電纜故障的脈沖反射測試技術與特殊波形的分析

于景豐， 張慶立

(1.興樂集團有限公司，浙江 樂清325604;2.西安電子科技大學，陜西西安710065)

0 引言

電力電纜的故障與其設計、生產、敷設、運行及維護情況密切相關，因此，造成的電纜故障的性質和種類千差萬別，這給電纜故障距離的測量帶來相當大的難度。以往采用經典的測試方法，不僅適用性差、費時、費力，長時間的測試也會帶來更大的停電損失。脈沖反射法無需燒穿即可測試電纜的低阻、高阻、斷線、泄漏(預防性耐壓試驗中，泄漏電流隨試驗電壓的升高而增大，直至超過泄漏電流的允許值，這種高阻故障稱為泄漏性故障)和閃絡性故障(預防性耐壓試驗中，泄漏電流小而平穩。但當試驗電壓升至某一值——尚未或已經達到額定試驗電壓時，泄漏電流突然增大并迅速產生閃絡擊穿，這種高阻故障稱為閃絡性故障)，并且測試工作快速、簡單，測試結果準確，但是，當故障點位于電纜兩端及其附近時，由于波形的改變，使故障點的識別和故障距離的測量幾乎無法進行。本文介紹筆者幾年來理論探討與實測研究的結果，即兩端故障波形的分析與距離測量方法。

脈沖反射法可分為低壓脈沖法、直閃法和沖閃法。低壓脈沖法對低阻和斷線故障十分有效，并可測量電纜全長及電波在電纜中的傳播速度。直閃法適用于閃絡性高阻故障。沖閃法適用于各種電纜故障，尤其對泄漏性高阻故障十分有效。三種測試方法的標準波形參見圖1、圖2和圖3(Lx為故障點到測試端的距離)。

圖1 低壓脈沖法標準波形

如果已知電波在電纜中的傳播速度V，電波從測試端到故障點往返一次的時間T，那么故障距離

圖2 直閃法標準波形

圖3 沖閃法標準波形

Lx可由式(1)計算:

1 故障點位于首端及其附近的特殊波形分析與測量

當故障點位于首端(測試端)及其附近大約40 m以內時，由于故障波形的改變，常規的測量方法已無法測算故障距離，通常把該范圍定義為“盲區”。

大量實測波形的研究結果表明:盲區內故障點的反射特性仍然符合脈沖原理，只是由于故障點太近，測到的波形是一個經過入射脈沖和反射脈沖(低壓脈沖法)或多次反射脈沖的疊加波形，因此其波形外貌已發生了根本的改變。筆者利用行波的傳播、反射、疊加等原理，對盲區波形進行剖析，從而獲得了盲區波形改變的理論依據及故障距離測算的有效方法，現分述如下:

(1)低壓脈沖法

低壓脈沖法是在故障相上于t0時注入低壓發射脈沖，該脈沖將沿電纜傳播，直到阻抗失配的地方，如短路、接地、斷線或終端等處，在這些點上，脈沖波都將發生反射，反射脈沖依次于t1、t2時回到測試端，如圖1所示。由式(1)變換可得:

如果發射脈沖的寬度為τ，當T＜τ時，將發生入射波和反射波的疊加情況，其疊加波形的形成剖析如圖4所示。

(2)直閃法

圖4 低壓脈沖法疊加波形

當施加于故障電纜的直流負高壓達到一定值時，故障點被擊穿，產生電壓躍變即放電脈沖波，并于t0時到達測試端，根據電波的反射原理，該脈沖波將在測試端與故障點之間來回反射，于t1、t2時到達測試端，如圖2所示。故障點擊穿而形成的短路電弧使故障點產生電壓躍變時，如果故障點靠近首端，這一躍變電波尚未達到穩態值時，下一反射波又已到達，形成多次反射的疊加，故障距離越近，波形中快速的過渡振蕩越密集。波形的疊加原理與低壓脈沖法相同，如圖5所示。

圖5 故障點位于首端及其附近的直閃波

由圖5可知:T=t1－t0或T=t2－t1，當T值太小時，不易取得精確數據，這時可取一較大的時間t(3～5 μs)，然后由圖5確定t時間內的反射次數n，于是推導出盲區內故障距離的計算公式為:

