直埋高压电缆故障点查找分析初探
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摘要：文章通过应用脉冲法进行电缆故障查找分析的事例，总结出读取脉冲波形的3个要素，并分析了产生测量误差的原因。
关键词：开路故障;短路故障;起始脉冲波;反射波?
1概述
脉冲法和直流电桥法是目前应用较广的电力电缆故障点查找方法。石家庄热电厂在几次电力电缆故障点查找中，采用脉冲法在较短时间内找到了故障点，而用传统直流电桥法却无法找到。
直流电桥法在实际应用中存在着许多不便之处，如对断线故障不可测；受故障点电阻影响较大，测量误差大；当电缆为三相短路故障，需另铺设临时线等。脉冲法特别是低压脉冲法对电力电缆的短路故障和开路故障查找具有操作简单、测量误差小的优点。
低压脉冲测量故障点的过程分粗测和定点2个步骤。粗测是将故障点定位在一较小的范围内，正确读取脉冲波形，该步是脉冲法的重要步骤，也是本文分析的重点。
石家庄热电厂电力电缆故障情况如下。
a.2001-12-22，水源地10kV电缆故障，断路器跳闸在测试中用2500V摇表测试电缆三相绝缘对地及相间均为50MΩ，直流耐压值为16kV。而后在水源地将电缆三相短路，在测试端测试任意两相芯线环流电阻，两芯线均不通，初步判断为电缆开路。
b.2001-12-26，#7～#9深井电缆故障，断路器跳闸用2500V摇表测试电缆A相绝缘对地为0，B、C两相分别为600MΩ和800MΩ，初步判断为A相短路接地。
2脉冲法介绍
开路和短路故障的接线方式相同，如图1所示。测试设备是西安四方机电信息研究所生产的SDCA—2型闪测仪，该闪测仪对查找电缆开路和短路故障比较有代表性。起始脉冲波由闪测仪发生，并由闪测仪的示波器采集显示并记录电缆波形。
3波形分析根据
脉冲波形分析根据波在导线中的折反射原理而定，波的折反射公式为：?
式中α——波的折射系数
β——波的反射系数
Z1——电缆本身波阻，这里为10～50Ω
Z2——电缆故障点波阻
Uq2——折射波电压
Uf1——反射波电压
U0——起始入射波电压?
4故障波形分析
4.1开路故障
按图1所示将闪测仪接入电缆线路中，示波仪记录波形如图2所示。
4.1.1脉冲波极性
SDCA—2型闪测仪起始脉冲波头为波头向下的负极性波，如图2中t?1时刻。
当脉冲波到达开路点后，电缆因开路点波阻Z?2近似于∞，由公式(2)可知β≈1，Uf1=βU0≈U0，这一结果说明起始脉冲波U?0到达开路点将发生全反射，且极性同起始脉冲波头U0相同。图2中t?2时刻为脉冲波的反射波，极性同起始脉冲波t1时刻相同，t3是t2的反射波,t4是t?3的反射波且极性都相同,即可初步判定t2、t3、t4是故障点的反射波。
4.1.2反射波幅度和陡度
当闪测仪以一个如图2中t?1直角波入射电缆，脉冲波在电缆中发生多次折反射。直角波多次经过导线电感和接在导线与大地之间的电容，电感和电容使脉冲波头陡度降低。在波的前行中，脉冲波的部分能量将消耗在线路电阻R中，使脉冲波幅度在多次折反射中逐渐下降。这就是t2、t3、t4时刻反射波幅度小于t1时刻起始脉冲波U?0的原因。
4.1.3脉冲波在电缆中的传播速度
脉冲波在不同介质电缆中的传播速度不同，不同介质电缆中单位距离电感L?0和单位距离电容C?0不同，传输速度公式如下：?
式中μr——介质相对磁导率
εr——介质相对介电系数
C——光速，300m/μs
此次被测试电缆为不滴流电缆，其μr=1、εr=3.5。由公式(3)可知v≈160m/μs。闪测仪光标移动速度设定为160m/μs，移动光标测试从波头t1到t2之间的距离为3650m，即从测试端到开路故障点的电缆距离为3650m。
在实际线路查找中发现在距测试端3620m处电缆因他人施工被挖断。实际测量距离与测试距离误差0.8%。?
