电力电缆检测技术探讨

钱石，王天雷，陈完年，王小东，康献民，王大承



电力电缆检测技术探讨

钱石1，王天雷2，陈完年3，王小东3，康献民1，王大承1

（1. 五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020；2. 五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020；2. 广东科杰机械自动有限公司，广东 江门 529030）

随着电力电缆的广泛使用，相应的故障检测技术也在不断的发展，科学的检测技术可以解决电缆故障位置准确定位以及快速修复问题. 本文概述了电力电缆在运行过程中故障产生的原因，总结了现有电力电缆故障检测和故障定位的方法. 介绍了当前两种常用的电缆检测测试系统，探讨现有研究方法中存在的问题及研究方向.

电缆故障；电缆检测；故障测距；故障定位

电缆检测技术在电力行业中已经得到了电力工作者们以及供电企业越来越多的关注[1-3]. 然而，无论是埋设地下的电力电缆，还是机器设备上的传输电缆，随着运行时间的增长，故障发生的概率都会大大增加，电缆故障一旦发生，轻者造成居民停电、企业停产，重者可能引发火灾或人体触电等重大伤亡事故；另外，一些电缆本身具有安全隐蔽等特点，如地下敷设的电力电缆，这些因素给电缆故障测距与定位带来了极大的困难，也成为了电缆检修的难点. 因此，对电缆故障测距和电缆故障定位等检测技术的研究成为该领域的研究热点.

1 电缆产生故障的原因

电缆故障产生的原因及其表现形式是多样的，主要有以下几种[4-6]：

1）外力破坏：市政工程频繁作业是对电力电缆造成外力损伤事故的主要原因；另一方面电缆敷设在地下后，长期受到车辆、重物等压力和冲击力的作用，也会造成电缆下沉、中间接头断裂等事故的发生.

2）电缆附件质量缺陷：由于制作工艺不良导致密封性差或材料存在缺陷，如塑料电缆密封不良，冷、热缩管厚薄不均匀.

3）敷设施工质量差：电缆敷设施工未按要求和规程进行，敷设过程中牵引力过大，使用的器械、工具不对，对电缆护层造成机械损伤，日久产生故障；单芯高压电缆护层交叉换位接线错误，是护层中的感应电压过高，环流过大引发故障.

4）电缆本身缺陷：造成电缆自身缺陷的主要原因包括电缆绝缘性能下降以及电缆老化.

2 电缆故障检测技术

2.1 离线检测方法

图1 广义电桥

3）脉冲电压法[7]69. 与低压脉冲法不同，脉冲电压法中仪器接收到的是故障点放电产生的脉冲信号. 通过高压设备先使电缆故障点放电，产生脉冲信号，在测试端用仪器接受故障点的放电信号，通过接受放电信号的时间，计算出故障点的距离. 由于脉冲电压法没有实现测试仪与高压部分的完全电气隔离，会存在安全隐患的可能.

4）脉冲电流法. 其原理和脉冲电压法相同，由于脉冲电流法采用了电流耦合器，与高压部分实现电气隔离，安全性更高.

5）二次脉冲法[7]70. 该法是一种比较先进的测距方法，其原理是对故障电缆施加高压使之产生高压电弧，此时故障点变成了低阻短路故障，再对故障点使用低压脉冲法进行检测.

2.2 在线检测方法

1）小波变换. 小波分析通常是利用滤波器来实现. 文献[8]给出了双端同步检测和单端检测的方法来解决故障测距的方法. 文献[9]提出利用小波变换的单端行波测距的新方法，解决了行波到达时间和行波传播速度的选择问题，并通过大量测距结果证实，采用小波变换技术的单端行波测距的测距精度能够满足现场对精确故障定位的要求. 文献[10]介绍了电缆精确测距的方法以及电缆故障在线检测方法，对基于小波变换的电缆故障测距进行深入研究和总结.

2）实时专家系统. 专家系统已经成为解决电缆故障测距的新方法. 文献[11，12]均提出电缆故障测距专家系统，并且用一套规则来不断地更新该数据库. 文献[13]提出基于继电保护的专家系统，利用专门的C语言集成诊断来确定故障类型和电流的有效值，从而定位故障点.

3）因果网络. 因果网络由节点状态、征兆、假设和起始原因组成. 其中，状态节点是表示领域中某部分的状态，如断路器跳闸; 征兆节点是表示状态节点的征兆，如断路器跳闸的征兆是保护动作；假设节点是表示研究系统的诊断假设，如发生线路故障的假设[14]; 起始原因点是表达引起故障的最初原因. 文献[15]通过对因果网络进行扩展以及引入报警信息时序特性约束的概念来构建一个新的时序因果网，提出了一种基于时序因果网络的故障诊断方法.

2.3 电缆故障定点方法

测量出故障电缆的故障距离和路径后，就可以知道故障点的大概方位，但为了精确地找到故障点的位置，还需要进一步的工作，就是故障定点. 电缆故障定点的方法可归纳如下：

1）声测法. 文献[16]提出在规定的放电装置使故障点放电，放电时产生的振动会传到地面，通过适用振动拾音器来接受故障点发出的声音信号，由此可以判断出故障点的位置. 该法可应用于所有高压脉冲信号后故障点能产生放电声音的故障.

