對配網電力電纜故障探測的方法淺析

摘要：論文分析了傳統配網電力電纜故障探測方法的不足和缺點，提出利用高頻感應法及紅外熱象技術兩種新方法來進行故障探測。高頻感應法較之音頻感應法有許多優點，而紅外熱象技術的先進性使其有很大發展潛力，是值得采用的電纜故障探測新方法。

關鍵詞：高頻感應；電力電纜；故障探測

引言

隨著經濟的快速發展，城市用電量劇增，而與此同時城市內線路走廊用地越來越少，征地所需費用也越來越昂貴。同架空線相比，電力電纜具有供電可靠性高，不受地面、空間建筑物的影響，不受惡劣氣候侵害，安全、隱蔽、耐用。因此，電力電纜在城區配網中所占比例越來越大，一些西方發達國家已經實現了配網電纜化。然而由于電纜敷設在電纜溝或直接埋于地下，長期同土壤、水分、潮氣接觸，絕緣易受到腐蝕滲透，再加上電纜制造或安裝時的局部缺陷，都可能造成故障。如果故障得不到及時排除，將會造成嚴重的經濟損失和社會影響，因此如何快速準確地探測到電纜故障點，多年來一直是國內外有關工程技術人員所研究的熱點。

測尋直埋電纜故障時，若無線路圖或線路圖不準確及標注不清，首先就需要探測電纜的敷設路徑，重新建立圖紙資料，特別是在故障電纜定點之前，對于敷設在電纜隧道或電纜溝中的多條電纜，有時也需將其中的故障電纜與其余電纜區別出來，傳統的方法一般是采用音頻感應法來探測。然后就是精測定點，對于高阻故障一般采用聲測法或聲磁同步法；而對于低阻故障則主要采用音頻感應法。因此若能使定點過程更準確，就可以避免一些盲目的工作，從而提高電纜故障探測的效率。

考慮到電力電纜故障的復雜性，僅從某一方面或期待于依賴某一種“萬能”方法都是不現實的，而應該是從各個可能的方面入手，盡量減少探測過程中的不確定因素，將各種新的科技成果應用到實踐中去。本文對傳統方法加以創新，探討了利用高頻感應法及紅外診斷新技術來探測電纜故障的方法。

1 電力電纜故障探測步驟

電纜故障的探測一般要經過診斷、測距、定點三個步驟：

1.1 電纜故障性質診斷，即確定故障的類型與嚴重程度，以便于測試人員選擇適當的電纜故障測距與定點方法，如確定是開路、低阻、高阻，還是閃絡性故障，從而相應采用目前流行的低壓脈沖反射法、直流閃絡法及沖擊閃絡法。

1.2電纜故障測距，又叫粗測，即在電纜的一端使用儀器確定故障的大致距離。

1.3電纜故障定點，又叫精測，探測時用lkHz～15kHz音頻信號發生器向被測電纜中通入音頻信號電流，從而產生相應的電磁波，然后在地面上用探頭沿待測電纜路徑接收音頻信號，并將接收的音頻信號送入接收機進行放大并送入耳機。根據耳機中響聲的變化可探測故障點的位置，在故障點，耳機中音頻信號聲響最強。當探頭從故障點前移1m～2m時，音頻信號聲響即降低，則音頻信號聲響最強處即為故障點。但同時音頻感應法仍存在許多問題，如抗干擾能力不強，過分依賴人耳的聽力，不能在線探測。若能在此基礎上加以改進無疑具有很現實的意義。

2基于高頻感應法的電纜故障定點方法

高頻感應法就是利用高頻信號發生器向待測電纜通高頻電流，發出高頻電磁波，然后在地面上用探頭沿待測電纜路徑接收電纜周圍高頻電磁場變化的信號，經接收處理后直接在液晶屏幕上顯示出來，根據顯示出數值的大小直接判斷故障點位置。高頻感應法與傳統的音頻感應法相比有如下諸多優點：

