行波原理在查找电缆故障点过程中的应用.docx

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行波原理在查找电缆故障点过程中的应用

档案号：

题目：

行波原理在查找电缆故障点过程中的应用

作者：

马强

单位：

青岛钢铁控股集团有限责任公司

2009年11月

行波原理在查找电缆故障点过程中的应用

摘要：

利用电波在电缆传输过程中因故障点的阻抗不同而产生的反射波波形发生突变的特性，再通过判断波形图上突变点和电波在电缆中的传输速度来精确定位电缆故障点距离测试点有多少米。

关键词：

行波反射波波形距离故障类型故障点

前言

随着工厂的飞速发展，供电线路急速增加，而供电线路通道没有及时升级扩容，造成供电线路交叉纵横，层层叠加，堵塞供电线路通道，使通道内严重积水、积淤，同时把支架压垮从而变成利刃。

电缆的运行环境变坏使电缆事故频发，为了充分利用电缆以及及时恢复该电缆的供电状态，需要高效地查找电缆故障的方法，这时利用行波原理来查找电缆故障点的方法以其查找故障点得快速、定位准确等优点成了我们在查找电缆故障点的主要手段。

这篇文章重点是以作者所测试的几个典型波形为例，从理论上解释怎样从波形上分析、确认故障点的距离。

正文

电波在均匀传输线中传播时，传输线中只存在由电源向负载方向传输的入射波。

如果传输线不均匀，即传输线中某一点的特性阻抗发生变化，那么当电波传输到该点后，电波除了继续向负载传输外，还将产生反方向传输并回到电源端，我们把这一反方向传输的电波叫反射波，分别用和表示电压电流反射波。

我们把电波产生反方向传输的现象叫做电波的反射现象。

所谓行波就是入射波和反射波的总称。

为了表示入射波和反射波的关系，以反映传输线的反射特性，我们引入反射系数概念，用表示。

所谓反射系数，是指传输线某一点的反射电压波（或发射电流波）与入射电压波（或入射电流波）之比，

及=/=/

（1）

式中负号是假设电流方向一致，但实际方向相反。

那么传输线的特性阻抗也可表示为=/=/。

（2）

如果传输线中某一点特性阻抗发生变化，其等效阻抗为，那么这一点的电压及电流应为入射电压、入射电流与反射电压和发射电流之和，

即（3）

同时符合欧姆定律，即（4）

联合求解以上公式可得（5）。

通过分析可以得到以下几点：

（1）若=，即传输线中不存在特异点，该点不存在反射波。

（2）若=0，该点短路，=1，称为短路全反射现象，电波传到该点后全部返回电源端，不可能再越过短路点向终端传输。

（3）=∞，该点传输线断线，=+1，=，称为开路全反射现象，电波传到开路点后将全部返回电源端，不可能越过开路点传输。

（4）对传输线的终端点。

若负载为电阻，当=时，=0，传输线不存在反射，电波全部被负载吸收，这种情况即为终端匹配情况；若=0，=1，电波在终端产生反极性全反射；若=∞，类似于传输线断线情况，即终端开路无负载，=+1，电波在开路终端产生同极性全反射。

行波法测试电力电缆故障的基本原理

根据行波理论，电力电缆故障被分为四种类型：

开路故障、泄漏性低阻故障、泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障。

1、故障的测试原理

图1

如图1所示，若电缆在G点绝缘介质存在开路故障，那么这一点的线电阻为，若电阻的特性阻抗为，则故障点的等效阻抗为

=+（6）

根据行波理论，当从始端在

由

（1）-（6）求得（7）

由此可得

1）开路故障属于同极性反射。

2）当=∞时，=，属全反射现象。

3）当=0时说明电缆芯线无故障，=0电波在该点不存在反射现象。

4）当0<<∞，在电缆中存在芯线连接处接触不良现象，如接头。

2、泄漏性低阻故障的测试原理。

若电缆某相在G点绝缘介质存在漏导，其电阻值为，若电缆的特性阻抗为，则故障点的等效阻抗为，由于故障点的等效阻抗发生变化，脉冲波形在故障点将产生反射波，同时脉冲波也通过故障点继续向终端传输，有以上几式可知故障点的反射电压波为

由此分析可知：

1）泄漏性故障的反射电压波与入射电压波反极性。

2）当=0时，电缆在G点接地，=,属于短路全反射。

3）=∞时，=0电缆不存在绝缘故障。

4）越大，该点的反射系数就越小。

3、高阻故障的测试原理

在实际中，电力电缆的泄漏性故障电阻值在一个很大的范围内，当电阻值很大时，由于Z0很小，以及加到电缆上的脉冲电压波幅度有限，故障点的反射电压波将很小，在始端就很难分辨出故障点的反射波形。

因此，对于阻值较高的泄漏性故障，采用“高压闪络放电测试法”简称闪络法，也叫“高压脉冲法”，它并非是增大加到电缆上脉冲电压幅度的方法来提高故障点的反射脉冲幅度，而是利用高电压信号使电缆故障点瞬间变成短路或低阻值故障，使故障点反射系数接近1，故障点近乎全反射，如此在测试端才能清楚地检测出故障反射波。

