电缆故障探测技术探讨

(中国水利水电第十工程局有限公司安装分局调试所，四川 都江堰，611830)

随着国民经济的发展，在城镇人口稠密的地方，在大型工厂、发电厂、交通拥挤区、电网交叉区等处，配电网络建设为了安全可靠，减少占地，减少对交通运输及城市建设的影响，多采用埋地动力电缆。对于大跨度、不宜架设过江、河架空线路的地段，最常用的方案也是采用电缆。

但是，地下动力电缆存在如下突出问题：外护套破损和进水情况严重；电缆故障抢修时间偏长；电缆竣工资料不完整造成电缆路径图纸往往和现状不符；缺少电缆整体老化评定技术等等。所有这些，都为电缆的维护维修工作带来了挑战，一旦电缆发生故障，很难较快地寻测出故障点的确切位置，不能及时排除故障、恢复供电，往往造成停电停产的重大损失。因此，提高电缆故障探测技术水平，十分重要。本文将探讨目前常用的几种方法：“电缆故障经典探测法”的惠斯登电桥探测法，更加先进的低压脉冲法及多次脉冲法。

1 电桥法电缆故障探测技术

电桥法原理如下：将被测电缆故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相，调节电桥两臂上的一个可调电阻器，使电桥平衡，利用比例关系和己知的电缆长度就能得出故障距离。电桥法的优点是比较简单，精确度符合现场工程测试要求，对于电缆线路的两相短路故障，测起来甚为方便。但是它的适用范围有限，对电缆线路的高阻和闪络性故障，由于电桥电流很小而不易探测。

电桥法的使用前提，必须已知被测电缆的准确长度，当一条电缆线路是由导体材料或截面不同的电缆组成时，还要进行换算。电桥法不能测量电缆线路的三相短路故障和三相断路故障。电桥法工作原理如图1所示(被测电缆末端无故障相与故障相短接，电桥两输出臂接无故障相与故障相)。

(1)测试接线图 (2)等效电路图

R1—已知测量电阻；R2—精密电阻箱；r1—BD两点间电阻；r2—CB两点间电阻。

图1 电桥法原理

图1中，线路接好后，仔细调节R2的数值，总可以使电桥平衡，即CD间的电位差为零，无电流流过检流计。此时，据电桥平衡原理不难得出：

l全长+l0=KlX，而l全长+l0+lX=2l全长，所以lX=2l全长/(K+1)

由上面推导得知，只要精确知道电缆长度l全长和测出电桥两已知电阻臂的比值K，就能精确计算出短路故障点至测试端的距离。但是，电桥法也存在很大的局限性，由于电源电压低和检流计电表灵敏度低，仅适用于对低阻故障的探测，一般要求故障点的电阻不超过100kΩ，最高也不得超过500kΩ，故障点电阻值越高，测试误差越大，通常在2kΩ以下为宜。

在电缆故障现场测试实践中，电桥法产生误差的因素很多，有时甚至测不到故障点。分析其原因，不外乎为以下几点：①故障点接地电阻R地的非线性形态使得直流电桥工作在非线性状态；②电桥的测试引线和电缆头短接线截面积选择不合理，影响了测量线路；③电桥检流计精确度不够，影响了测量准确度。

通过实践证明，只要保证电桥测量回路有5mA～10mA的电流，就可保持直流电桥处在良好的工作状态，有效地减少附加误差，提高电桥的测量质量。有针对性地解决以上三个问题的办法如下：

⑴选用合适的电源。对低阻接地故障，电桥电源的选择最好保证现场探测时电桥工作在线性状态，电源电池尽量选容量大一点的型号为好；

⑵选用适应非线性电阻的电压。高阻接地故障，一般是不使用电桥法，但采用一定的技巧后，电桥法仍可精确地探测高阻接地故障。即为了使电桥能够工作在线性状态，必须先做以下工作：①在用电桥法测量故障距离之前，需用高压设备将故障点烧穿，使其故障阻值降到可以用电桥法测量的范围，但此法仅适用于油浸纸电缆。对于交联聚乙烯电缆故障点，烧穿是件十分困难的工作，有时会出现故障点碳化，故障点接地阻值反而增高，烧穿法实不足取；②对故障电缆输入直流高压，找出接地电阻(非线性电阻)击穿电压的突变拐点值，然后在尽可能远离拐点值的接地电阻线性区域内找出一安全试验电压，使电桥回路电流稳定在5mA～10mA之间。该电压就是“高压电桥法”中保持工作状态良好的电源电压(该法是使用高压电桥法的关键技巧,具有广泛的适用性)。

⑶选择外接检流计方式。具体操作方法：对测量用的惠斯登电桥，首先降低检流计精度，并在分流器的保护下调整电桥使其平衡；再选用高精度检流计，用同样的方法再调整电桥使其平衡；最后，以高精度检流计下电桥平衡所测得的电阻值为依据，计算出故障点的距离。

2 低压脉冲法探测技术

利用行波法检测电缆故障，实际上是把动力电缆作为高频信号传输线，根据电波(波形)在电缆中传输过程的幅度、相位、速度、衰减等诸参数的变化规律，利用雷达测距原理确定电缆故障点至测试端的距离。

2.1 电缆中波的反射和反射系数

当电缆中出现断线或低阻故障时，故障点的等效阻抗与电缆的特性阻抗不相等(不匹配)，行波运动到该点时便会发生全部或部分能量反射，反射的大小与故障点的等效阻抗大小有关。

