吳興廣

基于多次脈沖法的電纜故障精確定點和埋設路徑探測方法

吳興廣

（廣州市興日科技有限公司）

相較于二次脈沖法，多次脈沖法在故障點形成多次反射波，補償脈沖波形的丟失，使測試人員更易于從不同類型的反射波形中判斷電纜故障類型。介紹一種基于多次脈沖法的電纜故障精確定點和埋設路徑測量方法，可在多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)預定位的基礎上實現(xiàn)故障點精準定位和電纜埋設路徑精確探測。該方法波形更易識別，不僅減少現(xiàn)場測試人員對以往經(jīng)驗的依賴，還減少由相似經(jīng)驗對現(xiàn)場故障造成的負面影響。

電纜；多次脈沖法；電纜故障定點；埋設路徑探測

0 引言

隨著城市電網(wǎng)改造工程的推進和供電網(wǎng)絡的不斷增多，考慮到城市景觀及供電安全，電力部門正逐步放棄架空電線的布線方式，而采用埋地鋪設電力電纜的電網(wǎng)布線方式。電力電纜因具有供電可靠性高、不占地面空間、壽命長和安全性高等優(yōu)點[1]，在電網(wǎng)建設、改造中的應用日益增多。但電纜深埋地下，表皮易被土壤腐蝕而造成屏蔽層對地短路，進而發(fā)生閃絡擊穿；基建施工過程，地下電纜有被誤切斷的可能；鼠患嚴重地區(qū)可能發(fā)生電纜被鼠類咬斷的情況。電纜故障影響供電區(qū)域生產(chǎn)生活的情況時有發(fā)生，而地埋電纜隱蔽性較強，不易快速找到故障點。因此，研究一種快速精確定位電力電纜故障點的方法，對于保證地埋電力電纜網(wǎng)絡正常供電、保障正常生產(chǎn)生活秩序非常必要。

1 多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)工作原理

多次脈沖法是在高壓閃絡法中高壓擊穿并使故障點放電這一現(xiàn)象的基礎上提出的[2]。多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)的原理：利用高壓沖擊發(fā)生器的高壓沖擊使故障點放電，形成短時弧接地；控制低壓測量脈沖在故障點燃弧短路狀態(tài)下形成短路弧反射；比較參考波形和故障波形，分析故障點距離。該系統(tǒng)適用于35 kV級及以下的低壓電纜的故障定位；若結合其他輔助工具，亦可定位110 kV級別的地埋電纜故障。相比其他電纜故障定位方法，該方法優(yōu)點：1）可探測的電纜故障類型更廣泛，包括對地短路、對地高阻泄漏和斷路等其他方法難以準確定位的故障；2）無需擊穿電纜高阻，在輸出高壓擊穿脈沖的同時發(fā)出16個探測脈沖，在打通短路回路的瞬間進行探測。當高壓脈沖消失時，即使故障點恢復到高阻狀態(tài)，也不影響測量效果?，F(xiàn)場測試人員可從儀器儲存的波形中挑出最易判斷的波形，根據(jù)波形判斷故障點到波形發(fā)射端的物理距離。

多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括高壓發(fā)生器、高壓輸出線、系統(tǒng)接地線和電纜故障測試儀等部件。

圖1　多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)框圖

2　電纜故障精確定點

利用多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)測量電纜測量端至故障點的長度稱為預定位；確定故障點準確的地面位置稱為精確定點[3]。

2.1　電纜故障精確定點原理

電纜故障精確定點利用聲磁同步原理：在地埋電纜一端施加脈沖高壓，使其故障點產(chǎn)生放電電弧，放電電弧產(chǎn)生電磁波和振動聲波——聲磁信號，同步接收聲磁信號；根據(jù)接收到的電磁波和振動聲波的時間差，采用數(shù)字方式轉(zhuǎn)換接收機定點探頭至故障點的直線距離；同時，沿電纜埋設路徑，依據(jù)探頭接收到的聲波，利用耳機判斷故障點放電振動聲音大小，由于故障點正上方的振動波聲音最大，故可準確判斷故障點的精確位置[4]。

