(中國水利水電第十工程局有限公司安裝分局調(diào)試所，四川 都江堰，611830)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，在城鎮(zhèn)人口稠密的地方，在大型工廠、發(fā)電廠、交通擁擠區(qū)、電網(wǎng)交叉區(qū)等處，配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為了安全可靠，減少占地，減少對交通運輸及城市建設(shè)的影響，多采用埋地動力電纜。對于大跨度、不宜架設(shè)過江、河架空線路的地段，最常用的方案也是采用電纜。

但是，地下動力電纜存在如下突出問題：外護套破損和進水情況嚴重；電纜故障搶修時間偏長；電纜竣工資料不完整造成電纜路徑圖紙往往和現(xiàn)狀不符；缺少電纜整體老化評定技術(shù)等等。所有這些，都為電纜的維護維修工作帶來了挑戰(zhàn)，一旦電纜發(fā)生故障，很難較快地尋測出故障點的確切位置，不能及時排除故障、恢復(fù)供電，往往造成停電停產(chǎn)的重大損失。因此，提高電纜故障探測技術(shù)水平，十分重要。本文將探討目前常用的幾種方法：“電纜故障經(jīng)典探測法”的惠斯登電橋探測法，更加先進的低壓脈沖法及多次脈沖法。

1 電橋法電纜故障探測技術(shù)

電橋法原理如下：將被測電纜故障相與非故障相短接，電橋兩臂分別接故障相與非故障相，調(diào)節(jié)電橋兩臂上的一個可調(diào)電阻器，使電橋平衡，利用比例關(guān)系和己知的電纜長度就能得出故障距離。電橋法的優(yōu)點是比較簡單，精確度符合現(xiàn)場工程測試要求，對于電纜線路的兩相短路故障，測起來甚為方便。但是它的適用范圍有限，對電纜線路的高阻和閃絡(luò)性故障，由于電橋電流很小而不易探測。

電橋法的使用前提，必須已知被測電纜的準確長度，當一條電纜線路是由導(dǎo)體材料或截面不同的電纜組成時，還要進行換算。電橋法不能測量電纜線路的三相短路故障和三相斷路故障。電橋法工作原理如圖1所示(被測電纜末端無故障相與故障相短接，電橋兩輸出臂接無故障相與故障相)。

(1)測試接線圖 (2)等效電路圖

R1—已知測量電阻；R2—精密電阻箱；r1—BD兩點間電阻；r2—CB兩點間電阻。

圖1 電橋法原理

圖1中，線路接好后，仔細調(diào)節(jié)R2的數(shù)值，總可以使電橋平衡，即CD間的電位差為零，無電流流過檢流計。此時，據(jù)電橋平衡原理不難得出：

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

由上面推導(dǎo)得知，只要精確知道電纜長度l全長和測出電橋兩已知電阻臂的比值K，就能精確計算出短路故障點至測試端的距離。但是，電橋法也存在很大的局限性，由于電源電壓低和檢流計電表靈敏度低，僅適用于對低阻故障的探測，一般要求故障點的電阻不超過100kΩ，最高也不得超過500kΩ，故障點電阻值越高，測試誤差越大，通常在2kΩ以下為宜。

在電纜故障現(xiàn)場測試實踐中，電橋法產(chǎn)生誤差的因素很多，有時甚至測不到故障點。分析其原因，不外乎為以下幾點：①故障點接地電阻R地的非線性形態(tài)使得直流電橋工作在非線性狀態(tài)；②電橋的測試引線和電纜頭短接線截面積選擇不合理，影響了測量線路；③電橋檢流計精確度不夠，影響了測量準確度。

通過實踐證明，只要保證電橋測量回路有5mA～10mA的電流，就可保持直流電橋處在良好的工作狀態(tài)，有效地減少附加誤差，提高電橋的測量質(zhì)量。有針對性地解決以上三個問題的辦法如下：

