电缆故障测试技术1

电力电缆故障测试技术闵争斌西安福润德电子科技有限公司目录第一章电力电缆故障测试技术发展历史及今后方向一、传统技术的应用二、现代技术的应用三、今后发展方向:虚拟仪器,多次脉冲第二章电力电缆故障测试中应注意的几个问题一、电缆故障产生的因素二、电缆故障测试所需的设备及用途三、电缆故障性质判别及测试步骤第三章电力电缆故障粗测（预定位）方法一、测试原理二、测试方法三、粗测中无波形故障的处理第四章电力电缆故障精测方法一、电缆路径的查找二、精确定点三、不同性质故障的定点第五章FCL系列电缆仪性能、特点及使用方法第六章电缆故障测试结果误差分析第七章实测波形图例及分析第一章电缆故障测试技术发展历史及今后方向改革开放20多年来，我国国民经济迅猛发展，各种类型的电力电缆在全国的各工矿企业、事业单位得到了广泛的应用，特别是近几年城网和农网改造以来，城市美化日益突出，大量的架空线路下地，使得电缆的用量进一步加大。供发电、石化、钢铁、机场、港口、油田等许多供电场合，几乎全都采用了电力电缆供电。好处：安全方便、线损小、受自然的影响小。但是在供用电力电缆过程中，一旦发生故障，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经济损失。所以，如何用最快的速度、最低的维护成本恢复供电是各供电部门遇到故障时的首要课题。电力电缆故障的检测是一个世界性的课题。上个世纪三十年代，国外刊登了一篇论文《电缆中击穿点之故障探测》，首先提出了用高压冲击来使故障点放电，用冲击电流表粗测电缆故障的论点，这一观点为以后电缆检测技术的发展和手段的丰富奠定了基础。电缆故障检测设备是伴随着先进电子技术的出现而诞生的。电缆故障检测技术的发展经历了一个漫长的过程。上个世纪七十年代以前，主要是采用电桥法和低压脉冲法（又称时域反射法）。电桥法及低压脉冲测距法在测量电缆的接地故障和开路故障方面，可以说是相当完善了。然而对于高阻故障（泄露高阻和闪络高阻）的寻测，采用上述方法则是无能为力的，必须另辟蹊径。尽管后来又出现了用高压电桥（输出高压10kV）测高阻故障，但大多还需“烧穿”，故障可测率很低。在国外，六十年代末期英国首先研制出了世界上第一台电缆故障闪测仪。我国在七十年代初期由西安电子科技大学（原西北电讯工程学院）和西安供电局联合研制出了我国第一台贮存示波管式电缆故障检测仪DGC—711，91年推出智能型电缆仪，即采用单片机技术，实现简单编程完成测试功能，显示方式也大多采用液晶（LCD）及显像管（CRT）。一、传统技术的应用所谓传统技术是指用电桥法来解决电缆故障的方法，我国第一代电缆故障测试方面的专家们均熟悉并熟练掌握了此项技术，现在使用此方法的人已不多见。无论是电阻电桥法，还是电容电桥法，甚至后来的高压电桥法，缺点是要求电缆必须有一个好相，若三相均坏则无法组成“桥”根本不能进行测试。1、电阻电桥法上个世纪七十年代以前，世界各工业发达国家都广泛采用此种方法，被称为“经典”方法。几十年来几乎没有什么质的变化，对于短路故障及低阻故障的测试甚为方便。R2L全长LxLoCR1EADA1-1电阻电桥法测试连线图电阻电桥法顾名思义，即利用电桥平衡原理，以电缆某一好相为臂组成电桥并使其达到平衡，测量出故障点两侧段电缆的直流电阻值，同时将电缆视为“均匀的传输线”，那么电阻的比值与电缆长度的比值成正比，以此推导出故障点距测试端的距离（在此略去计算公式的推导，只给出结论）即：ACABDER1R2RL全长+LoRx图1-2等效电路12kLLx全长其中：R1、R2为已知电阻通过上式可以看出，只要知道电缆的准确长度L全长，就能精确算出故障点的距离。2、电容电桥法当电缆是开(断)路故障时，若再采用测量电阻电桥法将无法测出故障点的距离，因为直流电桥测量臂未能构成直流通道。在此只能采用交流电源，根据电桥平衡原理测量出电缆好相及故障相的交流阻抗值。