1、. 基于脈沖反射法的電纜故障反射波形分析1 電纜線路行波測(cè)距理論分析1.1 波速度在被測(cè)電纜的一端施加脈沖電壓后，由于電纜中分布電感和分布電容的存在，電流在分布電感中不能立即產(chǎn)生，電壓在分布電容上也不能馬上建立，都需要一定的時(shí)間才能到達(dá)電纜的末端。因此，電磁波在電纜中是以一定的速度傳播的，電磁波在電纜中的傳播速度為v，可表示為：(1-1)其中，為光速，等于；為真空或氣體的介電常數(shù)，為；為相對(duì)介電常數(shù)；為真空磁導(dǎo)率，為；為相對(duì)磁導(dǎo)率。由式(1-1)可見，電纜中電磁波的傳播速度與電纜的導(dǎo)體材料、長度、構(gòu)造等無關(guān)，只與絕緣材料的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電系數(shù)有關(guān)，而不同絕緣材料的介電系數(shù)互不一樣。因此，不

2、同絕緣材料電纜中電磁波的傳播速度也互不相等。但同種絕緣材料的電纜中，電磁波傳播速度是不變的。采用脈沖反射法測(cè)量電纜故障距離時(shí)需要知道電磁波在電纜中的傳播速度。常用電力電纜中電磁波的傳播速度參考值如表1.1所示1：表1.1 電纜中脈沖波速度參考值序號(hào)電纜絕緣介質(zhì)脈沖傳播速度()1空氣絕緣2942聚乙烯2013填充聚乙烯1924油浸紙1605交聯(lián)聚乙烯156-1746填充聚乙烯1927泡沫聚乙烯2468聚四氟乙烯2139高分子聚合物168-18610紙，充油150-1681.2 波阻抗當(dāng)電力電纜被等效看成長線時(shí)，可以用一個(gè)特性參數(shù)來描述電纜中電壓和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這個(gè)特性參數(shù)就是特性阻抗，又稱波阻

3、抗。在電纜中，電壓信號(hào)和電流信號(hào)是相互伴隨向前傳播。經(jīng)分析Z可表示為： (1-2)由于上式中的和除了與電纜所用的絕緣材料的介電系數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān)，還與電纜的截面構(gòu)造、絕緣層厚度、芯線與外保護(hù)層間的距離等幾何構(gòu)造有關(guān)，因此不同種類、不同型號(hào)的的電纜，它們的波阻抗也不相等。電纜線路的大而小，因此電纜的波阻抗比架空線路小很多，而且變化圍很大，大約在1040之間2。對(duì)于正向電壓波與電流波之間，滿足關(guān)系3： (1-3)對(duì)于反向電壓波與電流波之間，則 (1-4)由上可看出，正向電壓、電流波同極性，而反向電壓、電流波反極性。假設(shè)電壓行波極性為正，則線路上電流行波的流動(dòng)方向就是電壓行波的流動(dòng)方向。電纜的波阻抗與

4、電纜本身的構(gòu)造與絕緣介質(zhì)及導(dǎo)體材料有關(guān)，而與電纜的長度無關(guān)，即使很小一段電纜，它的波阻抗也處處相等。波阻抗是電纜中一對(duì)正向或反向電壓、電流波之間的幅值之比，而不是任一點(diǎn)電壓、電流瞬間幅值之比，因?yàn)殡娎|任一點(diǎn)電壓、電流的瞬時(shí)值是通過該點(diǎn)的許多個(gè)正向與反向電壓、電流行波相迭加而形成的。1.3 電纜中電磁波的反射電纜中行波的傳播情況是由電纜的波阻抗來決定的，行波在一條均勻無損單導(dǎo)線上傳播時(shí)速度一定、幅值恒定、波形不變。然而在實(shí)際線路中，總會(huì)遇到線路均勻性遭到破壞的情況，例如兩條波阻抗不同的電纜相連接時(shí)、電纜發(fā)生故障時(shí)、線路的末端等，行波到達(dá)這些地方時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)電壓、電流、能量的重新分配，這些地方稱之

