電纜故障探測(cè)新方法及其特點(diǎn)

本文綜述了電纜故障的探測(cè)方法與儀器。首先列舉了電纜故障探測(cè)的傳統(tǒng)方法并分析了傳統(tǒng)方法的不足，然后介紹了電纜故障探測(cè)的新方法及其特點(diǎn)。

隨著電纜用量在整個(gè)電力傳輸線路和因特網(wǎng)中所占的比例日益提高，電纜故障出現(xiàn)的幾率越來(lái)越大。電纜故障對(duì)造成的危害較大，輕者會(huì)造成單臺(tái)電氣設(shè)備不能運(yùn)行，重者會(huì)導(dǎo)致整個(gè)變電所停電，所以電纜故障點(diǎn)的快速測(cè)定和定位問(wèn)題變得非常重要。

一、電纜故障探測(cè)的傳統(tǒng)方法

（一）電纜故障測(cè)距的傳統(tǒng)方法

電纜故障測(cè)距的傳統(tǒng)方法主要有以下四種：

電橋法：這是電力電纜的測(cè)距的經(jīng)典方法。該方法比較簡(jiǎn)單，但需要事先知道電纜線長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，且只適用于低阻及短路故障。但是，在實(shí)際運(yùn)行中，故障常常為高阻及閃絡(luò)性故障，因故障電阻很高造成電橋電流很小，因此一般的靈敏度儀表很難探測(cè)。

脈沖回波法：針對(duì)低阻與斷路類型的故障，利用低壓脈沖反射方法來(lái)測(cè)電纜故障比起上面的電橋法簡(jiǎn)單直接，只需通過(guò)觀察故障點(diǎn)反射與發(fā)射脈沖的時(shí)間差來(lái)測(cè)距。測(cè)試時(shí)將一低壓脈沖注入電纜，當(dāng)脈沖傳播到故障點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，脈沖被反射送回到測(cè)量點(diǎn)。利用儀器記錄發(fā)射和反射脈沖的時(shí)間差，只需知道脈沖傳播速度就可計(jì)算出故障發(fā)生點(diǎn)的距離。該方法簡(jiǎn)單直觀，不需知道電纜長(zhǎng)度等原始數(shù)據(jù)，還可根據(jù)反射波形識(shí)別電纜接頭與分支點(diǎn)的位置。

脈沖電壓法。該方法可用于測(cè)量高阻與閃絡(luò)故障。首先將電纜故障在直流或脈沖高壓信號(hào)下?lián)舸?，然后通過(guò)記錄放電脈沖在測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)往返一次所需的時(shí)間來(lái)測(cè)距。脈沖電壓法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是不必將高阻與閃絡(luò)性故障燒穿，直接利用故障擊穿產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖信號(hào)，測(cè)試速度快，測(cè)量過(guò)程也簡(jiǎn)化。但缺點(diǎn)是：①儀器通過(guò)一個(gè)電容電阻分壓器分壓測(cè)量電壓脈沖信號(hào)，儀器與高壓回路有電耦合，很容易發(fā)生高壓信號(hào)串人，造成儀器損壞，故安全性較差；②在利用閃測(cè)法測(cè)距時(shí)，高壓電容對(duì)脈沖信號(hào)呈短路狀態(tài)，需要串一個(gè)電阻或電感以產(chǎn)生電壓信號(hào)，增加了接線復(fù)雜性，使故障點(diǎn)不容易擊穿；③在故障放電時(shí)，特別在沖閃時(shí)，分壓器耦合的電壓波形變化不尖銳，難以分辨。

