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摘要: 本文介紹了電纜故障測試中應用弧反射法測試的基本原理，并比較了三級脈沖與多次脈沖的不同以及應用了該技術的電纜故障定位儀的系統(tǒng)組成。同時還闡述了這項技術成功應用的幾大要素。

關鍵詞：電力電纜、故障測試、弧反射、定位

電力電纜的大量使用在我國已經(jīng)有幾十年的歷史，前期使用運行的電纜現(xiàn)在已經(jīng)進入了衰老期，因此，電纜的故障發(fā)生率在近幾年呈明顯的上升趨勢，尋找一種快速而行之有效的電力電纜故障測試方法十分緊迫和必要。

現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用的電纜故障方法有行波法、電橋法、跨步電壓法等等。國內(nèi)大量采用的低壓脈沖法、高壓沖閃法都是行波法，這些方法基本能應付電纜的低阻、開路和短路故障，針對這些類型的電纜故障，國外大都采用的也是低壓脈沖法。但實際工作中遇到的故障以高阻故障居多，而國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的電纜故障測試儀全都沿用傳統(tǒng)的沖擊閃絡法和電流取樣技術。由于其測試波形較為復雜，要求操作使用人員必須訓練有素，而且要有較豐富的現(xiàn)場測試經(jīng)驗。這就給電纜測試造成了難題，使得多數(shù)人掌握不了波形分析的要領，難以在現(xiàn)場分析波形和快速準確地排除電纜故障。

歐美國家在電力電纜的高阻故障定位上的研究比較早，20世紀60 年代就發(fā)明了弧反射法，并在電力電纜高阻故障定位上得到了成功的應用，80～90 年代相繼推出了較為成熟的電力電纜故障定位系統(tǒng)。目前國外只有三家公司擁有這樣的弧反射法技術，分別在英國、德國和奧地利。我國在電纜故障定位方面的研究起步很晚，主要原因是芯片制造方面的不足導致硬件的瓶頸一直都沒能打破。再者，我們的技術人員，對弧反射技術的理論研究時間很短，對弧反射的相關知識還不夠豐富。

可喜的是，經(jīng)過近十年我國的使用單位和研制單位的共同努力下，國產(chǎn)的二級弧反射脈沖法、三級脈沖弧反射法電纜故障測試儀相繼問世，技術達到水平，打破了國外公司在此領域的壟斷。從綜合對比和實測效果來看，三級脈沖法電纜故障測試儀與國外同類型的*儀器在測試方法上無明顯差異甚至優(yōu)于某些國外品牌的電纜測試儀，而且其操作的簡便程度、測試速度、準確程度、機動性和性能價格比要優(yōu)于國外產(chǎn)品。

1、工作原理

先介紹一下電力電纜的低阻故障和高阻故障。低壓脈沖反射法適用于低阻( 低于10倍波阻抗) 、接地及開路故障，并可以測試電纜的全長和電波在電纜中的傳播速度，當電纜發(fā)生低阻或接地故障時，故障點處的等效阻抗應為故障電阻與電纜特性阻抗的并聯(lián)。故障電阻越小，反射波形越明顯。當故障電阻為零時為全反射，由于測試端等效阻抗( 測試儀器的輸入阻抗) 大于電纜特性阻抗，所以在測試端產(chǎn)生同極性反射脈沖。而在低阻或接地故障處，由于故障電阻小于電纜特性阻抗，所以入射脈沖進行故障點后產(chǎn)生反極性脈沖，并傳輸?shù)綔y試端，接收到的反極性脈沖的下降沿就對應故障點的反射波形。當電纜發(fā)生開路故障時，故障等效阻抗為故障電阻與電纜特性阻抗的串聯(lián)，開路即相當于故障電阻為無窮大，這種情況入射脈沖將形成全反射，在測試端產(chǎn)生同極性反射脈沖，接收到同極性的脈沖的上升沿與故障點的反射波形對應。

低壓脈沖法測試的波形簡單易判讀，但對高阻故障不可測試。原因是低壓脈沖的電壓低，不足以擊穿故障點形成反射。而高阻故障的傳統(tǒng)測試方法（除短路、開路以外的故障）需要施加高壓脈沖，擊穿故障并放電，產(chǎn)生放電電流，將放電電流波形記錄下來，再依據(jù)波形特征分析故障點距離，這就是高壓閃絡法或叫脈沖電流法。從理論上講，放電電流波形是有一定周期性的，只要找到了周期性就能確定出故障點距離（如圖三）。而實際采樣時，受多種因素的影響，其周期性比較難分析，即使有一定測試經(jīng)驗的人員，分析起來也常出差錯（如圖四）。這就是脈沖電流法推廣應用受阻的原因，也是電纜故障測試比較難的問題所在。

據(jù)相關統(tǒng)計，高阻故障占到電纜故障的95%以上。如果能將高阻故障的放電電流波形變得像分析低壓脈沖短路波形一樣容易，那就解決了高阻故障測距的難題，解決了電纜故障測試儀推廣應用的瓶頸。目前已有國際通用的三級脈沖法和國內(nèi)的二次脈沖法（或多次脈沖）可以實現(xiàn)這一功能。