5、為節(jié)點(diǎn)。電壓、電流和能量重新分配的過程也就是行波的折射和反射現(xiàn)象4。脈沖法進(jìn)展電纜故障測(cè)距時(shí)，脈沖在阻抗不匹配處會(huì)發(fā)生反射和折射，其反射和折射系數(shù)可以用反射電壓(電流)與入射電壓(電流)的比值表示。如圖1.1所示，入射波從S端口進(jìn)入，故障點(diǎn)F處的等效阻抗為，入射波到達(dá)故障點(diǎn)F產(chǎn)生反射和折射。假設(shè)入射電壓、電流分別為和，反射電壓、電流分別為和，折射電壓、電流分別為和。圖1.1 脈沖波形反射分析圖根據(jù)上圖1.1可知入射、反射和折射電壓三者之間的關(guān)系，入射、反射和折射電流三者之間的關(guān)系，以及入射電流、折射電流和波阻抗之間的關(guān)系，即： (1-5)則電流折射系數(shù)為： (1-6)電流反射系數(shù)為： (1-7

6、)電壓折射系數(shù)為： (1-8)電壓反射系數(shù)為： (1-9)2 脈沖反射法電纜故障波形分析根據(jù)上一章節(jié)的理論分析，下面討論當(dāng)電力電纜發(fā)生短路、斷路、低阻以及高阻故障時(shí)其故障點(diǎn)的反射情況：(1)短路情況當(dāng)電纜短路時(shí)，從故障點(diǎn)F向負(fù)載看去其等效阻抗為零，即相當(dāng)于阻抗，求得電壓反射系數(shù)，這說明短路反射電壓波的極性與入射波相反，幅值大小一樣，故障點(diǎn)的合成電壓為0。但脈沖在實(shí)際傳播中能量是有損耗的，實(shí)際采集的波形如下列圖2.15：圖2.1 短路或接地波形圖(2)斷路情況當(dāng)電纜出現(xiàn)斷路點(diǎn)時(shí)或者行波運(yùn)動(dòng)到電纜的開路終端時(shí)，從斷路點(diǎn)向負(fù)載看去等效阻抗無窮大，即，求得電壓反射系數(shù)。這說明斷路造成了脈沖的全反射，電

7、壓反射波與入射波極性一樣，幅值也一樣，實(shí)際的開路點(diǎn)電壓是入射電壓與反射電壓之和6。實(shí)際采集波形如下列圖2.2：圖2.2 開路或全長波形圖(3)低阻、高阻故障情況假設(shè)正常情況下電纜對(duì)地絕緣電阻為，在電纜無故障情況下，遠(yuǎn)大于波阻抗Z，因此電纜各點(diǎn)等效阻抗可以認(rèn)為都等于Z(等效阻抗可理解為與Z并聯(lián))。但是，當(dāng)電纜中間出現(xiàn)低阻或高阻故障時(shí)，此時(shí)故障點(diǎn)對(duì)地絕緣電阻就會(huì)遠(yuǎn)小于正常情況絕緣電阻(一般認(rèn)為低阻故障點(diǎn)處絕緣電阻10Z，但都遠(yuǎn)小于正常情況下絕緣電阻)，則故障點(diǎn)等效阻抗，由故障點(diǎn)電壓反射系數(shù)為可知反射系數(shù)不為0。對(duì)于低阻故障，與波阻抗Z相差較大，反射系數(shù)較大，因此適合用低壓脈沖反射法；而對(duì)于高阻故障

8、，接近于波阻抗Z，電壓反射系數(shù)會(huì)很小，即低壓脈沖在故障點(diǎn)沒有明顯的反射(反射脈沖幅度小于5%)，因此對(duì)于高阻故障，低壓脈沖反射法不再適用。綜上所述，故障點(diǎn)的存在會(huì)使該點(diǎn)的波阻抗發(fā)生變化，行波在該點(diǎn)會(huì)發(fā)生波的反射現(xiàn)象，行波在傳輸線中的傳播速度是一定的，通過測(cè)量入射波和反射波之間的時(shí)間差，就可以得到故障點(diǎn)的距離。由于電纜本身存在著損耗，行波在電纜中傳輸會(huì)發(fā)生畸變現(xiàn)象，實(shí)際波形與理想波形相比會(huì)有一定差距。2.1 低壓脈沖反射法介紹及其波形分析低壓脈沖反射法，又稱雷達(dá)法，可用于測(cè)量電纜的低阻短路與斷路故障。低壓脈沖法還可用于測(cè)量電纜的長度、電磁波在電纜中的傳播速度，還可用于區(qū)分電纜的中間頭、T型接頭與