4.2短路故障
同样按图1所示将闪测仪接入电缆线路中，闪测仪记录波形如图3所示。
4.2.1脉冲波极性
当脉冲波到达短路点后，波阻变为Z2，Z2<Z1，根据公式(2)可知-1<β<0，Uf1=βU0即反射波Uf1同起始脉冲波U0极性相反。图3中t1时刻起始脉冲波头为负极性，t3为反射波且极性同t1极性相反为正极性；t4为t3的再次反射且同t3极性相反为负极性，符合短路反射波特性。图3中t2时刻为电缆中间头的反射波形，这是因为电缆中间头的波阻大于电缆的波阻，但中间头的波阻小于开路波阻，所以t2时刻极性同t1时刻极性相同。不是短路点的反射波，这在实际判断波形中常出现误判。由t3、t4即可初步判定为故障点反射波形。?
4.2.2反射波幅度和陡度
同开路故障分析相同。中间头的波阻虽大于电缆的波阻，形成正反射，但小于开路波阻，所以反射波的幅度非常小，不同于开路和短路反射波。?
4.2.3脉冲波在电缆中的传播速度
与开路故障分析相同。将闪测仪光标速度设定为160m/μs，测量t1与t3间距离为473m，即短路点到测试端的距离为473m。在实际线路查找中发现在距测试端480m处电缆对地放电击穿，外护套已碳化。实际测量距离与测试距离误差1.5%。?
5测试误差分析
误差分析就是确定电缆粗测不能精确定位的原因，定位还需要定点测量，即用声测法或感应法在粗测距离两侧一定范围内查找。2次电缆故障查找中的测试距离与用皮尺的测量距离有一定差距，原因如下。?
5.1SDCA—2型闪测仪本身误差
a.设备本身相对误差≤±2%。电缆故障点在1km以下，设备本身绝对误差≤15m；电缆故障点在1km以上，设备本身绝对误差≤20m。
b.读数最小分辨率。测试仪本身的最小分辨率为3.2m，即显示屏上光标每移动一点，读数最小变化3.2m（油浸纸）。
5.2传输速度
脉冲波在电缆中的传输速度受到电缆新旧程度影响，如油浸纸电力电缆波速为154～165m/μs。?
5.3读取误差
读取误差见图4。因波形的选取点有误，t2和t3的距离不同。
5.4丈量误差
因电缆埋于地下，在路面上沿电缆路径丈量距离，本身就带来一定误差。
6总结
脉冲波形判断是根据波在线路中折反射原理进行的。在判断实际故障点时，应遵循波形分析3要素，即波的极性、幅值和陡度、波速。根据3要素可判断波形反射周期，排除线路的杂波如中间头反射波，再根据反射周期之间的距离来确定故障点到测试端的距离。 安全文化网 www.anquan.com.cn
关键词：开路故障;短路故障;起始脉冲波;反射波?
1概述
脉冲法和直流电桥法是目前应用较广的电力电缆故障点查找方法。石家庄热电厂在几次电力电缆故障点查找中，采用脉冲法在较短时间内找到了故障点，而用传统直流电桥法却无法找到。
直流电桥法在实际应用中存在着许多不便之处，如对断线故障不可测；受故障点电阻影响较大，测量误差大；当电缆为三相短路故障，需另铺设临时线等。脉冲法特别是低压脉冲法对电力电缆的短路故障和开路故障查找具有操作简单、测量误差小的优点。
低压脉冲测量故障点的过程分粗测和定点2个步骤。粗测是将故障点定位在一较小的范围内，正确读取脉冲波形，该步是脉冲法的重要步骤，也是本文分析的重点。
石家庄热电厂电力电缆故障情况如下。
a.2001-12-22，水源地10kV电缆故障，断路器跳闸在测试中用2500V摇表测试电缆三相绝缘对地及相间均为50MΩ，直流耐压值为16kV。而后在水源地将电缆三相短路，在测试端测试任意两相芯线环流电阻，两芯线均不通，初步判断为电缆开路。
b.2001-12-26，#7～#9深井电缆故障，断路器跳闸用2500V摇表测试电缆A相绝缘对地为0，B、C两相分别为600MΩ和800MΩ，初步判断为A相短路接地。
2脉冲法介绍
开路和短路故障的接线方式相同，如图1所示。测试设备是西安四方机电信息研究所生产的SDCA—2型闪测仪，该闪测仪对查找电缆开路和短路故障比较有代表性。起始脉冲波由闪测仪发生，并由闪测仪的示波器采集显示并记录电缆波形。
3波形分析根据
脉冲波形分析根据波在导线中的折反射原理而定，波的折反射公式为：?
式中α——波的折射系数
β——波的反射系数
Z1——电缆本身波阻，这里为10～50Ω
Z2——电缆故障点波阻
Uq2——折射波电压
Uf1——反射波电压
U0——起始入射波电压?
