三次脉冲法在电缆现场故障探测中的应用

梁 艳，焦洪峰，马 翔，宁会朋

LIANG Yan1, JIAO Hong-feng2, MA Xiang2, NING Hui-peng3

（1. 上海工程技术大学 工程实训中心，上海 201620；2. 东海西湖石油天然气作业公司，上海 200030；3. 东北石油大学 电气信息工程学院，大庆 163318）

三次脉冲法在电缆现场故障探测中的应用

The application of three pulse method in cable fault detection

梁 艳1，焦洪峰2，马 翔2，宁会朋3

LIANG Yan1, JIAO Hong-feng2, MA Xiang2, NING Hui-peng3

（1. 上海工程技术大学 工程实训中心，上海 201620；2. 东海西湖石油天然气作业公司，上海 200030；3. 东北石油大学 电气信息工程学院，大庆 163318）

随着城市建设的发展，电力电缆在城网供电中所占的份量也越来越重，同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆的故障也越来越频繁。一旦发生故障，若不及时的查找到故障点的具体位置并排除故障恢复供电，通常会造成的巨大的经济损失.因此准确，快速地寻找到故障点就具有重大的意义和实际价值。本文在分析了常见的电缆故障的基础上，采用了三次脉冲技术用于实际的电缆故障测距。在实际的应用中也发现：三次脉冲法在寻找故障点时，准确，快捷，精度高，是今后电缆故障测距的首选方法。

电力电缆；高阻故障；三次脉冲法

0 引言

电力电缆作为电力系统的重要设备，它的安全运行具有重要意义。随着城市建设的发展，电力电缆在城网供电中所占的份量也越来越重，同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆的故障也越来越频繁。但是由于电缆埋入地下，而且有些传输电缆较长，所以当电力电缆发生故障而影响正常供电时也给查找电缆故障点带来一定的困难。其主要原因在于电缆埋入地下，看不见，摸不着，有时在电缆敷设位置不清时将更难处理。过去在没有先进的测试设备的情况下，查找一个电缆故障点往往需要几天或十几天时间。并会造成难以估量的停电损失。因而电力电缆的故障查找是多年来困扰电力部门正常供电的重要问题之一。

迅速、准确地确定电力电缆的故障点，能够有效地提高供电可靠性，减少故障修复费用及停电损失。因此加强电缆故障探测技术的研究，提高电缆故障探测技术整体水平，是目前亟待解决的重大课题。

1 常见电缆故障及解决方法

1.1 常见电力电缆的故障性质分析

电缆线路故障按其故障性质分主要有：短路故障、接地故障、断线故障、闪络性故障和综合性故障亦可分为低阻故障和高阻故障两大类。一般前者是故障点直流电阻为零的完全短路故障和直流电阻不为零但小于电缆特性阻抗的故障后者为直流电阻大于电缆特性阻抗的故障。

1）短路故障

通常当电缆线芯绝缘被击穿引起短路故障。其中也分为低阻故障和高阻故障。

2）接地故障

电缆绝缘击穿后的接地故障分为低阻接地和高阻接地故障，不同仪器有不同划分，一般接地电阻≤1 kΩ为低阻故障，反之为高阻故障。

3）断线故障

电缆线芯被短路电流烧断或外力破坏引起断线故障，按其故障点对地电阻的大小也可分为低阻故障和高阻故障，用测量电容量的方法判断较方便。

4）闪络性故障

电缆接头和终端内绝缘间隙放电，造成绝缘击穿为击穿故障。当绝缘击穿后又恢复正常，即使提高试验电压也不再击穿为封闭性故障。这两种都属于闪络故障。表现为试验电压升到某一值时，电缆泄漏电流突然升高，并且测量表针呈规律性摆动，降低电压时，现象消失，测量绝缘电阻值仍很高。

5）综合故障

同时存在上述两种及以上的故障为综合故障。

1.2 电缆故障查找的程序

电缆发生故障后，首先应判定电缆的故障性质，先测量每相对地绝缘电阻，如果绝缘电阻为零，再用万用表或电桥进行测量，以判断是高阻还是低阻故障，最后测量相间绝缘电阻，判断是否存在相间短路，有了准确的故障性质判定结论后，便可选择合适的探测仪器和确定寻测方法。

常用的方法有：电桥法、脉冲法、音频法等。本文将对脉冲法重点研究。

2 脉冲技术概述

目前，各电力用户普遍使用的各类电缆故障测试仪，都是利用高压闪络法测试电缆的高阻故障。这种传统的测试方法，由于实测波形复杂，且容易发生畸变，与标准测试波形相差甚远。这样给测试人员的分析、判断带来很大困难。导致故障点不能判定或错判的情况时有发生，以至很多单位购买了仪器却很难根据测试波形分析判断故障距离。

二次脉冲法的关键技术是首先避开故障点被高压击穿时故障点产生的多次阶跃电压反射波和固有的大余弦振荡波形，然后在高压击穿故障点的持续时间内仪器再发送一次脉冲，记录下故障点的反射脉冲（回波极性正好与反射脉冲的波形极性相反）。在故障点电弧熄灭后，再用低压脉冲法测得电缆全长的开路反射波形，并显示在屏幕上。将两次测得的波形同时显示在屏幕上，并对准起始点，就能清楚地发现故障点前的波形重叠很理想。一过故障点，波形曲线就明显发散。而且故障点的拐点非常明显,就是一个短路故障回波的标准波形，很好判读故障距离。几乎所有高阻故障都是这种波形，特征单一。由于在二次脉冲法测试过程中，高压设备与故障电缆之间串有“高频高压数据处理器”，实际加到电缆故障相上的冲击高压比高压发生器输出的电压低一些。如果高压发生器的输出电压已经达到35KV，故障点还未被击穿，此时应更换测试方法，选用更为方便准确的三次脉冲技术。

