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    技术支持

    电力电缆故障测试仪的弧反射法解析

        徐波(西安铁路供电段,陕西 西安 710000)

    摘要: 介绍了二次脉冲法、三次脉冲法的基本原理,对二者的区别进行了对比,以及应用了三次脉冲法技术的电缆故障测试仪的系统组成。最后对电缆故障测试的一般步骤和在该领域的最新情况以及今后的发展方向进行了展望,从而为生产及供电企业快速准确地查找电缆故障点提供了可以借鉴的方法。

    关键词:电力电缆故障测试仪、二次脉冲法、三次脉冲法

        电力电缆的大量使用在我国已经有几十年的历史,前期使用运行的电缆现在已经进入了衰老期,因此,电缆的故障发生率在近几年呈明显的上升趋势,寻找一种快速而行之有效的电力电缆故障测试方法十分紧迫和必要。
        现在国外内普遍采用的电缆故障方法有行波法、电桥法、跨步电压法等等。国内大量采用的低压脉冲法、高压冲闪法都是行波法,这些方法基本能应付电缆的低阻、开路和短路故障,针对这些类型的电缆故障,国外内大都采用也是低压脉冲法。但实际工作中遇到的电缆故障以高阻故障居多,而各厂家生产的电缆故障测试仪全都沿用传统的冲击闪络法和电流取样技术。由于其测试波形较为复杂,要求操作使用人员必须训练有素,而且要有较丰富的电缆故障现场测试经验。多数人掌握不了电缆故障波形分析的要领,难以在现场分析波形和快速准确地排除电缆故障。
        欧美国家在电力电缆的高阻故障定位上的研究比较早,20世纪60 年代就发明了弧反射法,并在电力电缆高阻故障定位上得到了成功的应用,80~90 年代相继推出了较为成熟的电力电缆故障定位系统。目前国外只有三家公司拥有这样的弧反射法技术,分别在英国、德国和奥地利。
        可喜的是,经过我国电缆故障仪的使用单位和研制单位的共同努力下,国产的二次脉冲法、三次脉冲法电缆故障测试仪相继问世,技术达到国际先进水平,打破了国外公司在此领域的垄断。从综合对比和实测效果来看,三次脉冲法电缆故障测试仪与国内外同类型的先进仪器在测试方法上无明显差异甚至优于某些国外品牌的电缆测试仪,而且其操作的简便程度、测试速度、准确程度、机动性和性能价格比要优于国外产品。

    kc-900三级多次脉冲电缆故障测试仪

    kc-900三级多次脉冲法电缆故障测试仪

    1、工作原理
        先介绍一下电力电缆的低阻故障和高阻故障。低压脉冲反射法适用于低阻( 低于10倍波阻抗) 、接地及开路故障,并可以测试电缆的全长和电波在电缆中的传播速度,当电缆发生低阻或接地故障时,电缆故障点处的等效阻抗应为故障电阻与电缆特性阻抗的并联。电缆故障电阻越小,反射波形越明显。当电缆故障电阻为零时为全反射,由于测试端等效阻抗( 测试仪器的输入阻抗) 大于电缆特性阻抗,所以在测试端产生同极性反射脉冲。而在低阻或接地故障处,由于故障电阻小于电缆特性阻抗,所以入射脉冲进行故障点后产生反极性脉冲,并传输到测试端,接收到的反极性脉冲的下降沿就对应电缆故障点的反射波形。当电缆发生开路故障时,电缆故障等效阻抗为故障电阻与电缆特性阻抗的串联,开路即相当于故障电阻为无穷大,这种情况入射脉冲将形成全反射,在测试端产生同极性反射脉冲,接收到同极性的脉冲的上升沿与故障点的反射波形对应。

    三次脉冲法电缆故障测试仪原理图

        二次脉冲法在电缆故障定位仪中的应用的工作原理如上图所示。首先使用一定电压等级、一定能量的高压脉冲在电缆的测试端施加给故障电缆,让电缆的高阻故障点发生击穿燃弧。同时,在测试端加入测量用的低压脉冲,测量脉冲到达电缆的高阻故障点时,遇到电弧,在电弧的表面发生反射。由于燃弧时,高阻故障变成了瞬间的短路故障,低压测量脉冲将发生明显的阻抗特征变化,使得闪络测量的波形变为低压脉冲短路波形,使得波形判别特别简单清晰。这就是我们称之为的“二次脉冲法”。接收到的低压脉冲反射波形相当于一个线芯对地完全短路的波形。将释放高压脉冲时与未释放高压脉冲时所得到的低压脉冲波形进行叠加,2个波形会有一个发散点,这发散点就是电缆故障点的反射波形点。这种方法把低压脉冲法和高压闪络技术结合在一起,使测试人员更容易判断出电缆故障点的位置。与传统的电缆故障测试方法相比,二次脉冲法的先进之处,是将冲击高压闪络法中的复杂波形简化为最简单的低压脉冲短路故障波形,所以判读极为简单,可准确标定故障距离。