行波的反射程度可用发生反射的阻抗不匹配点的反射电压(电流)与入射电压(电流)之比K来表示。K称之为反射系数。

式中：Z1—故障点的等效阻抗值；

Z0—电缆的特性阻抗。

由反射系数公式可看出：

a.当Z1=Z0时，K=0，即反射系数为零。终端匹配时，入射波到达电缆终端后电压和电流就不再发生变化了，也不发生反射，能量全被Z1吸收，匹配无反射，此时看不到终端的反射回波。

b.当Z1=0时，K=-1，故障点短路，是负的全反射。短路点的反射电压与入射电压大小相等，方向相反，其合成电压为零，而短路点的电流会出现加倍现象。此时看到故障点的反射回波与发射脉冲波形幅度相等，而极性相反。

c.当Z1=∞时，K=+1，故障点开路，是正的全反射。此时看到故障点的反射回波与发射脉冲波形幅度相等而极性相同，开路点的实际电压是反射电压和入射电压之和。因此短路点会出现电压加倍现象。

d.如果故障点的等效阻抗小于电缆的特性阻抗又未完全短路，则是负的部分反射，反射脉冲的幅度小于发射脉冲，且极性相反。

e.如果故障点的等效阻抗大于电缆的特性阻抗又不是无穷大，则是正的部分反射，反射脉冲的幅度小于发射脉冲，但极性相同。

以上叙述是电缆故障点的等效阻抗在不同数值时，反射回波的幅值和极性变化的理论解释。

2.2 低压脉冲测试法工作原理

由行波在电缆中传播的理论分析知，电缆中的阻抗失配点会引起波的反射，利用观测到的发射脉冲和反射回波脉冲之间的时间差和电缆中行波的传输速度，就可计算出故障距离。计算公式如下：

式中：V—电波在电缆中的传播速度；

△t—发射脉冲与反射回波间的时间差。

低压脉冲测试标准波形如图2所示。

图2

相比电桥法，低压脉冲测试法更加简单直观，通过观察故障点反射脉冲和发射脉冲之间的时间差，借助计算机能很快自动算出故障点距离。

3 多次脉冲法探测技术

就大部分故障的本质来说，基本都属于绝缘体的损坏，而这种损坏，绝大多数并不是理想的低阻、短路和断路，而是属于高阻故障。高阻故障因为故障点阻值很高，该类型故障点的等效阻抗几乎等于电缆特性阻抗，所以反射系数K几乎等于零，这样就会得不到反射脉冲而无法测量。为了解决这个更为广泛和符合实际的问题，人们生产出了各种智能化的测试设备，并衍生出二次脉冲法、多次脉冲法等更加先进的测试手段，以弥补低压脉冲法在遇到高阻故障时的不足。但是归根到底，这些方法都是建立在低压脉冲法的基础之上的，在测试高阻故障时，只需要另外施加一个冲击高电压，利用电缆故障点被电弧击穿时形成的瞬时短路，发送一个低压测试脉冲，即可在该电弧短路点得到一个短路反射的回波，相当于将高阻故障转化为低阻故障，从而符合用低压脉冲法测试的条件。可以说，掌握了低压脉冲法，就基本掌握了雷达法故障测试的精髓。

4 低压脉冲法测试实例

以卡塔尔CP1项目电缆故障测试设备模拟测试图为例，分析在完成低压脉冲法测试电缆故障并录取到波形后，发射脉冲前沿拐点和回波脉冲前沿拐点的判断。典型波形如图3、图4、图5所示。

图3 短路故障波形示意

图3中，由于短路和低阻故障发射与返回脉冲极性相反，波形比较明显，游标卡在发射脉冲前沿拐点和返回脉冲前沿拐点，可以直接读取距离。

图4 断路故障和电缆全长的典型波形

图4中，由于开路故障的发射与返回脉冲极性相同，波形也比较明显，游标卡在发射脉冲前沿拐点和返回脉冲前沿拐点，直接读取距离。

图5 用长距离探测的宽脉冲来测试短电缆开路全长或短距离断路故障的波形

图5中，由于故障点靠近测试端，只有几十米，小于一个完整的脉冲宽度，所以，在发射脉冲后沿还没发出时，故障点就已经产生了反射脉冲，然后发射脉冲后沿才发出，这样拐点就产生在发射脉冲的前沿和后沿之间。短路和低阻故障也是如此，只是极性相反而已。在此可以总结出，在测短距离电缆故障或者故障点距离发射端较近时，选用远距离测量用的宽脉冲反而要好一些，因为选用短距离测试脉冲的话，发射脉冲后沿极有可能和故障点重叠或者相互干扰，那样就很难准确找出反射脉冲的波形拐点。

5 小结

在电缆故障的现场测试中，情况是相当复杂的，产生故障的原因、故障距离、电缆种类、电缆粗细、电缆电压等级、受潮程度、定点现场的环境噪声、电缆埋设深度、发生故障时间的长短、所选用的测试方法等，都直接影响到故障波形的变化。可以说，仪器所采集到的波形千变万化，虽然有一定的规律，但各次几乎没有相同的波形。若想熟练检测故障，除了长期的经验积累外，还要认真学习同行的经验。在无把握判断波形的情况下，用多种方法测试，用电桥法和脉冲法相互验证，最大限度地减少误判，切不可乱挖、乱刨、乱锯，否则将造成人力物力财力的浪费，延误供电恢复时间，导致更大的经济损失。

电缆故障探测技术是一门系统的学科，以上仅为初步的、结合实际经验的一些理解和总结，实际测量中需要的知识更多更广，需要不断地领会和积累，才能具备比较全面地掌握解决实际问题的能力。