2.1對同一故障電纜來說，電容C是不變的，其容抗為1／ωC，與頻率呈反比而且阻抗主要是由容抗所決定，因此電纜對高頻信號所呈現的阻抗小而對音頻信號所呈現的阻抗大，故高頻信號在電纜上產生的電磁信號強度將高于音頻信號所產生的電磁信號強度，所以高頻信號發生器所需的功率比音頻信號發生器小得多。在目前的技術條件下，高頻信號源的功率本來就比音頻信號源的功率容易實現，現在所需功率反而減小，因此制造起來是不存在困難的；同時還有利于減少裝置體積、重量以及對電源的功率要求，為向小型化、便攜式發展創造了重要條件。

2.2雖然高頻信號在電纜中傳播時也會產生衰減且頻率越高衰減越快，但是應該注意到由于精測定點一般都是在粗測后進行，因此探測范圍已被縮小在某一區域內進行，空間范圍較小，在此空間內衰減后的高頻信號其強度仍足以符合探測的要求，主要是由于高頻信號較音頻信號的能量要高得多，其穿透力強，輻射力強，更易于接收和采集。若將不同頻率時接收機所能感受到的最低信號強度水平作個比較，可以發現高頻信號比音頻信號低得多，因此即使衰減后的高頻信號其探測靈敏度仍不低，同時其探測天線長度比音頻信號小得多，可使接收裝置體積和重量顯著減小，這樣可使接收機緊湊化，小型化，便于攜帶，同時高頻信號的頻譜距離工頻電流、高次諧波電流以及環境電磁干擾噪聲的頻段較遠，不會與其混疊，故其抗干擾性能較強。

2.3高頻信號由于其波長較短，故在較短的距離范圍內信號強度可從波峰變成波谷，這樣接收機的探測天線可在一個不大的空間中移動就容易感應出較大的電流信號，而音頻信號由于波長較大，在同一空間中導致探測天線上感應出的電流信號較高頻信號下小許多，可見高頻信號的靈敏度較高。高頻信號經采集后，可用高速A／D以及基于DSP的高通濾波器對其進行數字化濾波，然后在液晶屏上直接顯示出其數值，而音頻感應法是通過人耳對聲音強弱的分辨來故障定點，需要較多經驗，不如高頻感應法簡單、直觀、精確。

1-耦合線圈；2-高頻信號發生器；3-接收線圈；4-接收機；5-待測電纜

2.4采用高頻信號為實現在線探測電纜路徑打下了基礎。通常的電纜故障探測都必須在停電后把電纜從電網中解列，采用耦合式接線可望解決這一問題。如圖1所示，所謂耦合式接線就是將信號發生器的輸出線圈直接繞在待測電纜的鋼帶上，耦合線圈的匝數選5～7圈即可，通過耦合線圈向電纜發射-信號電流，此時可將電纜看成是一個等效電感，其所感應的信號電流向電纜發出電磁波，不過電磁波在向前傳播的過程中損耗大，衰減快，從而導致測尋的距離不遠，但若采用高頻信號，可望打破此瓶頸。雖然高頻信號在介質中傳播時頻率越高衰減越快，但由法拉弟電磁感應定律可知， ，且 與頻率與正比，即感應出的信號電流強度與頻率成正比，這可部分抵消這種不利影響，而且我們還可以通過適當提高高頻信號發生器的功率來進一步消除這種不利影響，因為電纜對高頻信號阻抗小而對音頻信號阻抗大，所以提高高頻信號發生器的功率比提高音頻信號發生器的功率容易得多，可使電纜上感應出強度足夠高的信號電流，使其滿足測量要求。