    二次脉冲法在电缆故障定位仪中的应用的工作原理如上图

        相对于二次脉冲法,三次脉冲法采用双冲击方法延长燃弧时间并稳弧,能够轻易地定位高阻故障和闪络性故障。三次脉冲法技术先进,操作简单,波形清晰,定位快速准确,目前已经成为高阻故障和闪络性故障的主流定位方法。三次脉冲法是二次脉冲法的升级,其方法是首先在不击穿被测电缆故障点的情况下,测得低压脉冲的反射波形,紧接着用高压脉冲击穿电缆的故障点产生电弧,在电弧电压降到一定值时触发中压脉冲来稳定和延长电弧时间,之后再发出低压脉冲,从而得到故障点的反射波形,两条波形叠加后同样可以发现发散点就是故障点对应的位置。由于采用了中压脉冲来稳定和延长电弧时间,它比二次脉冲法更容易得到故障点波形。相对于二次脉冲法由于三次脉冲法不用选择燃弧的同步时长,操作起来也跟加简便。
    2 系统组成
        三次脉冲电缆故障测试仪、续弧反射法中央控制单元、电缆故障测试专用高压冲击单元 
    第一部分:三次脉冲电缆故障测试仪
        三次脉冲电缆故障测试仪负责向电缆输入测量脉冲,并判断什么时候触发电路发送测量脉冲最为合适,为保证仪器成功捕捉到故障点的技术关键。同时,它还负责把采集到的信号进行滤波,提出其中的有用的测量脉冲。三次脉冲电缆故障测试仪这个部分是整个三次脉冲电缆故障测试仪器的大脑,负责向其他部件发送各种指令,协调各部件的工作,并向操作者提供人机对话的界面。它的主要功能是对测量脉冲进行高速的采样和记录,对采集的到信号进行高速的运算分析。对每次采集到的测量脉冲进行高速傅里叶变换分析,成功地捕捉到电缆高阻故障的低压脉冲波形,便于电缆故障测试人员分析。
    第二部分:中央控制单元
        中央控制单元是高压脉冲、中压脉冲和低压测量脉冲汇合的部件,它对信号的处理直接影响着仪器的测量精度、稳定性以及测量成功的几率。中央控制单元中的高压滤波单元可以滤掉高压脉冲的毛刺,使高压脉冲变得平滑,并在故障点形成稳定的燃弧、延弧,同时也可减少高压脉冲对波形记录分析仪信号采集的干扰。过压保护单元除了保护着三次脉冲电缆故障测试仪不受高压脉冲的冲击之外,还是低压测量脉冲的分压采样的重要部件,是测量脉冲输出、输入交互的接口电路。
        中央控制单元是一种连接装置,用来连接三次脉冲反射仪和高压脉冲发生器,以便实现高阻和间歇性故障的预定位。通过脉冲发生器的使用和故障点处中央控制器的滤波器的阻塞作用,系统创建了一次闪络。此闪络将高阻故障临时转变成为低阻故障。这样,该故障就可以产生一次反射,并很方便地存储在三次脉冲电缆故障测试仪中。通过对比闪络前的轨迹线和闪络过程中的轨迹线,就可以清晰显示出故障距离。
    第三部分:电缆故障测试专用高压脉冲发生器
      高压脉冲发生器是该套电缆故障预定位仪的能量提供部分,向外提供高压高能的电压脉冲。主要由升压变压器、高压整流二极管、充电电容、放电球隙组成。