2）声磁同步法. 利用故障点放电同时产生的电磁波和声波确定故障点. 文献[16]介绍了将高压脉冲信号加在故障电缆上，故障点在放电时不仅产生声音信号还会产生脉冲磁场信号，这两种信号的传播速度不同，通过找到两者传播时间差最小点来判断故障点的位置.

4）跨步电压法. 用直流高压信号施加在电缆故障位置与大地之间，在故障点处大地表面形成喇叭电位分布，通过高灵敏度的电压表测量大地表面两点电压，在故障点前后电压表指针全指向相反方向，从而可确定故障点的位置[17].

5）全球定位系统行波故障定位. 现代行波定位通过监测故障发生后线路上出现的以固定传播速度运动的电压和电流行波来进行精确的故障定位. 如文献[18]通过记录仪与调度通信构成输电网GPS行波测量网络来测量故障行波波头到达各个变电站的准确时刻，并且通过调度来进行故障定位.

6）分布式光纤温度传感器. 文献[19]介绍了光纤温度传感系统可以对电力电缆进行监护，将测温光纤贴在电缆的表面测量电缆表面数据，通过表面温度变化与导体温度变化之差求出表面温度与运行负荷电流之间的关系，以支持供电系统的安全运行.

7）人工神经网络. 文献[20]提出一种新的地下电缆线路的故障定位技术：输电线路各种不同地点的一系列的测量电压电流作为样本输入到专门训练的神经网络中，通过与训练样本库的样本比较来确定故障位置. 操作员通过三维图形显示的神经网络的输出可即时获得故障位置的信息.

3 电缆检测系统

当前，数字控制系统广泛应用在电缆检测中，其系统核心是微机. 在不同的应用领域中，可根据实际需要选择不同的系统配置，以下列举两种常见的测试系统.

图2 基于单片机的电缆测试系统结构图

3.1 基于单片机的电力电缆测试系统

基于单片机的测试系统自动化程度高，通用性能好，可以完成对不同芯数电缆的短路和断路情况的判断检测，甚至能够实现故障测距和故障定位等要求[23]，如图2所示.

由于CPLD芯片的使用，大大降低了数据采集电路的复杂程度. CPLD接收到单片机传来的测试信号，将处理后的通断信号传递给与电缆连接的继电器组，控制继电器组通断，便可完成对不同芯线的检测.A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号，以便单片机能够识别.

基于单片机的测试系统具有体积小、功耗小、检测速度快和控制灵活等特点. 未来MCU的集成度越高，还可降低系统的复杂程度，更有利于开发者开发使用. 另外，该系统性价比高，通用性好，可对多种型号的电缆进行通断、绝缘等性能测试. 其不足之处是人机交互界面不够友好，硬件资源也不够丰富，扩展起来不够方便.

3.2 基于PC机或工业控制计算机的机床电缆测试系统

基于PC机或工业控制计算机为核心的机床电缆测试系统的结构如图3所示. PC机提供了人机交互界面，便于用户实时监控. 运动控制卡控制执行部件的每个动作. 传感器是整个测试系统的重要环节，主要将检测到的物理量按照一定的规律转化成计算机能够识别处理的数字信号，便于计算机进行显示、记录、存储和控制等.信号调理电路是把传感器传出的模拟信号转换成采集设备能够识别的标准信号.数据采集卡将传感器送来的模拟信号进行数字化转换，并把数字信号传送到上位机.

图3 基于PC机或工业控制计算机的机床电缆测试系统的结构图

基于PC机或工业控制计算机的机床电缆测试系统具有运算速度快、处理数据能力强，系统性能稳定和可移植性好等特点. 该系统开发平台多样、硬件资源丰富、扩展方便、开发难度较小，在满足测试要求的条件下，将来还可以进行二次开发以满足多种测试需求. 相比基于单片机的电力电缆测试系统，该测试系统人机交互界面友好，可以在执行运动控制的时候，实时监控当前状态. 但由于其体积较大，其功耗也较大，系统成本较高.

4 结束语

在电力系统的运行过程中，电力电缆的稳定运行是人们正常生产和生活的保障. 加强对电力电缆的管理，积极采取相应的保护措施. 同时，根据实际情况和各种检测技术的特点，选取适合的检测方法. 电力电缆故障位置及时准确检测定位，对于提高整个电力系统的供电安全可靠性具有重要的意义. 随着电子技术的快速发展，电力电缆检测技术将朝着智能化、高可靠性的方向发展.

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[责任编辑：韦 韬]

An Exploration of Power Cable Detection Technology

QIANShi1, WANGTian-lei2, CHENWan-nian3, WANGXiao-dong3, KANGXian-min1, WANGDa-cheng1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;3. Guangdong Kejie Machinery Automation Co.Ltd, Jiangmen 529030, China)

This paper outlines the reasons for the occurrence of power cable faults during operation, summarizes the existing methods for detecting and locating power cable faults, introduces two common cable detection testing systems currently in use, and explores problems and research directions in existing research methods.

cable faults; cable testing; fault location; fault location

1006-7302（2014）04-0072-05

TM246

A

2014-01-07

钱石（1989—），男，安徽滁州人，在读硕士生，研究方向为嵌入式技术、机电一体化技术的应用；王大承，教授，硕士，硕士生导师，通信作者，研究方向为机电一体化技术，先进制造技术.