǎn)生干擾，適合用于在線檢測［28］，但是檢測范圍受碼周期的限制，需要價(jià)格昂貴的偽隨機(jī)碼發(fā)生器，成本較高［29］。

3.4 混沌時(shí)域反射法

CTDR 利用混沌信號作為電纜故障的檢測信號，不僅消除了TDR 不能在線檢測的弊端，而且價(jià)格低廉，無須昂貴的設(shè)備。 CTDR 的工作原理與STDR 大致相同，只是測試信號有差異。 文獻(xiàn)［22］和文獻(xiàn)［30］利用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的混沌信號作為故障電纜的測試信號，實(shí)現(xiàn)了斷點(diǎn)定位、阻抗失配測量，以及在線測量。 但是受到色散的影響，混沌信號的寬頻空間分辨率會隨著探測距離的增加而惡化。 文獻(xiàn)［23］利用簡單的布爾電路代替復(fù)雜的光電器件產(chǎn)生混沌信號，并采用文獻(xiàn)［31］的曲線擬合方法改善了隨著測量距離增加色散使反射相關(guān)峰變寬導(dǎo)致空間分辨率變差的問題，實(shí)現(xiàn)了對最大故障距離1 992 m、空間分辨率0.1 m 的開路和短路故障定位［32］。 然而，非線性電路產(chǎn)生 CTDR 所需的混沌信號，其輸出信號的功率譜振蕩明顯，自相關(guān)曲線的主峰附近存在較高旁瓣。 當(dāng)對較勁的故障電纜進(jìn)行檢測時(shí)，旁瓣作為“鬼峰”會給測量結(jié)果引入誤判［27］。 文 獻(xiàn) ［22］研究了 100 m 的故 障 電 纜在Colpitts 振蕩器不同狀態(tài)下的自相關(guān)特性，探索了適合CTDR 的混沌狀態(tài)。 文獻(xiàn)［23］將經(jīng)典的Colpitts振蕩器與作者改進(jìn)的電路作對比，結(jié)果顯示：在混沌模式下表現(xiàn)出更高的基頻和更低的峰值旁瓣，可用于高速混沌通信。

4 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)的電纜故障檢測方法已經(jīng)經(jīng)歷了很長時(shí)間的研究和發(fā)展，形成了較為成熟的體系，應(yīng)用于檢測要求較低和低成本的場合［33］。 電橋法和低壓脈沖反射法對低阻故障和短路故障的應(yīng)用效果較好，但是不能進(jìn)行在線檢測，而離線檢測就意味著斷電，這必將浪費(fèi)大量的財(cái)力、物力。 而高阻故障和閃絡(luò)故障在實(shí)際應(yīng)用中多采用二次脈沖法或者高壓脈沖法，這兩種方法在檢測的過程中需要大量的測量儀器且操作步驟繁瑣，尤其沖閃法容易引起高壓介入，危害人生安全。 在測試技術(shù)發(fā)展智能化趨勢下，電纜故障測試將會呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：

（1）現(xiàn)有測試原理與智能辨識技術(shù)的相結(jié)合，可提取更多的信號特征進(jìn)行綜合診斷。 例如將TFDR 與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過定量跟蹤聚類結(jié)果的變化來監(jiān)控電纜的整體狀態(tài)，分析電纜的退化趨勢，從而用于電纜的健康監(jiān)控。

（2）新能源技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用，直流應(yīng)用場景下電纜的缺陷機(jī)理與交流應(yīng)用場景下電纜的缺陷機(jī)理有差別，檢測方法差異需要進(jìn)一步去研究和探索。

（3）全方位電纜故障在線監(jiān)測和全自動故障測距相結(jié)合是未來的發(fā)展趨勢。 這包括對電纜的運(yùn)行狀態(tài)、退化程度，以及運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)能夠自動定位故障位置，實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)、動態(tài)監(jiān)測。

（4）針對電纜的不同故障，研究各種具有代表性的電纜本體和附件結(jié)構(gòu)下典型絕緣缺陷的時(shí)域、頻域特性，提取故障特征阻抗指紋，構(gòu)建電纜缺陷校準(zhǔn)指紋庫，為反射法阻抗分析的電纜故障測試儀器的校準(zhǔn)提供依據(jù)。