脉冲波形对脉冲反射法的电缆故障定位影响的研究

何光华，俞骏，徐凯，郑柒拾，孙柯（国网无锡供电公司，江苏无锡　214000）

脉冲波形对脉冲反射法的电缆故障定位影响的研究

何光华，俞骏，徐凯，郑柒拾，孙柯
（国网无锡供电公司，江苏无锡214000）

脉冲反射法；故障定位精度；脉冲波形

在城市建设中，电力电缆正在逐步取代架空输电线路，此外还有大量的通信电缆也同时被应用到城市基础建设中去。如今，各类电缆的生产制造、新品种的开发应用越来越多，电力电缆的制造、敷设、附件材料、使用条件等与电缆的使用情况密切相关。任何一个环节的疏漏，均会造成电缆发生故障。对各类故障分析和归纳，原因主要有以下几种［1］：

1）机械损伤。此类故障较为常见，故障率所占比重最大，一般造成此类损伤的原因包括直接受外力损坏、施工损伤和自然损伤。

2）绝缘受潮。电缆接头或终端头密封工艺不良或密封失效、电缆制造时外护层有孔或裂纹、绝缘护套被异物刺穿或腐蚀穿孔等使电缆受潮。

3）绝缘老化。电缆长期超负荷运行，其绝缘性能会发生变化导致绝缘强度降低或者介质损耗增大，最终引起绝缘崩溃。

由于电力电缆不像架空线那样暴露在外面，而往往是敷设在隐蔽的地面下，当线路发生故障后，故障点往往难以发现。线路故障点定位的不准确将会延长线路断电时间，造成严重经济损失。快速与准确的检测电力电缆故障点，对保证电力供电可靠性和稳定性以及用户用电质量具有重要意义。

电力线路行波故障测距技术因具有测距精度高和适用范围广等优点，一直为继电保护专业人员所关注。但实际应用表明，行波故障测距技术的定位存在很大的误差，主要源于运行时电磁信号的干扰，行波信号较小，在较强的电磁干扰情况下，很难判断准确。目前，国内外学者在行波信号提取及处理方面做了大量的工作，但实际的定位准确度还有待提高［2-6］。

因此，有必要研究离线情况下的电缆故障定位技术［7-10］。目前应用较多的是脉冲发射法，它是根据传输线理论，在被测电力电缆中注入一个脉冲电流，当发射脉冲在电力电缆线路中遇到故障点、电缆中间接头或者电缆终端时，由于该处的阻抗发生变化，因而行波会产生向入射端运动的反射脉冲，记录下发射脉冲和反射脉冲之间的时间差，通过分析行波在测量端与故障端往返一趟需要的时间来计算故障点距离。

本文针对脉冲反射法中脉冲波形对测量的影响进行了研究，对正确判断故障类型、确定脉冲波形形式和宽度等具有重要指导意义。

1　脉冲法测距原理

脉冲反射法，又叫雷达法，主要用于电缆的低阻（或短路）故障及断路故障的测距。脉冲反射法测试接线简单，如图1所示。

电缆出现故障后，电缆的波阻抗与故障点的等效阻抗不相等，出现阻抗不匹配的情况。根据电磁波的反射原理，此时，脉冲电压信号由电缆的始端注入后向前传播，传播到故障点时因为阻抗不匹配，便会发生反射，回到脉冲注入始端。将接收到的反射脉冲到达始端的时间与发射脉冲的时间做差，利用脉冲传播距离与时间成正比的关系，若脉冲在此种型号电缆中的传播速度已知，就可以求出故障点距离脉冲注入始端的距离。因此，由电磁波传输理论中脉冲波的传输特性，可以对电缆进行故障定位。

脉冲注入法测距原理示意图，如图2所示。

AB之间的电缆线路上F点为故障点，脉冲在电缆中的传播速度为v，设注入脉冲的时间为t1，脉冲注入始端接收到回波的时间为t2，故障点距离脉冲注入始端的距离X为：

图2测距原理图Fig.2　Principle of the distance measurement

对于不同材质的电缆，脉冲在电缆中的传播速度v不同，电磁波在电缆终端传播速度可表示为：

式中：c为光速；ε为芯线周围介质介电常数；u为芯线周围介质的导磁系数。由此可见，脉冲在电缆线路中的传播速度与芯线外部的绝缘介质有关，与芯线的材料以及横截面积等其他参数无关。如表1所示为使用不同绝缘介质的电缆行波波速参考值。