多次脈沖電纜故障定位系統(tǒng)實現(xiàn)故障精確定點，需要保證以下相關技術指標：

1）控制單元必須準確觸發(fā)脈沖發(fā)生器，使測量脈沖發(fā)出時間合適、準確；

2）高壓沖擊發(fā)生器的輸出電壓、沖擊能量以及輸出脈沖電壓、直流電壓是重要技術指標，多次脈沖法能有效定位故障的前提是擊穿故障點，沖擊能量是電壓擊穿后，故障點放電狀況的決定因素，即放電的維持時間、精確定點時的放電聲音等；

3）合適的脈沖記錄儀及采樣頻率是實現(xiàn)電纜故障精確定點的必備條件，特別是采樣頻率決定了故障預定位精度。若脈沖記錄儀采樣頻率為400 MHz（周期為0.0025 μs），測量脈沖在電纜中波速度為80 m/μs，一個采樣周期內(nèi)測量脈沖運行的距離為0.2 m，該距離長度也是定位精度。0.2 m定位精度已是電纜故障精確定位，該定位精度已可以準確找出故障點并開展搶修。電纜故障定位精度由采樣頻率決定，所以采用采樣頻率較高的脈沖記錄儀是實現(xiàn)電纜故障精確定點的關鍵。

2.2　電纜故障精確定點操作方法

電纜故障精確定點過程操作示意圖如圖2所示。首先，利用高壓變壓器在電纜一端施加沖擊高壓，使故障點產(chǎn)生放電電??；現(xiàn)場測試人員手持數(shù)顯聲磁同步定點儀接收機及定點探頭，在電纜故障測試儀初測的故障點附近接收故障電纜放電點的放電電弧振動聲音和電纜輻射的電磁波；數(shù)顯屏上顯示讀數(shù)最小、振動波聲音最大點，即為電纜故障點的精確位置。

圖2　電纜故障精確定點過程操作示意圖

3　電纜埋設路徑探測

尋找地埋電纜的埋設路徑，是電纜故障測試的一個重要環(huán)節(jié)[5]。

3.1　路徑探測原理

本文利用電纜輻射的路徑信號電磁波和磁性天線的方向性來完成埋地電纜路徑探測。

電纜路徑探測前，斷開電纜始端接地系統(tǒng)的接地編織線，并保證被測電纜終端接地線可靠接地。在電纜始端處，路徑信號產(chǎn)生器的信號輸出電纜芯線夾在電纜編織線上，接地線夾在系統(tǒng)地上，路徑信號產(chǎn)生器與電纜連線示意圖如圖3所示。

圖3　路徑信號產(chǎn)生器連線示意圖

打開路徑信號產(chǎn)生器電源，對電纜施加經(jīng)過音頻調(diào)制的15 kHz電流信號，沿被測電纜路徑上方將出現(xiàn)路徑信號電磁波輻射。用數(shù)顯同步定點儀接收機接收15 kHz電流輻射的電磁波。經(jīng)放大、解調(diào)后還原出音頻信號并送至耳機，依據(jù)耳機聲音大小變化，利用谷值法原理，垂直于地面的磁性天線在電纜正上方接收到的電磁信號最弱的位置即為地下電纜埋設位置。將地面上探測到的電磁信號最小點連接起來，可準確判斷出電纜埋設路徑。