實現(xiàn)這一功能的基本條件是：擊穿故障點并保持燃弧短路一定時間，即高阻故障瞬間變成短路故障，在燃弧短路穩(wěn)定期，觸發(fā)測量脈沖采樣，此刻采到的波形必然是“低壓脈沖短路波形”。

二次脈沖法在電纜故障定位中的應用的工作原理如上圖所示。首先使用一定電壓等級、一定能量的高壓脈沖在電纜的測試端施加給故障電纜，讓電纜的高阻故障點發(fā)生擊穿燃弧。同時，在測試端加入測量用的低壓脈沖，測量脈沖到達電纜的高阻故障點時，遇到電弧，在電弧的表面發(fā)生反射。由于燃弧時，高阻故障變成了瞬間的短路故障，低壓測量脈沖將發(fā)生明顯的阻抗特征變化，使得閃絡測量的波形變?yōu)榈蛪好}沖短路波形，使得波形判別特別簡單清晰。這就是我們稱之為的“二次脈沖法”。接收到的低壓脈沖反射波形相當于一個線芯對地*短路的波形。將釋放高壓脈沖時與未釋放高壓脈沖時所得到的低壓脈沖波形進行疊加，2個波形會有一個發(fā)散點，這發(fā)散點就是故障點的反射波形點。這種方法把低壓脈沖法和高壓閃絡技術結(jié)合在一起，使測試人員更容易判斷出故障點的位置。與傳統(tǒng)的測試方法相比,二次脈沖法的*之處，是將沖擊高壓閃絡法中的復雜波形簡化為的低壓脈沖短路故障波形，所以判讀極為簡單，可準確標定故障距離。

相對于高壓閃絡法，二次脈沖法在燃弧時間和采樣成功率方面有了改善，但是，二次脈沖法要求擊穿燃弧與低壓脈沖必須保持高度的同步（燃弧時間也只有微秒級）。在此極短的時間內(nèi)發(fā)出采樣脈沖并保證同步是有難度的。因此產(chǎn)生了變通的所謂 “八次脈沖或多次脈沖法”，即在擊穿燃弧時發(fā)出一連串（八個或更多）低壓脈沖，一串不同時間的低壓脈沖總有一個是與高壓燃弧合拍的。盡管如此，也不能保證采樣成功率99%。

針對二次脈沖法的缺點，三級脈沖進行了升級，技術上有了質(zhì)的突破。

三級脈沖法采用雙沖擊方法延長燃弧時間并穩(wěn)弧,能夠輕易地定位高阻故障和閃絡性故障。三級脈沖法技術*,操作簡單,波形清晰,定位快速準確,目前已經(jīng)成為高阻故障和閃絡性故障的主流定位方法。三級脈沖法是二次脈沖法的升級，其方法是首先在不擊穿被測電纜故障點的情況下，測得低壓脈沖的反射波形（此為級脈沖），緊接著用高壓脈沖擊穿電纜的故障點產(chǎn)生電?。ù藶榈诙壝}沖），在電弧電壓降到一定值時觸發(fā)中壓續(xù)弧脈沖（此為第三級脈沖）來穩(wěn)定和延長電弧時間，使燃弧時間提高了百倍以上，延長到毫秒級，之后再發(fā)出低壓脈沖，從而輕松得到故障點的反射波形，兩條波形疊加后同樣可以發(fā)現(xiàn)發(fā)散點就是故障點對應的位置。由于采用了中壓脈沖來穩(wěn)定和延長電弧時間，它比二次脈沖法更容易得到故障點波形。采樣成功率可實現(xiàn)99%。相對于二次脈沖法由于三級脈沖法不用選擇燃弧的同步時長，操作起來也跟加簡便?？梢詫崿F(xiàn)自動判距。

2、 系統(tǒng)組成

三級脈沖、續(xù)弧反射法控制單元、高壓沖擊單元

部分：三級脈沖電纜故障測試儀

三級脈沖負責向電纜輸入測量脈沖，并判斷什么時候觸發(fā)電路發(fā)送測量脈沖合適，為保證儀器成功捕捉到故障點的技術關鍵。同時，它還負責把采集到的信號進行濾波，提出其中的有用的測量脈沖。三級脈沖電纜故障測試儀這個部分是整個三級脈沖電纜故障測試儀器的大腦，負責向其他部件發(fā)送各種指令，協(xié)調(diào)各部件的工作，并向操作者提供人機對話的界面。它的主要功能是對測量脈沖進行高速的采樣和記錄，對采集的到信號進行高速的運算分析。對每次采集到的測量脈沖進行高速傅里葉變換分析，成功地捕捉到電纜高阻故障的低壓脈沖波形，便于電纜故障測試人員分析。