表1　常见电缆行波速度参考值Tab.1　Common reference values for traveling wave velocity of cable

2　脉冲反射法故障及定位仿真模型的建立

按照电缆的组成材料分类，可以分为导体故障和绝缘故障；按照电缆故障发生的部位分类，可以分为主绝缘故障、护套故障、本体故障和接头故障；按照线路故障性质分类，可分为断线故障、低阻故障和高阻故障［8］。

1）断线故障。电缆绝缘都良好，但是导体不连续。

2）低阻故障。电缆的1芯或者数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于10Zc（Zc为电缆特性阻抗）时，而导体连续性良好。

3）高阻故障。电缆的1芯或者数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常值很多，但高于10Zc，而导体连续性良好。

本文的仿真采用ATP-EMTP软件进行了1）～3）3种故障模式下的脉冲反射法的波形模拟计算，ATP国际通用的电力系统电磁暂态和机电暂态特性的数字仿真软件包，可模拟任意结构的复杂电力网络及其控制系统。

电缆的仿真选择LCC电缆模型，电缆全长3 km，均分为6段，每段500 m。首段采用脉冲电流注入，假设在某个中间接头处发生接地故障（即在故障点处加入接地电阻，其中接地电阻大小可变）或断线故障（2个电缆连接处断开），其仿真模型如图3、图4所示。

图3　接地故障的模拟Fig.3　Simulation of the ground fault

图4　断线故障的模拟Fig.4　Simulation of the disconnection fault

模拟了当某一点发生断线故障和接地故障时，在一端注入脉冲电流时，反射波形的不同。所用模型如图1、图2所示，结果如图5、图6所示。

对比图5、图6可知：断线故障和接地故障的脉冲反射波形是不同的，断线故障的反射波形和原始脉冲是同向的，而接地故障反射波形是反向的。

图6　断线故障的脉冲反射波形Fig.6　Reflection pulse waveform of the disconnection fault

3　脉冲波形和宽度的仿真计算和结果

脉冲在测试电缆中的波速确定直接决定测距的结果，一般电缆所用材料为交联聚乙烯，根据表1中提供的数据，脉冲传播速度在（1.5～1.7）×108m/s，波速受的影响因素较多，在此不做过多的讨论。同时，脉冲的形状和宽度均对低压脉冲测距范围和精度有很大的影响，本文对脉冲的形状和宽度进行了仿真研究分析，研究不同脉冲形式对断线故障、低阻故障和高阻故障时的电缆测距精度的影响。

3.1不同脉冲形状的仿真和分析

低压脉冲的形状可以选方波、三角波或指数等。本文仿真主要采用了2种波形：方波和三角波，如图7所示。

图7　仿真所用的脉冲波形Fig.7　Pulse waveform used in simulation

通过仿真计算，对比分析了脉冲波形为方波和三角波是，接地故障时的反射波形，波形宽度均为0.2 μs，注入电流的峰值均为0.5 A。结果如图8、图9所示。

对比图8、图9可知：在其他条件都相同的情况下，脉冲波形为方波的反射脉冲比三角波的反正脉冲的幅值要大（方波的反射波幅值为78.3 V，而三角波仅为41.6 V。

同样，也对比分析了脉冲波形为方波和三角波、断线故障时的反射波形，结论和接地故障相同，在此就不多做复述。

图8　接地故障时方波反射波形Fig.8　Reflection waveform of square wave in the ground fault

图9　接地故障时三角波反射波形Fig.9　Reflection waveform of triangle wave in the ground fault

综合以上分析可知：方波和三角波相比，其反射波的幅值较大，且方波脉冲易于生成且起点、终点明显；因此，推荐在脉冲反射法中使用方波作为脉冲波形。

3.2不同脉冲宽度的仿真和分析

低压脉冲宽度的选择需要考虑电缆的长度和测距精度。

短的线路故障测距时，如果在脉冲持续时间内已经有反射信号，则会产生发射信号和反射信号的叠加，导致测试波形混叠，即为测试盲区。测试盲区与测试设备的采样率、被测电缆的长度和脉冲传播速度相关，本文以图3所示模型为例，对采用不同脉冲宽度的方波进行仿真分析。