脈沖電流法：該方法安全、可靠、接線簡(jiǎn)單。其方法是將電纜故障點(diǎn)用高壓擊穿，使用儀器采集并記錄下故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電流行波信號(hào)，根據(jù)電流行波信號(hào)在測(cè)量端與故障點(diǎn)往返一趟的時(shí)間來(lái)計(jì)算故障距離。該方法用互感器將脈沖電流耦合出來(lái)，波形較簡(jiǎn)單，較安全。這種方法也包括直閃法及沖閃法兩種。與脈沖電壓法使用電阻、電容分壓器進(jìn)行電壓取樣不同，脈沖電流法使用線性電流耦合器平行地放置在低壓測(cè)地線旁，與高壓回路無(wú)直接電器連接，對(duì)記錄儀器與操作人員來(lái)說(shuō)，特別安全、方便。所以人們一般使用此方法。

（二）電纜故障定點(diǎn)的傳統(tǒng)方法

這里簡(jiǎn)要介紹一下聲磁同步法。該方法使用高壓設(shè)備使電纜故障點(diǎn)擊穿放電，利用接收器記錄放電聲音，并用磁場(chǎng)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行同步，通過(guò)分析聲音波形及測(cè)試人員通過(guò)耳機(jī)聽(tīng)聲進(jìn)行故障定點(diǎn)。此方法是目前常用的電力電纜定點(diǎn)的方法，但該方法只能獲得距離故障點(diǎn)附近2～3m左右距離的聲音信號(hào)，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的技術(shù)素質(zhì)要求較高。

二、電纜故障探測(cè)的新方法

（一）電纜故障測(cè)距的新方法

因果網(wǎng)：因果網(wǎng)描述故障元件、繼電器、開(kāi)關(guān)之間內(nèi)在的動(dòng)作關(guān)系。它利用比傳統(tǒng)專家系統(tǒng)更深入的知識(shí)及面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行定位。它具有簡(jiǎn)單、明確、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。利用小波變換進(jìn)行故障選相：在脈沖法電纜故障定位檢測(cè)中不可避免地存在各種電磁干擾。脈沖信號(hào)輸出引線引起的高頻振蕩，采集系統(tǒng)本身固有的高頻干擾，以及使用現(xiàn)場(chǎng)的空間電磁干擾都會(huì)通過(guò)暴露在定位儀外的信號(hào)引線進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)可淹沒(méi)反射脈沖的起始點(diǎn)，給故障定位帶來(lái)誤差。為此，采用有效的數(shù)字信號(hào)處理方法消除這些干擾的影響，提高故障定位精度。小波變換是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支，被譽(yù)為信號(hào)分析的數(shù)學(xué)顯微鏡，是信號(hào)處理的前沿課題。小波變換在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，如濾波、奇異信號(hào)檢測(cè)、邊緣檢測(cè)等方面應(yīng)用廣泛。小波的多尺度分析方法能將各種交織在一起的不同頻率組成的混合信號(hào)分解成不相同頻率的信號(hào)，并直接在時(shí)域上反映出來(lái)，信號(hào)的位置、幅值和波形都十分直觀，能有效地實(shí)現(xiàn)信噪分離。小波變換具有很好的時(shí)頻局部特性，對(duì)分析信號(hào)上奇異點(diǎn)的位置非常有效，這一特性適用于電纜故障定位中尋找反射脈沖的起始點(diǎn)。

基于整個(gè)輸電網(wǎng)GPS行波故障定位：定位系統(tǒng)GPS是近年發(fā)展起來(lái)的用于通信系統(tǒng)的。輸電線路行波故障定位具有很高的精度，但需要高速A/D采集、大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、復(fù)雜的行波波頭辨識(shí)，且對(duì)發(fā)展性故障、近距離故障的測(cè)量處理比較困難。如用專用行波波頭檢測(cè)傳感器、高精度的GPS時(shí)鐘及存儲(chǔ)行波波頭時(shí)刻的存取方法，在每個(gè)變電站安裝一臺(tái)專門(mén)設(shè)計(jì)的行波波頭記錄儀，與調(diào)度通信構(gòu)成輸電網(wǎng)GPS行波測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，則可直接測(cè)量故障行波波頭到達(dá)各個(gè)變電站的準(zhǔn)確時(shí)刻，由調(diào)度進(jìn)行故障定位。

