基于脉冲反射法的电缆故障反射波形分析

基于脉冲反射法的电缆故障反射波形分析1电缆线路行波测距理论分析1.1波速度在被测电缆的一端施加脉冲电压后，由于电缆中分布电感和分布电容的存在，电流在分布电感中不能立即产生，电压在分布电容上也不能马上建立，都需要一定的时间才能到达电缆的末端。因此，电磁波在电缆中是以一定的速度传播的，电磁波在电缆中的传播速度为v，可表示为：rrrrrrCV0000111(1-1)其中，C为光速，等于sm/1038；0为真空或气体的介电常数，为mF/103619；r为相对介电常数；0为真空磁导率，为mH/1047；r为相对磁导率。由式(1-1)可见，电缆中电磁波的传播速度与电缆的导体材料、长度、结构等无关，只与绝缘材料的相对磁导率和相对介电系数有关，而不同绝缘材料的介电系数互不相同。因此，不同绝缘材料电缆中电磁波的传播速度也互不相等。但同种绝缘材料的电缆中，电磁波传播速度是不变的。采用脉冲反射法测量电缆故障距离时需要知道电磁波在电缆中的传播速度。常用电力电缆中电磁波的传播速度参考值如表1.1所示[1]：表1.1电缆中脉冲波速度参考值序号电缆绝缘介质脉冲传播速度(sm/)1空气绝缘2942聚乙烯2013填充聚乙烯1924油浸纸1605交联聚乙烯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纸，充油150-1681.2波阻抗当电力电缆被等效看成长线时，可以用一个特性参数来描述电缆中电压和电流的对应关系，这个特性参数就是特性阻抗，又称波阻抗。在电缆中，电压信号和电流信号是相互伴随向前传播。经分析Z可表示为：00CLZ(1-2)由于上式中的0L和0C除了与电缆所用的绝缘材料的介电系数和磁导率有关，还与电缆的截面结构、绝缘层厚度、芯线与外保护层间的距离等几何结构有关，因此不同种类、不同型号的的电缆，它们的波阻抗也不相等。电缆线路的0C大而0L小，因此电缆的波阻抗比架空线路小很多，而且变化范围很大，大约在10~40之间[2]。对于正向电压波U与电流波i之间，满足关系[3]：ZiU(1-3)对于反向电压波U与电流波i之间，则ZiU(1-4)由上可看出，正向电压、电流波同极性，而反向电压、电流波反极性。假设电压行波极性为正，则线路上电流行波的流动方向就是电压行波的流动方向。电缆的波阻抗与电缆本身的结构与绝缘介质及导体材料有关，而与电缆的长度无关，即使很小一段电缆，它的波阻抗也处处相等。波阻抗是电缆中一对正向或反向电压、电流波之间的幅值之比，而不是任一点电压、电流瞬间幅值之比，因为电缆任一点电压、电流的瞬时值是通过该点的许多个正向与反向电压、电流行波相迭加而形成的。1.3电缆中电磁波的反射电缆中行波的传播情况是由电缆的波阻抗来决定的，行波在一条均匀无损单导线上传播时速度一定、幅值恒定、波形不变。然而在实际线路中，总会遇到线路均匀性遭到破坏的情况，例如两条波阻抗不同的电缆相连接时、电缆发生故障时、线路的末端等，行波到达这些地方时必然会出现电压、电流、能量的重新分配，这些地方称之为节点。电压、电流和能量重新分配的过程也就是行波的折射和反射现象[4]。脉冲法进行电缆故障测距时，脉冲在阻抗不匹配处会发生反射和折射，其反射和折射系数可以用反射电压(电流)与入射电压(电流)的比值表示。如图1.1所示，入射波从S端口进入，故障点F处的等效阻抗为xZ，入射波到达故障点F产生反射和折射。假设入射电压、电流分别为U和i，反射电压、电流分别为U和i，折射电压、电流分别为'U和'i。