綜上所述高頻感應法有著音頻感應法所無法比擬的優點。

3紅外熱象技術在電纜故障診斷中的可行性探討

自1968年Barnes提出“診斷熱圖術(Diagnosticthermography)”的可行性以來，我國推廣應用紅外診斷技術，已取得了良好的經濟和社會效益，是電力設備在線監測的一項行之有效的技術手段，它借助于紅外輻射探測技術能夠非接觸、實時、快速在線獲取設備的運行狀態，而且不受高壓強電場的干擾和影響，抗干擾性強，可靠性高，近年來在我國應用較為迅速。如中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室進行的電纜火險隱患診斷研究，其原理為：電纜一旦過負荷，線芯溫度將急劇上升，高于允許溫度，因此可對電纜的線芯溫度進行監測。首先采用紅外熱象儀掃描電纜表面，拍攝出電纜的表面溫度場分布圖象，經處理可得出溫度場的具體數值分布，然后根據已建立的傳熱數學模型，根據電纜結構參數，物性參數，環境溫度及表面溫度對電纜線芯溫度進行反演計算，實現電纜線芯溫度的非接觸在線診斷，突破了傳統的接觸式檢測技術的局限性。

當電纜發生故障時，尤其在中間接頭或電纜終端時，用紅外熱象儀拍攝其熱圖像比較容易鑒別出故障位置。但當電纜內部絕緣缺陷而發生接地故障時，情況有所不同。一般認為電纜接地故障可分為高阻接地故障和低阻接地故障，主要根據接地故障電阻值R的大小來確定。當R呈現很大值時，此時的泄漏電流較小，其發熱功率P可能很小，從而導致檢測較困難；若R阻值緩慢減小，則泄漏電流增長，其發熱功率P增加，當R減小到某一臨界值時，發熱功率P達到最大值，此時電纜絕緣缺陷處溫度顯著高于正常處，最易檢測；若R再繼續減小，雖然泄漏電流仍不斷增加，但總的發熱功率P不增反減，因此發熱功率P與R之間是一個倒U型關系。所以若要使紅外熱象技術在電纜故障探測中有足夠精度，R值不能太大也不能太小，具體取值范圍需通過試驗來進一步確定，對于不同的絕緣材料可能有不同的取值范圍，超過這個范圍以外即為檢測的盲區。

紅外熱象技術在電纜故障探測時需要去掉電纜上面的覆蓋物。若電纜在電纜溝中則需將蓋板打開，若電纜在地下則還需開挖土方，雖然有不少局限性，但在某些情況下有其獨有的優越性。所以紅外技術在電纜故障探測中是一種可行的探測方法。只不過由于紅外診斷技術的普及目前尚處于起步階段，大都是利用典型紅外圖譜進行診斷，沒有共同的標準以供執行，基本上還處于經驗層次。由于發熱機理或熱量傳導途徑沒有數學模型支持，從而沒有對內部情況進行分析的能力，因此還有待進一步進行模擬試驗、現場診斷、積累熱圖譜和采用先進的圖像處理系統，最終達到可以通過設備的表面溫度場利用比較完善的傳熱數學模型反演推算其內部溫度，制定出故障判定標準，從而形成專家診斷系統。

傳熱數學模型的確立和完善是利用紅外技術實現對電纜內部故障非接觸診斷的關鍵，因此應對正常運行電纜的溫度場分布進行測定，并掌握其隨外部環境變化的規律，在建立熱象圖譜數據庫的基礎上應用先進的圖像處理系統，找出電纜線芯溫度與表面溫度場的合理數學模型，從而達到由“表”及“里”的溫度推算。

正是紅外技術不需接觸設備，不要求設備停運且操作簡便，檢測速度快、工作效率高等優點，隨著研究和應用的深入，必將發揮更大的作用。

4結論

綜上所述，配網電力電纜的故障探測方法，采用高頻感應法比音頻感應法要優越的多，而且它可以在不停電的情況下采用耦合式接線來實施在線的故障探測，簡單且效率高。紅外熱象技術是一種非接觸、實時、快速、在線探測電纜故障的高科技應用技術，其實用性主要決定于傳熱數學模型的完善性，因此在大量實測熱圖譜的基礎上，利用先進的圖像處理系統來完善數學模型是急需解決的核心問題。配網電力電纜的故障探測從離線探測向著在線探測發展是未來努力的方向。