由于电缆被视为“均匀的传输线”，其上分布电容与电缆长度成正比，以此推算出故障点的距离（在此略去计算公式推导，只给出结论）即：全长LKLx其中：R1、R2为已知电阻，12RRK50HHzR2L全长LxLoCR1ADmAACoCx～图1-3电容电桥法测试连线图ACABDR11R21XcoXcx150Hz～图1-4等效电路依据上式，已知电缆全长就可算出故障点距离。由于此类故障实际中出现机会较少，所以不常使用。3、高压电桥法电阻电桥法和电容电桥法解决的电缆故障类型很单一，局限性很大。通常电缆出故障往往都是综合性的，而且大多数故障都是泄漏高阻(已形成固定泄漏通道的一类故障)或闪络高阻(未形成固定泄漏通道的一类故障)。为了解决实际面临的难题，人们想到了通过提高直流电桥输出电压(通常可达10kV)，使故障点击穿，形成瞬间短路，测量出故障点两侧段电缆的直流电阻值，推算出故障点距离，即：12kLLx全长其中：R1、R2为已知电阻，高压电桥法测电缆故障连线图与低压电阻电桥法相同。此种方法的优点是再也不用“烧穿”法先降低故障相绝缘电阻，使其变成低阻才能测试，即大家常形容的“边烧穿边粗测”。二、现代新技术的应用通过前面的分析，我们了解到电桥法实质上只能解决电缆部分故障的测试。而电缆的故障千奇百怪，三相全坏的情况常有发生。为了解决诸多难题，同时也为了方便各种故障的测试，因此，通过西安电子科技大学(原西北电讯工程学院)和西安供电局科研人员的合作攻关，我国才有了真正21RRK意义上的电缆故障检测仪。仪器的基本原理应用了微波传输(雷达测距)理论，即脉冲法。无论低压脉冲法还是高压脉冲法均是依据微波在“均匀长线（电缆）”传输中，因其某处(故障点)特性阻抗发生变化对电波的影响来微观地分析电波相位、极性及幅度等物理量的变化，来测得电波传输到故障点的时间再计算出故障点的距离。即：其中：v—电波在不同介质电缆中的传输速度。t—电波从始端到故障点再返回始端的时间。在我国电缆故障检测仪的发展基本上经历了三个阶段：vtS211、脉冲回波返射法之电子管、晶体管阶段我国第一台电缆故障检测仪DGC—711可以等同于一台示波器，因为其电路与一般脉冲示波器相似，所不同的是采用了贮能示波管。利用其可有限保持瞬时暂态信号波形的特性(通常可保持十几秒钟)来观察故障点放电时所采集的电压波形，用照像机拍照记录再分析冲洗出的照片上的波形，以此计算出故障点的距离。为了分析方便，仪器在同屏显示中设计了光标尺(电刻度波)。所以，直到今天还有专家采用存贮示波器测电缆故障皆缘于此。存储示波器显示屏扫描基线光标尺测试波形图1-5DGC—711电缆故障测试仪面板显示部分示意图储存示波管主控脉冲低压脉冲刻度波锯齿波增辉方波图1-6DGC—711闪测仪基本原理框图闪络脉冲YX线路输入基于当时的技术及元器件水平，DGC—711全部由分立元件组装而成，因此，各项功能均采用手动切换。做高压脉冲测试时（闪络）取样方式也和国外一样，采用电阻分压法。主要技术指标：测试距离：10km测试盲区：＜30m仪器电源：~220V50Hz图1-7DGC—711电缆仪高压脉冲法(冲闪法)测试连线图L～220VR1R2JSDGC-711故障测试仪VTPTC电缆图1-7中R1分压电阻常用水电阻(约51KΩ)，才能满足大功耗宽电压范围的要求。小电感L(或R)是用于取出故障点闪络波形，故称为冲L(R)法。上世纪70年代第一代电缆故障检测仪的研发成功填补了我国当时在此领域的一项空白，发挥了相当大的作用。但测试精度差、误差大、笨重、不易操作、贮存示波管易老化等是此阶段仪器的重要缺陷。随着电子新技术的出现，人们对仪器提出了更高的要求，创新势在必行。2、单片机技术用于电缆故障检测阶段上世纪90年代初期，国内电缆故障检测仪在电路设计中大多采用了CPU处理器、高速的A/D转换器、单片机编程控制等新技术，初步实现了半自动化。与第一代电缆故障测试仪相比，此阶段电缆故障检测仪在信号处理技术上是一个大的飞跃。