4故障波形分析
4.1开路故障
按图1所示将闪测仪接入电缆线路中，示波仪记录波形如图2所示。
4.1.1脉冲波极性
SDCA—2型闪测仪起始脉冲波头为波头向下的负极性波，如图2中t?1时刻。
当脉冲波到达开路点后，电缆因开路点波阻Z?2近似于∞，由公式(2)可知β≈1，Uf1=βU0≈U0，这一结果说明起始脉冲波U?0到达开路点将发生全反射，且极性同起始脉冲波头U0相同。图2中t?2时刻为脉冲波的反射波，极性同起始脉冲波t1时刻相同，t3是t2的反射波,t4是t?3的反射波且极性都相同,即可初步判定t2、t3、t4是故障点的反射波。
4.1.2反射波幅度和陡度
当闪测仪以一个如图2中t?1直角波入射电缆，脉冲波在电缆中发生多次折反射。直角波多次经过导线电感和接在导线与大地之间的电容，电感和电容使脉冲波头陡度降低。在波的前行中，脉冲波的部分能量将消耗在线路电阻R中，使脉冲波幅度在多次折反射中逐渐下降。这就是t2、t3、t4时刻反射波幅度小于t1时刻起始脉冲波U?0的原因。
4.1.3脉冲波在电缆中的传播速度
脉冲波在不同介质电缆中的传播速度不同，不同介质电缆中单位距离电感L?0和单位距离电容C?0不同，传输速度公式如下：?
式中μr——介质相对磁导率
εr——介质相对介电系数
C——光速，300m/μs
此次被测试电缆为不滴流电缆，其μr=1、εr=3.5。由公式(3)可知v≈160m/μs。闪测仪光标移动速度设定为160m/μs，移动光标测试从波头t1到t2之间的距离为3650m，即从测试端到开路故障点的电缆距离为3650m。
在实际线路查找中发现在距测试端3620m处电缆因他人施工被挖断。实际测量距离与测试距离误差0.8%。?
4.2短路故障
同样按图1所示将闪测仪接入电缆线路中，闪测仪记录波形如图3所示。
4.2.1脉冲波极性
当脉冲波到达短路点后，波阻变为Z2，Z2<Z1，根据公式(2)可知-1<β<0，Uf1=βU0即反射波Uf1同起始脉冲波U0极性相反。图3中t1时刻起始脉冲波头为负极性，t3为反射波且极性同t1极性相反为正极性；t4为t3的再次反射且同t3极性相反为负极性，符合短路反射波特性。图3中t2时刻为电缆中间头的反射波形，这是因为电缆中间头的波阻大于电缆的波阻，但中间头的波阻小于开路波阻，所以t2时刻极性同t1时刻极性相同。不是短路点的反射波，这在实际判断波形中常出现误判。由t3、t4即可初步判定为故障点反射波形。?
4.2.2反射波幅度和陡度
同开路故障分析相同。中间头的波阻虽大于电缆的波阻，形成正反射，但小于开路波阻，所以反射波的幅度非常小，不同于开路和短路反射波。?
4.2.3脉冲波在电缆中的传播速度
与开路故障分析相同。将闪测仪光标速度设定为160m/μs，测量t1与t3间距离为473m，即短路点到测试端的距离为473m。在实际线路查找中发现在距测试端480m处电缆对地放电击穿，外护套已碳化。实际测量距离与测试距离误差1.5%。?
5测试误差分析
误差分析就是确定电缆粗测不能精确定位的原因，定位还需要定点测量，即用声测法或感应法在粗测距离两侧一定范围内查找。2次电缆故障查找中的测试距离与用皮尺的测量距离有一定差距，原因如下。?
5.1SDCA—2型闪测仪本身误差
a.设备本身相对误差≤±2%。电缆故障点在1km以下，设备本身绝对误差≤15m；电缆故障点在1km以上，设备本身绝对误差≤20m。
b.读数最小分辨率。测试仪本身的最小分辨率为3.2m，即显示屏上光标每移动一点，读数最小变化3.2m（油浸纸）。
5.2传输速度
脉冲波在电缆中的传输速度受到电缆新旧程度影响，如油浸纸电力电缆波速为154～165m/μs。?
5.3读取误差
读取误差见图4。因波形的选取点有误，t2和t3的距离不同。
5.4丈量误差
因电缆埋于地下，在路面上沿电缆路径丈量距离，本身就带来一定误差。
6总结
脉冲波形判断是根据波在线路中折反射原理进行的。在判断实际故障点时，应遵循波形分析3要素，即波的极性、幅值和陡度、波速。根据3要素可判断波形反射周期，排除线路的杂波如中间头反射波，再根据反射周期之间的距离来确定故障点到测试端的距离。 安全文化网 www.anquan.com.cn
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