ZZxU-/i-U+/i+FAU+’/i+’图1.1脉冲波形反射分析图根据上图1.1可知入射、反射和折射电压三者之间的关系，入射、反射和折射电流三者之间的关系，以及入射电流、折射电流和波阻抗之间的关系，即：)('2''xZZiZiUUUiii(1-5)则电流折射系数为：xiZZZiiH2'(1-6)电流反射系数为：xxiiZZZZHiiiiiP1'(1-7)电压折射系数为：xxxixuZZZZZHiZiZUUH2''(1-8)电压反射系数为：xxuuZZZZHUUUUUP1'(1-9)2脉冲反射法电缆故障波形分析根据上一章节的理论分析，下面讨论当电力电缆发生短路、断路、低阻以及高阻故障时其故障点的反射情况：(1)短路情况当电缆短路时，从故障点F向负载看去其等效阻抗为零，即相当于阻抗0xZ，求得电压反射系数1ZZZZPxxu，这说明短路反射电压波的极性与入射波相反，幅值大小相同，故障点的合成电压为0。但脉冲在实际传播中能量是有损耗的，实际采集的波形如下图2.1[5]：图2.1短路或接地波形图(2)断路情况当电缆出现断路点时或者行波运动到电缆的开路终端时，从断路点向负载看去等效阻抗无穷大，即xZ，求得电压反射系数1ZZZZPxxu。这说明断路造成了脉冲的全反射，电压反射波与入射波极性相同，幅值也相同，实际的开路点电压是入射电压与反射电压之和[6]。实际采集波形如下图2.2：图2.2开路或全长波形图(3)低阻、高阻故障情况假设正常情况下电缆对地绝缘电阻为0Z，在电缆无故障情况下，0Z远大于波阻抗Z，因此电缆各点等效阻抗可以认为都等于Z(等效阻抗可理解为0Z与Z并联)。但是，当电缆中间出现低阻或高阻故障时，此时故障点对地绝缘电阻就会远小于正常情况绝缘电阻(一般认为低阻故障点处绝缘电阻'0Z10Z，高阻故障点处'0Z10Z，但都远小于正常情况下绝缘电阻0Z)，那么故障点等效阻抗ZZx，由故障点电压反射系数为ZZZZPxxu可知反射系数不为0。对于低阻故障，xZ与波阻抗Z相差较大，反射系数较大，因此适合用低压脉冲反射法；而对于高阻故障，xZ接近于波阻抗Z，电压反射系数会很小，即低压脉冲在故障点没有明显的反射(反射脉冲幅度小于5%)，因此对于高阻故障，低压脉冲反射法不再适用。综上所述，故障点的存在会使该点的波阻抗发生变化，行波在该点会发生波的反射现象，行波在传输线中的传播速度是一定的，通过测量入射波和反射波之间的时间差，就可以得到故障点的距离。由于电缆本身存在着损耗，行波在电缆中传输会发生畸变现象，实际波形与理想波形相比会有一定差距。2.1低压脉冲反射法介绍及其波形分析低压脉冲反射法，又称雷达法，可用于测量电缆的低阻短路与断路故障。低压脉冲法还可用于测量电缆的长度、电磁波在电缆中的传播速度，还可用于区分电缆的中间头、T型接头与终端头等[3]。图2.3低压脉冲反射法测距系统原理图如上图2.3，低压脉冲法的基本原理：测试时在电缆线路故障相的一端发射一个低压脉冲，当脉冲在传输过程中遇到阻抗失配的地方，如断线点、低阻短路(接地)点、中间接头、T接头和终端头等，会引起波的反射即脉冲反射波，这个脉冲反射波回到测试端，被探测设备记录下来。波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差t，对应脉冲在测量点与阻抗不匹配点往返一次的时间，已知脉冲在电缆中的波速v，则阻抗不匹配点的距离可由下式计算：2vtL(2-3)低阻故障情况下，低压脉冲反射波形如上图2.1，开路故障情况下波形如上图2.2，之前对波形已经说明在此不再赘述。低压脉冲法简单、直观，不需要知道电缆的准确长度，根据脉冲反射波还可以识别电缆接头与分接点的位置，但该方法只适用于电缆低阻和断路故障测距或用于电缆全长测量，不能用于电缆高阻和闪络性故障测距。2.2脉冲电流法介绍及其波形分析脉冲电流法是在脉冲电压法的基础上发展起来的，是闪络法进行电缆故障测距的另一种形式，包括直流高压闪络法(直闪法)和冲击高压闪络法(冲闪法)[7]。其故障测量原理同脉冲电压法相似，在电缆故障点击穿时，通过线性耦合器记录产生的电流脉冲信号，分析脉冲波在测试端到故障点往返一次的时间，并根据波速来计算故障点的距离。