通常有两种方法，及冲闪法和直闪法。

（1）冲击高压闪络法（冲闪法）。

图3为冲闪法测试原理线路，

直流高压电源的输出电压可正可负，通常为负极性且输出幅度连续可调，为球隙，为电压取样元件，对照图4，

其测试原理：

在时刻直流高压使球隙放电，球隙相当于短路，一个负阶越信号通过向电缆入射，在时刻到达故障点。

故障点的电压建立直至闪络放电要经历的延迟时间，在时刻故障点闪络放电，瞬间形成短路故障，此时反射系数，那么在故障点形成反极性全反射波，并与时刻到达始端。

由于与直流高压电源在放电时的等效阻抗几乎为零，因此增加取样元件的阻抗，并大于，则第一次反射波将同极性反射波传向故障点，并在时刻到达故障点。

此时故障点仍被电弧短路，这一入射波在故障点又形成反极性反射第二次传向始端，并与时刻到达始端。

若使，始端的反射系数可认为，实际故障点及球隙放电形成的短路电弧维护时间约在几百微秒至几百毫秒，那么在故障点及始端将会形成多次反射波。

在始端上形成的合成波形为。

因此故障点到测试端的距离为：

（2）直流高压闪络法（直闪法）。

图5为直闪法测试原理线路，

在时刻，当直流负高压由0V开始慢慢升高到时，在时刻故障点被迫闪络放电，形成瞬间短路故障，在故障点产生反射波同时传向始端和另一端，在时刻到达始端，由于，在始端将产生同极性全反射传向故障点，在时刻到达故障点，又由于故障点仍处于被电弧短路状态，在故障点产生反极性全反射再次传向始端，并与时刻到达始端，只要故障点短路电弧不消失，这一发射过程将持续进行，在始端形成的合成波形为，见图，故障点到测试端的距离为

4、故障分类

目前，电力电缆故障使用最多的测试方法就是行波反射法，也叫脉冲反射法。

由于脉冲反射法有两种基本方法：

低压脉冲法和高压脉冲法（闪络法），所以将电缆故障分为以下几种类型故障。

（1）开路故障。

包括导体芯线和金属屏蔽层以及金属外护套等断线和似断非断故障，一般可采用低压脉冲法进行测试。

（2）低阻故障。

若电缆的相间或相对地出现泄漏性故障，当其电阻值小于某一个数值时，而能用低压脉冲法测试的一类故障。

因为种种原因，这里的某一数值是不确定的。

（3）高阻故障。

凡不能用所提供仪器的低压脉冲法测试的电缆故障绝缘损伤故障都叫电缆的高阻故障。

此类故障通常采用高压脉冲反射法即闪络法进行故障点测试，包括泄漏性高阻和闪络性高阻两种故障。

5、电力电缆故障的判别方法

（1）开路故障。

在终端将芯线与金属屏蔽层短接，在始端用欧姆表测试芯线与金属屏蔽层的电阻值，R应稍大于，一般应满足。

若，为开路故障，若为似断非断故障。

（2）低阻故障。

用低压脉冲法测试相间或相对地的波形，若波形中产生与仪器发射脉冲反极性的反射波形时，一般可判定电缆存在低阻故障。

但应区分是否是电缆中的接头反射波，因为有些接头的反射波极性与低阻故障相类似。

一般来讲，低阻故障应小于几千欧姆。

（3）高阻故障

泄漏性高阻故障。

通常有两种方法：

一是兆欧表或欧姆表法。

若有兆欧表或欧姆表测得相间或相对地电阻值远小于电缆正常的绝缘电阻值时，可判别为泄漏性高阻故障。

一般电阻值在数千欧至几十兆欧。

二是直流耐压预试。

在电缆的额定电压下分相加直流电压，当电缆的泄漏电流值随预试电压的升高而连续增大，并远大于电缆的允许泄漏值时，即可判断为泄漏性高阻故障。

闪络性高阻故障。

由于闪络性故障几乎全在高阻状态，且阻值很高，通常稍低于或等于电缆正常的绝缘电阻值。

因此，在现场只有通过做预试一种方法来判别。

在电缆的允许额定试验电压下，当试验电压高于某一个电压值时，泄漏电流值突然增大，而当试验电压下降后，泄漏电流值恢复正常，此时可判别为电缆闪络性高阻故障。

6、冲击高压闪络法在电力电缆测试方面的应用实例

在实际应用中，冲击高压闪络法（冲闪法）应用频率高。

闪络法其优点：

闪络法不受直流高压电源的等效内阻大的影响，它采用大容量电容器作为较大功率的直流电源，其等效内阻小，相当于一个恒压源，因此冲闪法主要用于测试电力电缆的泄漏性高阻故障，也可用于测试电力电缆的低阻、开路及闪络性高阻故障。

所以只列举了采用冲击高压闪络法的几个实例。

例1某公司1#烧结电力电缆故障实例

测试时间：

2006年6月9号

电缆型号：

10kV交联聚乙烯电缆

故障性质：

用5000V兆欧表测得故障相对地绝缘电阻为20kΩ，属于泄漏性高阻故障。

测试方法：

采用冲击闪络电压法

测试波形：

如图

波形分析：

当电压加到12kV时，闪测仪出现如图所示波形，次反射波为故障点未放电波形。

当电压加到18kV时，闪测仪出现波形，故障反射拐点清晰可见。

例2某公司3#鼓风高配电力电缆故障实例

测试时间：

2004年12月23号

电缆型号：

10kV交联聚乙烯电缆

故障性质：

用5000V兆欧表测得故障相对地绝缘电阻为10MΩ，属于泄漏性高阻故障。

测试方法：

采用冲击闪络电压法

测试波形：

如图

波形分析：

当电压加到17kV时，闪测仪出现波形如图，故障距离为527m，因现场噪音太大，用声测法很难精确定位，为了更准确的丈量故障距离，于是在电缆的另一侧用同样的测试方法测得图如下。

所示波形，故障距离为220m，两端所测距离相加与电缆全长大约750m基本吻合。

通过此方法缩小了范围，最终发现了故障点。