⑴選用合適的電源。對低阻接地故障，電橋電源的選擇最好保證現(xiàn)場探測時電橋工作在線性狀態(tài)，電源電池盡量選容量大一點的型號為好；

⑵選用適應(yīng)非線性電阻的電壓。高阻接地故障，一般是不使用電橋法，但采用一定的技巧后，電橋法仍可精確地探測高阻接地故障。即為了使電橋能夠工作在線性狀態(tài)，必須先做以下工作：①在用電橋法測量故障距離之前，需用高壓設(shè)備將故障點燒穿，使其故障阻值降到可以用電橋法測量的范圍，但此法僅適用于油浸紙電纜。對于交聯(lián)聚乙烯電纜故障點，燒穿是件十分困難的工作，有時會出現(xiàn)故障點碳化，故障點接地阻值反而增高，燒穿法實不足取；②對故障電纜輸入直流高壓，找出接地電阻(非線性電阻)擊穿電壓的突變拐點值，然后在盡可能遠離拐點值的接地電阻線性區(qū)域內(nèi)找出一安全試驗電壓，使電橋回路電流穩(wěn)定在5mA～10mA之間。該電壓就是“高壓電橋法”中保持工作狀態(tài)良好的電源電壓(該法是使用高壓電橋法的關(guān)鍵技巧,具有廣泛的適用性)。

⑶選擇外接檢流計方式。具體操作方法：對測量用的惠斯登電橋，首先降低檢流計精度，并在分流器的保護下調(diào)整電橋使其平衡；再選用高精度檢流計，用同樣的方法再調(diào)整電橋使其平衡；最后，以高精度檢流計下電橋平衡所測得的電阻值為依據(jù)，計算出故障點的距離。

2 低壓脈沖法探測技術(shù)

利用行波法檢測電纜故障，實際上是把動力電纜作為高頻信號傳輸線，根據(jù)電波(波形)在電纜中傳輸過程的幅度、相位、速度、衰減等諸參數(shù)的變化規(guī)律，利用雷達測距原理確定電纜故障點至測試端的距離。

2.1 電纜中波的反射和反射系數(shù)

當電纜中出現(xiàn)斷線或低阻故障時，故障點的等效阻抗與電纜的特性阻抗不相等(不匹配)，行波運動到該點時便會發(fā)生全部或部分能量反射，反射的大小與故障點的等效阻抗大小有關(guān)。

行波的反射程度可用發(fā)生反射的阻抗不匹配點的反射電壓(電流)與入射電壓(電流)之比K來表示。K稱之為反射系數(shù)。

式中：Z1—故障點的等效阻抗值；

Z0—電纜的特性阻抗。

由反射系數(shù)公式可看出：

a.當Z1=Z0時，K=0，即反射系數(shù)為零。終端匹配時，入射波到達電纜終端后電壓和電流就不再發(fā)生變化了，也不發(fā)生反射，能量全被Z1吸收，匹配無反射，此時看不到終端的反射回波。

b.當Z1=0時，K=-1，故障點短路，是負的全反射。短路點的反射電壓與入射電壓大小相等，方向相反，其合成電壓為零，而短路點的電流會出現(xiàn)加倍現(xiàn)象。此時看到故障點的反射回波與發(fā)射脈沖波形幅度相等，而極性相反。

c.當Z1=∞時，K=+1，故障點開路，是正的全反射。此時看到故障點的反射回波與發(fā)射脈沖波形幅度相等而極性相同，開路點的實際電壓是反射電壓和入射電壓之和。因此短路點會出現(xiàn)電壓加倍現(xiàn)象。

d.如果故障點的等效阻抗小于電纜的特性阻抗又未完全短路，則是負的部分反射，反射脈沖的幅度小于發(fā)射脈沖，且極性相反。

e.如果故障點的等效阻抗大于電纜的特性阻抗又不是無窮大，則是正的部分反射，反射脈沖的幅度小于發(fā)射脈沖，但極性相同。

以上敘述是電纜故障點的等效阻抗在不同數(shù)值時，反射回波的幅值和極性變化的理論解釋。

2.2 低壓脈沖測試法工作原理

由行波在電纜中傳播的理論分析知，電纜中的阻抗失配點會引起波的反射，利用觀測到的發(fā)射脈沖和反射回波脈沖之間的時間差和電纜中行波的傳輸速度，就可計算出故障距離。計算公式如下：

式中：V—電波在電纜中的傳播速度；

△t—發(fā)射脈沖與反射回波間的時間差。

低壓脈沖測試標準波形如圖2所示。

圖2

相比電橋法，低壓脈沖測試法更加簡單直觀，通過觀察故障點反射脈沖和發(fā)射脈沖之間的時間差，借助計算機能很快自動算出故障點距離。

3 多次脈沖法探測技術(shù)