跨步電壓法：文獻(xiàn)[4]利用脈沖跨步方式對(duì)低壓電纜故障進(jìn)行定向與定位，該方法接線簡(jiǎn)單、操作方便，可對(duì)直埋電力電纜故障快速定向定點(diǎn)。它是利用電纜沿線的土壤中或地面產(chǎn)生沿電纜走向依次遞減或遞增的"跨步"電壓脈沖，確定故障點(diǎn)的方向和具體位置。因?yàn)楦鶕?jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，低壓電力電纜故障，90％以上故障點(diǎn)的電纜護(hù)層都是破損的，這樣即可利用在電纜一端施加一個(gè)周期的脈沖信號(hào)，沿電纜敷設(shè)走向快速確定故障點(diǎn)的方向和確定故障點(diǎn)的位置。一般土壤情況下，在距離故障點(diǎn)20-30m，就可以指示故障點(diǎn)方向，在水泥或硬化路面條件下，在距離故障點(diǎn)l0m，就可以指示故障點(diǎn)方向。與現(xiàn)有技術(shù)比較，利用脈沖跨步方式對(duì)低壓電纜故障進(jìn)行定向與定位的方法的優(yōu)點(diǎn)是：①可以大范圍確定故障點(diǎn)的方向，節(jié)省測(cè)試故障的時(shí)間；②施加在故障電纜上的中壓脈沖并不要求被試電纜在故障點(diǎn)產(chǎn)生續(xù)弧，并且脈沖寬度僅有幾ms 到幾十ms，因此不會(huì)對(duì)電纜造成損傷；③所使用的測(cè)量設(shè)備使用方便、操作簡(jiǎn)單，并且直觀；④定位精度高。利用發(fā)光二極管束或指針式表 頭指示故障點(diǎn)的方向和該電壓脈沖的大小，根據(jù)儀器上的指示方向，沿電纜探測(cè)，即可迅速地找到故障點(diǎn)。

（二）電纜故障定點(diǎn)的新方法

高頻感應(yīng)法：利用高頻信號(hào)發(fā)生器向電纜輸入高頻電流，這樣會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波，然后在地面上用探頭沿電纜路徑接收電纜周?chē)哳l電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)的變化經(jīng)接收處理后直接在液晶屏幕上顯示出來(lái)，根據(jù)顯示出數(shù)值的大小直接判斷故障點(diǎn)位置。高頻感應(yīng)法與傳統(tǒng)音頻感應(yīng)法相比有如下很多優(yōu)點(diǎn)。高頻信號(hào)源本身就比音頻信號(hào)源容易實(shí)現(xiàn)，制造容易，可以減少定點(diǎn)探測(cè)裝置的體積和重量，為設(shè)備的小型化和便攜創(chuàng)造有利條件。高頻信號(hào)的頻譜抗干擾性能較強(qiáng)。該方法可以直接將結(jié)果顯示出來(lái)，比靠人耳辨別更可靠，更方便。用高頻感應(yīng)法比音頻感應(yīng)法要優(yōu)越得多，而且它可在不停電情況下用耦合式接線來(lái)實(shí)施在線故障探測(cè)。

紅外熱象技術(shù)：基于電纜一旦過(guò)載，線芯的溫度將會(huì)急劇上升這一現(xiàn)象，人們可對(duì)電纜的線芯溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)判斷故障位置。步驟如下：首先采用紅外熱象儀掃描電纜表面，拍攝出電纜的表面溫度場(chǎng)分布圖象，進(jìn)一步處理可得出溫度場(chǎng)的具體數(shù)值分布，然后根據(jù)已建立的傳熱數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)，物性參數(shù)，環(huán)境溫度及表面溫度對(duì)電纜線芯溫度進(jìn)行反演計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)電纜線芯溫度的非接觸的故障探測(cè)。正是紅外技術(shù)不需接觸設(shè)備，不要求設(shè)備停運(yùn)，且具有操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)速度快，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的電纜故障檢測(cè)中，紅外熱象技術(shù)必將發(fā)揮更大的作用。