图10、图11分别展示了脉冲宽度为6 μs，故障点距离脉冲电流注入端500 m时的断路故障和接地故障的反射波形情况，由图中可知：反射波和脉冲注入波形发生了叠加，难以进行分辨。

通过多次改变脉冲宽度的仿真，本文得出了不同脉冲宽度对应的测试盲区，如表2所示。

图10　断线故障时波形出现叠加Fig.10　Superposition of waveform in thedisconnection fault

图11　接地故障时波形出现叠加Fig.11　Superposition of waveform in the ground fault

表2　不同脉冲宽度对应的测试盲区Tab.2　Test blind zone for different pulse width

由表2可知：测试盲区的大小和注入脉冲的宽度密切相关，脉冲越窄，则测试盲区就越小。

但也不是脉冲宽度越窄越好，本文仿真分析了当系统在2 000 m处发生断线故障时，反射波的情况。对比了不同脉冲宽度下，反射波的大小，结果如表3所示。

综上所述，可以得出发射脉冲有一定的覆盖范围，这个范围内的发射信号和反射信号互相叠加，造成了测试的不可见现象。

脉冲宽度越窄，高频分量越高，信号衰减越快，则可测范围越短，但是，测距精度越高，脉冲越宽则可测范围越长，但测距盲区则越大。

表3　不同脉冲宽度对应的反射波的大小Tab.3　The size of the reflection wave for different pulse width

4　结论

本文针对脉冲反射法中脉冲波形和脉冲宽度对测量的影响进行了研究，主要结论如下：

1）断线故障和接地故障的脉冲反射波形是不同的，断线故障的反射波形和原始脉冲是同向的，而接地故障反射波形是反向的。

2）脉冲反射法中，推荐使用方波作为脉冲的波形，和三角波相比，其反射波的幅值较大，且方波脉冲易于生成且起点、终点明显。

3）脉冲反射法中，脉冲宽度越窄，高频分量越高，信号衰减越快，则可测范围越短；但是测距精度越高，脉冲越宽则可测范围越长，但测距盲区则越大。

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Study on the Influence of Pulse Waveform on Location of the Cable Fault Using Pulse Reflection Method

HE Guanghua，YU Jun，XU Kai，ZHENG Qishi，SUN Ke
（State Grid Wuxi Power Supply Company，Wuxi 214000，Jiangsu，China）

In this paper，the application of pulse reflection method in location of cable faults is studied.Using electromagnetic transient simulation model，the influences of different fault modes and different pulse waveform and width on the accuracy of measurement are analyzed.The simulation results show that the reflection waveform and the original pulse are of the same direction，while that of the ground fault is the reverse. In the pulse reflection method，we recommend to use square wave as a pulse waveform.The smaller the width of pulse waveform is，the higher the high frequency component is，and the faster the signal attenuation is.Although the measurement range will be smaller，there will be more accuracy.The conclusions made in this paper is of guidance significance to correct judgment of the fault type，determination of the pulse wave type and width.

pulse reflection method；fault location accuracy；pulse waveform摘要：针对脉冲反射法在电缆故障定位中的应用进行了研究。利用电磁暂态软件建立仿真模型，对电缆的不同的故障模式、脉冲波形和脉冲宽度对测量的精度的影响进行了分析。研究结果表明：断线故障的反射波形和原始脉冲是同向的，而接地故障反射波形是反向的，脉冲反射法中，推荐使用方波作为脉冲的波形。方波的脉冲波形宽度越窄，高频分量越高，信号衰减越快，则可测范围越短，测距精度越高。对正确判断故障类型、确定脉冲波形形式和宽度等具有重要指导意义。

1674-3814（2016）06-0068-05

TM247

A

2016-03-11。

何光华（1978—），女，硕士，高工，从事电力电缆施工、运检工作。

（编辑董小兵）

陕西省重点科技创新团队计划（2014KCT-16）。

Project Supported by Program of Key Science and Technoloty Innovation Team of Shaanxi（2014KCT-16）.