9、終端頭等3。圖2.3 低壓脈沖反射法測(cè)距系統(tǒng)原理圖如上圖2.3，低壓脈沖法的根本原理：測(cè)試時(shí)在電纜線路故障相的一端發(fā)射一個(gè)低壓脈沖，當(dāng)脈沖在傳輸過程中遇到阻抗失配的地方，如斷線點(diǎn)、低阻短路(接地)點(diǎn)、中間接頭、T接頭和終端頭等，會(huì)引起波的反射即脈沖反射波，這個(gè)脈沖反射波回到測(cè)試端，被探測(cè)設(shè)備記錄下來。波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差，對(duì)應(yīng)脈沖在測(cè)量點(diǎn)與阻抗不匹配點(diǎn)往返一次的時(shí)間，脈沖在電纜中的波速，則阻抗不匹配點(diǎn)的距離可由下式計(jì)算： (2-3)低阻故障情況下，低壓脈沖反射波形如上圖2.1，開路故障情況下波形如上圖2.2，之前對(duì)波形已經(jīng)說明在此不再贅述。低壓脈沖法簡單、直觀，不需要知道電纜的準(zhǔn)確

10、長度，根據(jù)脈沖反射波還可以識(shí)別電纜接頭與分接點(diǎn)的位置，但該方法只適用于電纜低阻和斷路故障測(cè)距或用于電纜全長測(cè)量，不能用于電纜高阻和閃絡(luò)性故障測(cè)距。2.2 脈沖電流法介紹及其波形分析脈沖電流法是在脈沖電壓法的根底上開展起來的，是閃絡(luò)法進(jìn)展電纜故障測(cè)距的另一種形式，包括直流高壓閃絡(luò)法(直閃法)和沖擊高壓閃絡(luò)法(沖閃法)7。其故障測(cè)量原理同脈沖電壓法相似，在電纜故障點(diǎn)擊穿時(shí)，通過線性耦合器記錄產(chǎn)生的電流脈沖信號(hào)，分析脈沖波在測(cè)試端到故障點(diǎn)往返一次的時(shí)間，并根據(jù)波速來計(jì)算故障點(diǎn)的距離。直閃法用于測(cè)量閃絡(luò)擊穿性故障，即故障點(diǎn)電阻極高，在用高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備把電壓升到一定值時(shí)就產(chǎn)生閃絡(luò)擊穿的故障一般預(yù)防性試驗(yàn)中

11、出現(xiàn)的電纜故障多屬于該類故障，直閃法測(cè)試接線如下列圖2.4所示。圖2.4直閃法原理圖由如上圖2.4所示，Tl為調(diào)壓器，T2為高壓試驗(yàn)變壓器，C為儲(chǔ)能電容器，L為線性電流耦合器。線性電流耦合器L的輸出經(jīng)屏蔽電纜接測(cè)距儀器的輸入端子。儲(chǔ)能電容C對(duì)高頻行波信號(hào)呈短路狀態(tài)，在故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電壓、電流行波到達(dá)后，起產(chǎn)生電流信號(hào)的作用，可選用脈沖電容器，也可使用6千伏(直流高壓在30千伏以下時(shí))或10千伏(直流高壓在30-50千伏之間時(shí))電力電容器。直閃法典型波形如下列圖2.5：圖2.5 直閃法標(biāo)準(zhǔn)波形上圖2.5中第一個(gè)脈沖是由故障點(diǎn)傳來的放電脈沖，而第二個(gè)脈沖是從故障點(diǎn)返回的反射脈沖。在故障點(diǎn)電阻不很

