电缆故障的脉冲反射测试技术与特殊波形的分析

于景丰， 张庆立

(1.兴乐集团有限公司，浙江 乐清325604;2.西安电子科技大学，陕西西安710065)

0 引言

电力电缆的故障与其设计、生产、敷设、运行及维护情况密切相关，因此，造成的电缆故障的性质和种类千差万别，这给电缆故障距离的测量带来相当大的难度。以往采用经典的测试方法，不仅适用性差、费时、费力，长时间的测试也会带来更大的停电损失。脉冲反射法无需烧穿即可测试电缆的低阻、高阻、断线、泄漏(预防性耐压试验中，泄漏电流随试验电压的升高而增大，直至超过泄漏电流的允许值，这种高阻故障称为泄漏性故障)和闪络性故障(预防性耐压试验中，泄漏电流小而平稳。但当试验电压升至某一值——尚未或已经达到额定试验电压时，泄漏电流突然增大并迅速产生闪络击穿，这种高阻故障称为闪络性故障)，并且测试工作快速、简单，测试结果准确，但是，当故障点位于电缆两端及其附近时，由于波形的改变，使故障点的识别和故障距离的测量几乎无法进行。本文介绍笔者几年来理论探讨与实测研究的结果，即两端故障波形的分析与距离测量方法。

脉冲反射法可分为低压脉冲法、直闪法和冲闪法。低压脉冲法对低阻和断线故障十分有效，并可测量电缆全长及电波在电缆中的传播速度。直闪法适用于闪络性高阻故障。冲闪法适用于各种电缆故障，尤其对泄漏性高阻故障十分有效。三种测试方法的标准波形参见图1、图2和图3(Lx为故障点到测试端的距离)。

图1 低压脉冲法标准波形

如果已知电波在电缆中的传播速度V，电波从测试端到故障点往返一次的时间T，那么故障距离

图2 直闪法标准波形

图3 冲闪法标准波形

Lx可由式(1)计算:

1 故障点位于首端及其附近的特殊波形分析与测量

当故障点位于首端(测试端)及其附近大约40 m以内时，由于故障波形的改变，常规的测量方法已无法测算故障距离，通常把该范围定义为“盲区”。

大量实测波形的研究结果表明:盲区内故障点的反射特性仍然符合脉冲原理，只是由于故障点太近，测到的波形是一个经过入射脉冲和反射脉冲(低压脉冲法)或多次反射脉冲的叠加波形，因此其波形外貌已发生了根本的改变。笔者利用行波的传播、反射、叠加等原理，对盲区波形进行剖析，从而获得了盲区波形改变的理论依据及故障距离测算的有效方法，现分述如下:

(1)低压脉冲法

低压脉冲法是在故障相上于t0时注入低压发射脉冲，该脉冲将沿电缆传播，直到阻抗失配的地方，如短路、接地、断线或终端等处，在这些点上，脉冲波都将发生反射，反射脉冲依次于t1、t2时回到测试端，如图1所示。由式(1)变换可得:

如果发射脉冲的宽度为τ，当T＜τ时，将发生入射波和反射波的叠加情况，其叠加波形的形成剖析如图4所示。

(2)直闪法

图4 低压脉冲法叠加波形

当施加于故障电缆的直流负高压达到一定值时，故障点被击穿，产生电压跃变即放电脉冲波，并于t0时到达测试端，根据电波的反射原理，该脉冲波将在测试端与故障点之间来回反射，于t1、t2时到达测试端，如图2所示。故障点击穿而形成的短路电弧使故障点产生电压跃变时，如果故障点靠近首端，这一跃变电波尚未达到稳态值时，下一反射波又已到达，形成多次反射的叠加，故障距离越近，波形中快速的过渡振荡越密集。波形的叠加原理与低压脉冲法相同，如图5所示。

图5 故障点位于首端及其附近的直闪波

由图5可知:T=t1－t0或T=t2－t1，当T值太小时，不易取得精确数据，这时可取一较大的时间t(3～5 μs)，然后由图5确定t时间内的反射次数n，于是推导出盲区内故障距离的计算公式为:

式(3)是利用几何平均法计算Lx值，其计算结果比式(1)更精确。

(3)冲闪法

冲闪法是在高压试验设备的出口、电容器及电缆之间串入一球隙，当通过高压电路施加于电容器上的电压达到球隙击穿电压时，球隙击穿，电容器对电缆放电。设该放电电压幅值大于故障点临界击穿电压，当其沿电缆线路运动到故障点，并经过△T时间积累足够的能量后，故障点电离击穿放电，产生跃变的脉冲电波。根据电波的反射原理，该反射脉冲将在测试端与故障点之间来回反射，若球隙在t'时击穿，则经过T/2+△T时间故障点放电。故障点的放电脉冲再经T/2时间于t0时到达测试端，然后每隔时间T将有一个反射脉冲到达测试端，直至能量耗尽，整个放电过程结束，其波形如图3所示。当故障点位于首端及其附近时，该电波在测试端与故障点之间的反射和叠加均与直闪法相同，其波形如图6所示。图6波形中的T、Lx值同样可采用直闪法中推导出的方法测量与计算。

图6 故障点位于首端及其附近的冲闪波

2 故障点位于末端及其附近的特殊波形分析与测量

使用冲闪法时，由于球间隙放电电压尚未达到(但接近)故障点临界击穿电压值，使电压行波穿过故障点于tf0时运动到末端，并在那里产生正反射。由于故障点距离末端较近，其放电延迟△T较大，该反射电压将与入射电压产生叠加，而叠加电压使故障点击穿，此时来自故障点及末端的反射波均进入仪器，形成非标准的复杂波形，如图7所示。

图7 故障点位于末端及其附近的冲闪波

根据上述分析，利用图7波形，便可确定故障点与测试端之间电波往返一次的时间T=t1－t0。

3 实测案例

(1)故障线路情况。一条电缆型号为ZQ02-10 3×150，其运行电压为10 kV，敷设方式为直埋，电缆线路全长为1 238 m，运行时间为28年。该电缆线路在预防性试验中B、C两相耐压试验击穿，测得A、B、C 三相绝缘电阻分别为2 000 MΩ、200 kΩ 和300 kΩ。

(2)故障点定位。由于是高阻故障，故选用冲闪法测试。在首端测得B、C两相冲闪波形如图8、图9所示。图8中，LXB为B相测取1次反射的故障距离，LXB=34.7 m;LXB'为B相测取5次反射的故障距离，5LXB'=148.6 m。图9中，LC为C相测取的故障距离，LC=1 240 m。

图8 B相首端冲闪波形

图9 C相首端冲闪波形

在末端测得B、C两相冲闪波形均为图10所示波形。lXB为B相测取的故障距离，lXB=1 212 m;lXC为C相测取的故障距离，lXC=1 236 m。

图10 B、C相末端冲闪波形

(3)测试结果分析。在首端测得的波形说明B相故障距首端较近，LXB'=29.72 m;C相波形上测得的LC近似电缆全长，出现的反射脉冲为终端反射脉冲。

从末端测得的波形(图 10)上可得lXB=1 212 m，这与在首端测试的结果相互呼应，而lXC=1 236 m(近似全长)，同时看到较为明显的负反射，说明故障点位于终端及其附近。

故障的精测定点比较顺利，采用声测定点法，B相故障在(距首端)30 m处精确定点，C相故障在首端户内头下250 mm处定点。

根据图8，进行相对误差计算，由于测得LXB=34.7m，LXB'=29.72 m，而实际定点的故障距离是30 m，所以测取1次和5次反射的误差η1和η5:

根据图10进行相对误差计算，由于测得lXC=1 236 m，而实际定点的故障距离约为电缆全长，所以C相的测试误差ηc为:

通过这一电缆故障实测案例，我们体会到:始端故障(如C相故障)在声测定点时，由于故障点与放电球间隙的放电是同步进行的，不易区分与识别，此时应将冲击放电装置(或放电球间隙)移到电缆另一端;否则应采取其它措施来辅助定点。

4 结束语

当故障点位于电缆首、末两端及其附近时，利用上述波形分析与测算方法是十分有效的，可从根本上解决“盲区”内的测量问题以及末端反射的干扰问题。因此，使电缆故障的测试技术更加完善。