就大部分故障的本質(zhì)來說，基本都屬于絕緣體的損壞，而這種損壞，絕大多數(shù)并不是理想的低阻、短路和斷路，而是屬于高阻故障。高阻故障因為故障點阻值很高，該類型故障點的等效阻抗幾乎等于電纜特性阻抗，所以反射系數(shù)K幾乎等于零，這樣就會得不到反射脈沖而無法測量。為了解決這個更為廣泛和符合實際的問題，人們生產(chǎn)出了各種智能化的測試設(shè)備，并衍生出二次脈沖法、多次脈沖法等更加先進的測試手段，以彌補低壓脈沖法在遇到高阻故障時的不足。但是歸根到底，這些方法都是建立在低壓脈沖法的基礎(chǔ)之上的，在測試高阻故障時，只需要另外施加一個沖擊高電壓，利用電纜故障點被電弧擊穿時形成的瞬時短路，發(fā)送一個低壓測試脈沖，即可在該電弧短路點得到一個短路反射的回波，相當于將高阻故障轉(zhuǎn)化為低阻故障，從而符合用低壓脈沖法測試的條件?？梢哉f，掌握了低壓脈沖法，就基本掌握了雷達法故障測試的精髓。

4 低壓脈沖法測試實例

以卡塔爾CP1項目電纜故障測試設(shè)備模擬測試圖為例，分析在完成低壓脈沖法測試電纜故障并錄取到波形后，發(fā)射脈沖前沿拐點和回波脈沖前沿拐點的判斷。典型波形如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 短路故障波形示意

圖3中，由于短路和低阻故障發(fā)射與返回脈沖極性相反，波形比較明顯，游標卡在發(fā)射脈沖前沿拐點和返回脈沖前沿拐點，可以直接讀取距離。

圖4 斷路故障和電纜全長的典型波形

圖4中，由于開路故障的發(fā)射與返回脈沖極性相同，波形也比較明顯，游標卡在發(fā)射脈沖前沿拐點和返回脈沖前沿拐點，直接讀取距離。

圖5 用長距離探測的寬脈沖來測試短電纜開路全長或短距離斷路故障的波形

圖5中，由于故障點靠近測試端，只有幾十米，小于一個完整的脈沖寬度，所以，在發(fā)射脈沖后沿還沒發(fā)出時，故障點就已經(jīng)產(chǎn)生了反射脈沖，然后發(fā)射脈沖后沿才發(fā)出，這樣拐點就產(chǎn)生在發(fā)射脈沖的前沿和后沿之間。短路和低阻故障也是如此，只是極性相反而已。在此可以總結(jié)出，在測短距離電纜故障或者故障點距離發(fā)射端較近時，選用遠距離測量用的寬脈沖反而要好一些，因為選用短距離測試脈沖的話，發(fā)射脈沖后沿極有可能和故障點重疊或者相互干擾，那樣就很難準確找出反射脈沖的波形拐點。

5 小結(jié)

在電纜故障的現(xiàn)場測試中，情況是相當復(fù)雜的，產(chǎn)生故障的原因、故障距離、電纜種類、電纜粗細、電纜電壓等級、受潮程度、定點現(xiàn)場的環(huán)境噪聲、電纜埋設(shè)深度、發(fā)生故障時間的長短、所選用的測試方法等，都直接影響到故障波形的變化?？梢哉f，儀器所采集到的波形千變?nèi)f化，雖然有一定的規(guī)律，但各次幾乎沒有相同的波形。若想熟練檢測故障，除了長期的經(jīng)驗積累外，還要認真學(xué)習(xí)同行的經(jīng)驗。在無把握判斷波形的情況下，用多種方法測試，用電橋法和脈沖法相互驗證，最大限度地減少誤判，切不可亂挖、亂刨、亂鋸，否則將造成人力物力財力的浪費，延誤供電恢復(fù)時間，導(dǎo)致更大的經(jīng)濟損失。

電纜故障探測技術(shù)是一門系統(tǒng)的學(xué)科，以上僅為初步的、結(jié)合實際經(jīng)驗的一些理解和總結(jié)，實際測量中需要的知識更多更廣，需要不斷地領(lǐng)會和積累，才能具備比較全面地掌握解決實際問題的能力。