第二部分：控制單元

控制單元是高壓脈沖、中壓脈沖和低壓測量脈沖匯合的部件，它對信號的處理直接影響著儀器的測量精度、穩(wěn)定性以及測量成功的幾率。控制單元中的高壓濾波單元可以濾掉高壓脈沖的毛刺，使高壓脈沖變得平滑，并在故障點形成穩(wěn)定的燃弧、延弧，同時也可減少高壓脈沖對波形記錄分析儀信號采集的干擾。過壓保護單元除了保護著三級脈沖電纜故障測試儀不受高壓脈沖的沖擊之外，還是低壓測量脈沖的分壓采樣的重要部件，是測量脈沖輸出、輸入交互的接口電路。

控制單元是一種連接裝置，用來連接三級脈沖反射儀和高壓脈沖發(fā)生器，以便實現(xiàn)高阻和間歇性故障的預定位。通過脈沖發(fā)生器的使用和故障點處控制器的濾波器的阻塞作用，系統(tǒng)創(chuàng)建了一次閃絡。此閃絡將高阻故障臨時轉(zhuǎn)變成為低阻故障。這樣，該故障就可以產(chǎn)生一次反射，并很方便地存儲在三級脈沖電纜故障測試儀中。通過對比閃絡前的軌跡線和閃絡過程中的軌跡線，就可以清晰顯示出故障距離。

第三部分：高壓脈沖發(fā)生器

高壓脈沖發(fā)生器是該套電纜故障預定位儀的能量提供部分，向外提供高壓高能的電壓脈沖。主要由升壓器、高壓整流二極管、充電電容、放電機構(gòu)組成。

3、 弧反射法成功應用的幾大要素

電纜故障預定位儀要成功的運用弧反射的方法，除了要求研制者熟悉弧反射的原理外，其儀器的硬件性能必須滿足如下幾大要素：

一、故障點燃弧要穩(wěn)定：高壓脈沖加到故障電纜的測試端后，要在高阻故障點形成穩(wěn)定的燃弧，這是弧反射法應用成功的前提。要盡可能在低的電壓水平下形成擊穿，并且高壓擊穿回路中不能有阻尼電路，影響正常放電。比如二次及多次脈沖法就在放電回路中加入了幾百歐的阻尼電阻，這就造成了故障點燃弧困難及燃弧不穩(wěn)定，并且由于引入了阻尼電阻，所施加的高壓不得不大大地高于正常擊穿所需高壓。而三級脈沖法則不存在這種情況，由于沒有采用阻尼電阻，擊穿電壓為正常擊穿電壓，不會對電纜造成損壞。

二、故障點穩(wěn)弧時間要長：故障點擊穿后形成燃弧，這時還要盡可能的延長燃弧的時間，這是弧反射成功的關鍵點，這個過程叫穩(wěn)弧及續(xù)弧。穩(wěn)弧不僅僅需要很高的電壓和很大的輸出電流，而是需要高壓脈沖有一定大的能量，即是電壓、電流和時間的乘積：Q = U•I•t。不同電壓等級的電纜，其電纜的耐壓能力不同，再者，故障點絕緣情況不同，產(chǎn)生燃弧所需的電壓、電流、能量都不同。三次脈沖的第二級脈沖可以在控制單元的控制下自動完成穩(wěn)弧，并且起到續(xù)弧的功能。而二次及多次脈沖法缺少這個穩(wěn)弧、續(xù)弧環(huán)節(jié)，直接造成了故障預定位率低。

三、發(fā)射脈沖要及時:在電纜故障點高壓擊穿后，向電纜測試端加入的第二級脈沖及第三級脈沖要及時有序的施加到被測電纜上。如果第二級脈沖施加得太早或太晚，則白白損失能量起不到穩(wěn)弧及續(xù)弧的功能。而第三級脈沖如果施加過早，則低壓脈沖到達故障點時，燃弧還未產(chǎn)生，低壓脈沖會直接采集到來自終點端頭的反射波，甚至接收不到任何反射波；如果加入得太晚，低壓脈沖波頭到達故障點時，燃弧已經(jīng)結(jié)束，波形記錄儀可能接收到來自終點端頭的反射波。這樣，時域反射儀無法接收到來自故障點的反射波，導致故障定位失敗。這要求儀器的程序處理中心能良好的協(xié)調(diào)各部件的工作來保證正確的采集到弧反射波形。

四、時域弧反射儀的抗力要強：由于電力電纜的故障測試都是在強磁場、高電壓的惡劣環(huán)境下進行的，對電磁兼容性要求比較高，不能頻繁出現(xiàn)死機、花屏、無反射波等現(xiàn)象。這時時域弧反射儀處理器采用工業(yè)級的芯片，以達到良好的采樣效果。

4 結(jié)束語

三級弧反射法是目前國際上采用的的方法，針對電纜故障定位的其他方法的研究也在緊密地進行之中。隨著我國相關制造技術的提高，國際、國內(nèi)技術交流的增多，我國的技術人員一定能很好的掌握這項技術，研發(fā)出性能更好的電纜故障定位系統(tǒng)，甚至發(fā)現(xiàn)更好的電纜故障定位的方法。三級脈沖法電纜故障測試儀的研究成功，代表了國內(nèi)及電纜測試的發(fā)展趨勢。相信隨著宣傳及推廣，它們會迅速普及到廣大電纜維護者手中，為我國的電力電纜維護做出積極的貢獻。

5.參考文獻
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