    3 弧反射法成功应用的几大要素
    电缆故障预定位仪要成功的运用弧反射的方法,除了要求研制者熟悉弧反射的原理外,其仪器的硬件性能必须满足如下几大要素:
        一、采样频率要高。由于测量脉冲在电缆中的传播速度极快,一般在150~250 m/µs 之间;测量脉冲的宽度很窄,一般在10 ns~10 µs 之间;稳定的高压燃弧的时间很短,所以要求波形记录分析仪的采样频率很高。故障测试的分辨率除了与脉冲传播的速度、脉冲宽度有关外,与采样频率的高低关系最紧密。高频采样才能保证对测量脉冲充分、准时地采集,只要有信号丢失,测量就会失败。
        二、燃弧要稳定。高压脉冲加到故障电缆的测试端后,要在高阻故障点形成稳定的燃弧,这是弧反射法应用成功的前提。要形成稳定的燃弧,不仅仅需要很高的电压和很大的输出电流,而是需要高压脉冲有一定大的能量,即是电压、电流和时间的乘积:Q = U•I•t。不同电压等级的电缆,其电缆的耐压能力不同,再者,电缆故障点绝缘情况不同,产生燃弧所需的电压、电流、能量都不同。还有一点,输入给电缆的高压脉冲本身如果已经经过滤波等处理后,其高压脉冲信号本身就很理想,这也将促成燃弧的稳定。
        三、触发测量脉冲要适时。在高阻故障点能产生高压燃弧后,向电缆测试端加入测量脉冲的时间要适时。测量脉冲加入得太早,测量脉冲波头到达故障点时,燃弧还未产生,测量脉冲会直接行进到电缆终点端头,波形记录仪可能接收到来自终点端头的反射波,甚至接收不到任何反射波;测量脉冲加入得太晚,测量脉冲波头到达故障点时,燃弧已经结束,波形记录仪可能接收到来自终点端头的反射波。这样,波形记录仪无法接收到来自故障点的反射波,导致故障定位失败。这要求仪器的程序处理中心能良好的协调各部件的工作。
        四、信号取样要准确。在测量脉冲发送适时的前提下,还要保证波形记录分析仪记录的是正确的信号。因为电容分压后的信号是高压脉冲、测量脉冲以及杂波的混合信号,要从其中提取有用的测量脉冲信号,去掉所有的干扰信号。这就要求弧反射滤波仪的处理能力优越。
        五、CPU 运算速度要快。由于波形的行进速度极快,采样频率极高,要处理的数据量极大,现场操作人员需要尽快地得到测量波形图,因此,与之配合的CPU 的存储、运算速度就相应的要求很高。否则,采样到的信号就会有丢失,送给波形记录分析仪的信号数据将不真实、不正确,分析的结果肯定不正确,最后呈现给操作者的波形就会是杂乱的波形,故障的定位就会失败。
        六、波形记录仪的抗干扰能力要强。由于电力电缆的故障测试都是在强磁场、高电压的环境下进行的,对仪器的抗干扰能力要求比较高,不能出现死机、花屏等现象。

    KC-900三级多次脉冲电缆故障测试仪测试现场

    KC-900三级多次脉冲电缆故障测试仪测试现场

    4 结束语
        弧反射法电缆故障测试仪是目前国际上采用的最先进的方法,针对电缆故障定位仪的其他方法的研究也在紧密地进行之中。随着我国相关制造技术的提高,国际、国内技术交流的增多,我国的技术人员一定能很好的掌握这项技术,研发出性能更好的电缆故障定位系统,甚至发现更好的电缆故障定位的方法。三次脉冲法电缆故障测试仪的研究成功,代表了国内最高水平及电缆测试的发展趋势。相信随着宣传及推广,它们会迅速普及到广大电缆维护者手中,为我国的电力电缆维护做出积极的贡献。
    5.参考文献
    1.电缆故障闪测仪原理与电缆故障测量 
    陕西科学技术出版社 1993.3
    2.电力电缆故障探测技术
    科汇电气有限公司 1993.9 
    3.“BAUR”、“SEBA”、“HAGENUK.KMT”电缆测试仪器产品说明书
    4.电力电缆故障探测技术 
    机械工业出版社 1999.4
    5.全国供用电工人技能培训教材 电力电缆中级工
    中国电力出版社 1999.5 
    6.《KC-900三次脉冲电缆故障测试仪说明书》 
    西安华傲通讯技术公司 2007.11
    7.电缆故障定位中的弧反射法介绍
    南方电网技术研究 2006。7
    8.《FH-8636电缆故障测试仪使用说明书》
    西安方汇电气有限公司 2005。7
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