12、高時(shí)，因直流泄漏電流較大，電壓幾乎全降到了高壓試驗(yàn)設(shè)備的阻上去了，電纜上電壓很小，故障點(diǎn)形不成閃絡(luò)，必須使用沖閃法。沖閃法接線如下列圖2.6所示，它與直閃法接線根本一樣，不同的是在儲(chǔ)能電容C與電纜之間串入一球形間隙G。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓升壓器對(duì)電容C充電，當(dāng)電容C上電壓足夠高時(shí)，球形間隙G擊穿，電容C對(duì)電纜放電，這一過程相當(dāng)于把直流電源電壓突然加到電纜上去。沖閃法的典型波形如下列圖2.7所示。圖2.6 沖閃法原理圖圖2.7 沖閃法標(biāo)準(zhǔn)波形圖2.7中第一個(gè)電流脈沖是電容對(duì)電纜的放電造成的，第二個(gè)脈沖是由故障點(diǎn)傳來的放電脈沖，放電脈沖在整個(gè)波形上幅值最大，且變化鋒利，在故障點(diǎn)擊穿后，放電脈沖到達(dá)測(cè)量點(diǎn)后

13、產(chǎn)生反射折回故障點(diǎn)，在故障點(diǎn)又被反射回到測(cè)量點(diǎn)，這一過程不斷進(jìn)展。根據(jù)故障點(diǎn)放電脈沖與相應(yīng)的故障點(diǎn)反射脈沖之間的時(shí)間差即可求出故障點(diǎn)距離8。脈沖電流法與脈沖電壓法原理相似，區(qū)別在于脈沖電流法檢測(cè)時(shí)測(cè)量設(shè)備和高壓設(shè)備之間沒有直接的聯(lián)系，平安可靠，且接線相對(duì)簡單，受到了測(cè)試人員的歡送。但是該方法的波形較復(fù)雜，故障點(diǎn)反射脈沖不明顯不易識(shí)別，造成測(cè)距誤差較大。2.3 二次脈沖反射法介紹及其波形分析二次脈沖法結(jié)合了低壓脈沖法的波形簡單與脈沖電流法可以測(cè)量高阻故障的優(yōu)點(diǎn)，該方法測(cè)試原理圖如下列圖2.8所示。先由高壓脈沖電源發(fā)射高壓脈沖使電纜故障點(diǎn)發(fā)生閃絡(luò)，故障點(diǎn)的電弧表現(xiàn)為阻值非常低的電阻，同時(shí)波反射儀送

14、出第一個(gè)低壓脈沖，此脈沖在故障點(diǎn)發(fā)生短路反射，波形同低壓脈沖法遇短路故障反射的波形類似，如下列圖2.9(a)。在電弧熄滅后，故障點(diǎn)恢復(fù)到高阻狀態(tài)，由波反射儀釋放第二個(gè)低壓脈沖，因?yàn)樵诟咦韫收宵c(diǎn)低壓脈沖不能被反射，儀器將顯示整個(gè)電纜長度的波形并存儲(chǔ)起來，如下列圖2.9(b)。將完好軌跡和故障軌跡進(jìn)展疊加比擬，疊加圖如下列圖2.9(c)，兩條軌跡將有一個(gè)清楚的發(fā)散點(diǎn)，這個(gè)發(fā)散點(diǎn)就是故障點(diǎn)的反射波形點(diǎn)9。圖2.8 二次脈沖測(cè)試原理圖圖2.9次脈沖波形圖二次脈沖法的優(yōu)點(diǎn)在于可以避開故障點(diǎn)閃絡(luò)時(shí)引起強(qiáng)烈的電磁干擾；較長線路也能記錄到清晰的信號(hào)波形，提高測(cè)量精度。缺點(diǎn)是：所用儀器較多；由于故障點(diǎn)電阻要降到很小的數(shù)值，如果故障點(diǎn)受潮嚴(yán)重，故障點(diǎn)擊穿過程較長，測(cè)試時(shí)間相應(yīng)增加，故障點(diǎn)維持低阻狀態(tài)的時(shí)間不確定。但總的來說，二次脈沖法是一種廣受歡送的測(cè)距方法。3 參考文獻(xiàn)1遲震.脈沖反射法電纜綜合故障定位研究D.理工大學(xué),2013.2伏圣群.行波反射法電纜故障檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究D.理工大學(xué)，2014.3白春濤.電力電纜故障低壓脈沖自動(dòng)測(cè)距方法研究D.大學(xué),2007.4艷偉.基于低壓脈沖法的電纜故障測(cè)距的研究D.