直闪法用于测量闪络击穿性故障，即故障点电阻极高，在用高压实验设备把电压升到一定值时就产生闪络击穿的故障一般预防性试验中出现的电缆故障多属于该类故障，直闪法测试接线如下图2.4所示。图2.4直闪法原理图由如上图2.4所示，Tl为调压器，T2为高压试验变压器，C为储能电容器，L为线性电流耦合器。线性电流耦合器L的输出经屏蔽电缆接测距仪器的输入端子。储能电容C对高频行波信号呈短路状态，在故障点击穿产生的电压、电流行波到达后，起产生电流信号的作用，可选用脉冲电容器，也可使用6千伏(直流高压在30千伏以下时)或10千伏(直流高压在30-50千伏之间时)电力电容器。直闪法典型波形如下图2.5：图2.5直闪法标准波形上图2.5中第一个脉冲是由故障点传来的放电脉冲，而第二个脉冲是从故障点返回的反射脉冲。在故障点电阻不很高时，因直流泄漏电流较大，电压几乎全降到了高压试验设备的内阻上去了，电缆上电压很小，故障点形不成闪络，必须使用冲闪法。冲闪法接线如下图2.6所示，它与直闪法接线基本相同，不同的是在储能电容C与电缆之间串入一球形间隙G。通过调节调压升压器对电容C充电，当电容C上电压足够高时，球形间隙G击穿，电容C对电缆放电，这一过程相当于把直流电源电压突然加到电缆上去。冲闪法的典型波形如下图2.7所示。图2.6冲闪法原理图图2.7冲闪法标准波形图2.7中第一个电流脉冲是电容对电缆的放电造成的，第二个脉冲是由故障点传来的放电脉冲，放电脉冲在整个波形上幅值最大，且变化尖锐，在故障点击穿后，放电脉冲到达测量点后产生反射折回故障点，在故障点又被反射回到测量点，这一过程不断进行。根据故障点放电脉冲与相应的故障点反射脉冲之间的时间差即可求出故障点距离[8]。脉冲电流法与脉冲电压法原理相似，区别在于脉冲电流法检测时测量设备和高压设备之间没有直接的联系，安全可靠，且接线相对简单，受到了测试人员的欢迎。但是该方法的波形较复杂，故障点反射脉冲不明显不易识别，造成测距误差较大。2.3二次脉冲反射法介绍及其波形分析二次脉冲法结合了低压脉冲法的波形简单与脉冲电流法可以测量高阻故障的优点，该方法测试原理图如下图2.8所示。先由高压脉冲电源发射高压脉冲使电缆故障点发生闪络，故障点的电弧表现为阻值非常低的电阻，同时波反射仪送出第一个低压脉冲，此脉冲在故障点发生短路反射，波形同低压脉冲法遇短路故障反射的波形类似，如下图2.9(a)。在电弧熄灭后，故障点恢复到高阻状态，由波反射仪释放第二个低压脉冲，因为在高阻故障点低压脉冲不能被反射，仪器将显示整个电缆长度的波形并存储起来，如下图2.9(b)。将完好轨迹和故障轨迹进行叠加比较，叠加图如下图2.9(c)，两条轨迹将有一个清楚的发散点，这个发散点就是故障点的反射波形点[9]。图2.8二次脉冲测试原理图图2.9次脉冲波形图二次脉冲法的优点在于可以避开故障点闪络时引起强烈的电磁干扰；较长线路也能记录到清晰的信号波形，提高测量精度。缺点是：所用仪器较多；由于故障点电阻要降到很小的数值，如果故障点受潮严重，故障点击穿过程较长，测试时间相应增加，故障点维持低阻状态的时间不确定。但总的来说，二次脉冲法是一种广受欢迎的测距方法。3参考文献[1]迟震.脉冲反射法电缆综合故障定位研究[D].哈尔滨理工大学,2013.[2]伏圣群.行波反射法电缆故障检测关键技术研究[D].哈尔滨理工大学，2014.[3]白春涛.电力电缆故障低压脉冲自动测距方法研究[D].郑州大学,2007.[4]杨艳伟.基于低压脉冲法的电缆故障测距的研究[D].郑州大学,2012.[5]于景丰，张庆立.电缆故障的脉冲反射测试技术与特殊波形的分析[J].电线电缆,2014,(2):29-31,40.[6]瞿敏.低压脉冲法在电缆故障测距中的应用及其相关问题研究[D].天津大学，2004.[7]李保生.基于时域脉冲反射原理的电线电缆精确测长技术研究[D].西安电子科技大学，2010.[8]苏燕民.基于低压脉冲法和