图1 三次脉冲技术原理图

三次脉冲技术可用于查寻高阻故障、闪络故障、击穿故障。据有关机构统计，高阻和闪络性高阻故障约占整个电缆故障总数的90%。具有探测难度大的特点。研究应用预定位技术既三次脉冲法解决电缆高阻故障难题。

三次脉冲法测量(如图1所示)其主要设备有：直流发生器，高压单元,高、中压冲击单元，专门脉冲发生器、脉冲反射仪等。

其原理是：高压脉冲击穿电缆故障产生燃弧，同时触发高能中压脉冲来稳定和延长燃弧至50ms左右，随之发射1000V的低压脉冲，从而得到准确的故障波形，完成预定位。三次脉冲技术最大优势就是实现了三种脉冲的优化整合，利用击穿瞬间完成测距功能，大大地提高了工作效率，同时，有效地降低了因高压冲闪脉冲长时间作用于电缆造成的二次损伤。

图2 低压脉冲波形

图3 三次脉冲波形

Compact系统的另外两个主要特点使探测工作更加顺畅，一是采样频率达到200MHZ，是国内先进水平的4倍，二是冲闪脉冲的能量达到2560焦耳，是传统设备的75倍（最大值），对绝大多数故障点能够一次击穿。实际测试过程分为两个步骤。第一步，脉冲反射仪先发射一个低压的测试脉冲，如图2所示，这个测试脉冲的电压非常低，不会引起高阻故障点的任何变化。所以在脉冲反射仪接受到的反射波形上不会出现高阻故障点的反射信号，只能看到电缆的始端、末端和中间接头等。这个用低压测试脉冲得到的波形被称为参考波形，脉冲反射仪会自动把参考波形冻结在屏幕上，并自动标记出电缆的末端位置。第二步，启动高压单元，根据故障点的击穿电压设定高压单元的输出电压，使高压单元的输出电压稍大于故障点的击穿电压，如图3所示。高压单元给冲击放电电容充电完成后，把冲击放电电容接到被测电缆上，高压会使高阻故障点击穿放电，电容里储存的能量会在故障点产生一个持续的放电电弧，放电过程中，电容储存的能量不断消耗，电压逐渐下降，放电电路自动接通延弧电容，用4/8KV的电压继续维持故障点的放电电弧。这个放电电弧把故障点由高阻变成了低阻，放电的强度和电容的输出电流成正比。脉冲信号耦合单元里有一个特殊的电路，用来检测电容的放电电流。当放电电流开始下降的瞬间，也就是故障点的放电电弧从最强开始减弱的瞬间，检测电路发出一个触发信号，由一个专门的测试脉冲发生电路发出2000V/200V的测试脉冲，这个测试脉冲在故障点的放电电弧上反射回来，得到的反射波形会有一个非常明显的短路点。这个测试波形叫做故障波形，脉冲反射仪会把故障波形叠加显示在第一步测试得到的参考波形上，并自动标记出波形分离的位置，这个波形分离的位置就是故障点的位置，如图4所示。

图4 三次脉冲反射波形与低压脉冲波形对比

3 实例分析

3.1 故障电缆概况

城市：大庆龙南区。线路名称：龙南配甲线40103。电缆型号：YJV22-6/6、3×185。电缆长度：800米。

3.2 测试设备

设备名称：电缆测试车。设备型号：CFL6000。测试方法：三次脉冲法。

3.3 测试时间：2007年5月28日。

3.4 故障查找过程

使用2500伏兆欧表对电缆进行绝缘电阻试验：相对地绝缘电阻AO:3 MΩ，BO:5MΩ，CO:400MΩ。相间绝缘电阻AB：4MΩ，AC：100MΩ，BC：100MΩ。根据测试的结果判断电缆故障性质为A、B高阻接地故障。设定电缆测试车测试参数半波速度85米/微秒，参考波形测试电压值U：2000V，故障波形识别电压值U：15kV，测试波形如图，从图5中可看到，在300米处参考波形和故障波形有明显的分散，此分散点为故障点，即从测试点到故障点的距离是300米，也就是故障点距离在龙南配甲线40103端300米处，预定位时间15分钟。精确定点时冲闪电压值U：20kV。

图5 测试波形图

3.5 故障原因分析

电缆中间接头制作工艺不规范，外护套密封不严导致电缆长期运行过程中潮气侵入，造成电缆主绝缘水树的形成，最终发生接地故障。

4 结论

三次脉冲法技术，它是国外先进技术，国内领先技术。三次脉冲法的测试波形简单清晰，不过多依赖测试人员的经验，是解决高阻故障快捷精确的定位方法，减轻了测试人员的劳动强度，提高了电缆故障的查找效率。有效地解决了高阻故障、低绝缘电缆诊断与绝缘薄弱点预定位技术。实现了三种脉冲的优化整合，利用击穿瞬间完成测距功能，大大地提高了工作效率，同时，有效地降低了因高压冲闪脉冲长时间作用于电缆造成的二次损伤，有效地提高了电力电缆的运行可靠性，在能源资源日趋紧张，企业节能减排，降本增效的当今，更具有显著的实际意义。

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1009-0134(2010)11(下)-0046-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).18

2010-10-01

梁艳（1976 -），女，讲师，硕士研究生，主要从事智能控制的理论、方法及应用方面的研究。