它充分利用微处理器庞大的数据处理功能及丰富的软件，彻底改变了原来用贮存示波管观察瞬态模拟波形，用人工估读故障波形距离的传统方法，做到了一次采样获得的瞬态波形可以永远显示、保存，并且用光游标自动跟踪故障特征波形，自动换算故障点距离，自动数字显示，自动打印等。还可以根据不同种类的电缆电波传输速度自动修正测试距离……。可以说基本上实现了电缆故障测试半自动化、半智能化，提高了仪器的可靠性、稳定性。读数误差减小，测试精度明显提高。闪络输入电路高速A/D转换器CPU控制系统标准波形储存系统CRT/LCD显示器微型打印机功能键面板低压脉冲发生器脉冲K图1-8电缆仪基本原理框图图1-9电缆故障测试仪面板示意图主机性能虽得到了大幅度改善和提高，但又一个遗留的难题并未解决---高压分压取样方式。继续延用水电阻分压，意味着在高压脉冲的测试中若主机接地不良(或遗忘)、误操作、水电阻老化爆裂均会损坏仪器，严重时造成人身伤害。所以，象西安等一些大的供电局在自编的《操作规程》中明文规定：测试前必须检查判别水电阻等的好坏，一切良好才能使用。～220VCR2R1电缆VTPTFCL-2002电缆故障检测仪电流取样极JS图1-10高压脉冲法(冲闪法)测试连线图众所周知，在电缆故障粗测过程中测试电压的高低，取决于故障电缆绝缘损伤的程度，有时可能会升至3—4万伏才能使故障点击穿获得波形，结果往往是仪器不能承受高压而损坏，甚至造成人身安全威胁，这就是为什么反复强调“四地一线”的安全重要性。目前生产这一类仪器的厂家很多，原理上没有大的改进，只是在原有技术的基础上增加了计算机接口，直流供电等功能。取样方式上也增加了用电流法采集信号(如图1-10)。也有尝试搞数字式电缆故障检测仪的，即不再显示测试波形而直接数显距离。设计思路是可取的，但受测试对象(电缆)容性阻抗特性的影响，数显结果重复性差，无法确认，实践证明是不成功的。电桥法测试的安全性很高，所以有些制造厂家又回到了老路上，运用单片机技术及电子技术改造电桥，使其智能化。此类仪器采样频率在20—25MHz，测试距离15—20Km，测试盲区大多在15—25米左右。3、计算机及网络技术阶段3.1硬、软件技术的改进新世纪伊始，随着计算机技术的进一步发展，电脑走进了千家万户。人们不再满足于仪器的“简单”使用，于是就出现了信号采集和显示、分析等功能的分解。即通过前置器采样信号并处理后送入笔记本电脑，在电脑上显示波形，采用专用软件完成对波形的分析、存取、阅读、比较等，给出最终的结果。这一时期的产品在采样频率上明显有了提高，最高达40MHz，大大提高了仪器的响应速度和分辩率,仪器的操作已趋鼠标化。测试距离最大到40km，测试盲区15米左右。同时仪器采用了高集成化及SMT(表面贴装)技术，更加小巧，便携、可靠，实现“一包一箱”结构。笔记本电脑信号前置处理器待测电缆图1-11笔记本电脑型电缆仪组成框图高速A/D转换器笔记本电脑实测测形电脑真采显示屏打印机功能键盘低压脉冲发生器闪络输入电路脉冲鼠标图1-12智能电缆仪原理框图软件方面由刚开始采用汇编语言过渡到高级语言编程，工作平台由DOS升级为Win98，全中文视窗界面，软件功能强大而丰富，使人机对话进一步友好。3.2采样方式的改变～220VFCL-2001II故障测试仪CPTVTJS电缆图1-13智能电缆故障检测仪测试连线图如图13所示，由于采样频率的提高(40MHz)和信号采集技术的创新，新的取样方式—感应式应运而生，实现了测试与高压完全隔离，人身的绝对安全。困扰了多年的因误操作及地线不良（或遗忘）而烧坏仪器的现象从此不复存在，这次创新称得上信号采集方式的一次“革命”。3.3测试波形的改变第一、二代电缆故障检测仪由于采用高压分压，电感取波形(冲L法)方式（如图10所示），即专业上常讲的电压取样法，简称电压法。在故障点击穿时，实质上是一个LC的振荡电路，所以故障点放电的电压波形