3.2　峰值法探測路徑

在地埋電纜一端施加15 kHz電流信號，利用路徑探測接收機在電纜上方探測電纜電流信號，耳機可監(jiān)聽到調(diào)制的斷續(xù)聲波。

采用峰值法探測路徑時，接收機的探測磁棒軸線平行于大地，且探測磁棒軸線和電纜埋設方向正交，探測磁棒接收電纜發(fā)出的水平電流磁場（磁力線）分量。峰值法路徑探測原理圖如圖4所示，當探測磁棒偏離電纜正上方時，電纜發(fā)出的環(huán)狀磁力線的水平分量減小，且隨探測磁棒逐漸遠離被測電纜，聽到的聲音也逐漸變??；探測磁棒位于電纜正上方時，聽到的聲音最大，向被測電纜兩邊移動聲音逐漸減小。最大聲音點下方即為電纜埋設路徑。

圖4　峰值法路徑探測原理圖

3.3　谷值法探測路徑

在地埋電纜一端施加15 kHz路徑信號，利用耳機監(jiān)聽15 kHz調(diào)制的斷續(xù)聲波。

采用谷值法探測路徑時，接收機的探測磁棒軸線垂直于大地，探測磁棒接收電纜發(fā)出的垂直電流磁場（磁力線）分量。谷值法路徑探測原理圖如圖5所示，當探測磁棒在電纜正上方，電纜發(fā)出的環(huán)狀磁力線的垂直分量為零，聽到的聲音最小，隨著探測磁棒偏離電纜正上方，磁性天線接收到的磁力線垂直分量增加，探測磁棒接收到磁力線垂直分量增大，聽到的聲音變大；隨著偏離電纜距離的增加，磁力線變?nèi)酰曇糇冃?。最小聲音點（啞點）下方即為電纜埋設路徑[6]。

圖5　谷值法路徑探測原理圖

3.4　電纜埋設深度測量

通過谷值路徑探測法探測到線纜埋設路徑后，延埋設路徑移動定點儀，當聽到音量最小點時，根據(jù)等腰直角三角形兩直角邊相等的原理，即可測量故障點距離地面的垂直距離。

4　結語

利用多次脈沖法在故障點形成多次反射波的特性，使現(xiàn)場測試人員能更快、更準確找到最佳反射波，測量故障點距離發(fā)射點的物理距離。為后續(xù)精確定點和故障點垂直地面距離測量創(chuàng)造條件，降低測試人員對經(jīng)驗的依賴，且無需配置延弧設備，具有便攜性。本文介紹的基于多次脈沖法的電纜故障精確定點和埋設路徑探測方法，從根本上提高地埋電纜現(xiàn)場故障判斷的精準率，縮短搶修時間，為電網(wǎng)安全可靠運行提供有力保障。

[1] 王射林.電纜故障的精確定位技術探究[J].工程技術研究,2017(9):58,60.

[2] 吳健,唐輝,師鴻亮,等.淺析多次脈沖法在電纜故障測距中的應用[J].企業(yè)技術開發(fā),2013,32(7):17-19.

[3] 吳喜玉.電力電纜故障快速定位新技術研究[J].貴州電力技術,2015,18(5):69-72.

[4] 張貴軍.廠區(qū)10kV電力電纜改造工程研究[J].工程技術研究,2017(1):227-228.

[5] 荊克,解扎.高壓電力電纜故障定位技術探討[J].吉林化工學院學報,2013,30(1):49-51,54.

[6] 王鍵.電力電纜的故障分析及檢測方法[J].集成電路應用, 2019,36(1):51-52.

Accurate Location and Buried Path Detection Method for Cable Faults Based on Multiple Pulse Method

Wu Xingguang

(Guangzhou Xingri Technology Co., Ltd.)

Comparing with 2 plus testing method, multi-plus testing can give several reflect plus, which can compensate lost plus or wrong plus. Operator can judge the fault type of cable more easily, and do not rely on former experience. We introduce a method that can locate the fault point of cable, which is based on multi-plus locating system.

Cable; Multi Plus; Cable Fault Locating; Buried Path Detection

吳興廣，男，1971年生，碩士，助理工程師，主要研究方向：高壓測試儀器研發(fā)。E-mail: 1479261723@qq.com