式(3)是利用幾何平均法計算Lx值，其計算結果比式(1)更精確。

(3)沖閃法

沖閃法是在高壓試驗設備的出口、電容器及電纜之間串入一球隙，當通過高壓電路施加于電容器上的電壓達到球隙擊穿電壓時，球隙擊穿，電容器對電纜放電。設該放電電壓幅值大于故障點臨界擊穿電壓，當其沿電纜線路運動到故障點，并經過△T時間積累足夠的能量后，故障點電離擊穿放電，產生躍變的脈沖電波。根據電波的反射原理，該反射脈沖將在測試端與故障點之間來回反射，若球隙在t'時擊穿，則經過T/2+△T時間故障點放電。故障點的放電脈沖再經T/2時間于t0時到達測試端，然后每隔時間T將有一個反射脈沖到達測試端，直至能量耗盡，整個放電過程結束，其波形如圖3所示。當故障點位于首端及其附近時，該電波在測試端與故障點之間的反射和疊加均與直閃法相同，其波形如圖6所示。圖6波形中的T、Lx值同樣可采用直閃法中推導出的方法測量與計算。

圖6 故障點位于首端及其附近的沖閃波

2 故障點位于末端及其附近的特殊波形分析與測量

使用沖閃法時，由于球間隙放電電壓尚未達到(但接近)故障點臨界擊穿電壓值，使電壓行波穿過故障點于tf0時運動到末端，并在那里產生正反射。由于故障點距離末端較近，其放電延遲△T較大，該反射電壓將與入射電壓產生疊加，而疊加電壓使故障點擊穿，此時來自故障點及末端的反射波均進入儀器，形成非標準的復雜波形，如圖7所示。

圖7 故障點位于末端及其附近的沖閃波

根據上述分析，利用圖7波形，便可確定故障點與測試端之間電波往返一次的時間T=t1－t0。

3 實測案例

(1)故障線路情況。一條電纜型號為ZQ02-10 3×150，其運行電壓為10 kV，敷設方式為直埋，電纜線路全長為1 238 m，運行時間為28年。該電纜線路在預防性試驗中B、C兩相耐壓試驗擊穿，測得A、B、C 三相絕緣電阻分別為2 000 MΩ、200 kΩ 和300 kΩ。

(2)故障點定位。由于是高阻故障，故選用沖閃法測試。在首端測得B、C兩相沖閃波形如圖8、圖9所示。圖8中，LXB為B相測取1次反射的故障距離，LXB=34.7 m;LXB'為B相測取5次反射的故障距離，5LXB'=148.6 m。圖9中，LC為C相測取的故障距離，LC=1 240 m。

圖8 B相首端沖閃波形

圖9 C相首端沖閃波形

在末端測得B、C兩相沖閃波形均為圖10所示波形。lXB為B相測取的故障距離，lXB=1 212 m;lXC為C相測取的故障距離，lXC=1 236 m。

圖10 B、C相末端沖閃波形

(3)測試結果分析。在首端測得的波形說明B相故障距首端較近，LXB'=29.72 m;C相波形上測得的LC近似電纜全長，出現的反射脈沖為終端反射脈沖。

從末端測得的波形(圖 10)上可得lXB=1 212 m，這與在首端測試的結果相互呼應，而lXC=1 236 m(近似全長)，同時看到較為明顯的負反射，說明故障點位于終端及其附近。

故障的精測定點比較順利，采用聲測定點法，B相故障在(距首端)30 m處精確定點，C相故障在首端戶內頭下250 mm處定點。

根據圖8，進行相對誤差計算，由于測得LXB=34.7m，LXB'=29.72 m，而實際定點的故障距離是30 m，所以測取1次和5次反射的誤差η1和η5:

根據圖10進行相對誤差計算，由于測得lXC=1 236 m，而實際定點的故障距離約為電纜全長，所以C相的測試誤差ηc為:

通過這一電纜故障實測案例，我們體會到:始端故障(如C相故障)在聲測定點時，由于故障點與放電球間隙的放電是同步進行的，不易區分與識別，此時應將沖擊放電裝置(或放電球間隙)移到電纜另一端;否則應采取其它措施來輔助定點。

4 結束語

當故障點位于電纜首、末兩端及其附近時，利用上述波形分析與測算方法是十分有效的，可從根本上解決“盲區”內的測量問題以及末端反射的干擾問題。因此，使電纜故障的測試技術更加完善。