于景豐， 張慶立

(1.興樂集團(tuán)有限公司，浙江 樂清325604;2.西安電子科技大學(xué)，陜西西安710065)

0 引言

電力電纜的故障與其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、敷設(shè)、運(yùn)行及維護(hù)情況密切相關(guān)，因此，造成的電纜故障的性質(zhì)和種類千差萬別，這給電纜故障距離的測(cè)量帶來相當(dāng)大的難度。以往采用經(jīng)典的測(cè)試方法，不僅適用性差、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試也會(huì)帶來更大的停電損失。脈沖反射法無需燒穿即可測(cè)試電纜的低阻、高阻、斷線、泄漏(預(yù)防性耐壓試驗(yàn)中，泄漏電流隨試驗(yàn)電壓的升高而增大，直至超過泄漏電流的允許值，這種高阻故障稱為泄漏性故障)和閃絡(luò)性故障(預(yù)防性耐壓試驗(yàn)中，泄漏電流小而平穩(wěn)。但當(dāng)試驗(yàn)電壓升至某一值——尚未或已經(jīng)達(dá)到額定試驗(yàn)電壓時(shí)，泄漏電流突然增大并迅速產(chǎn)生閃絡(luò)擊穿，這種高阻故障稱為閃絡(luò)性故障)，并且測(cè)試工作快速、簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，但是，當(dāng)故障點(diǎn)位于電纜兩端及其附近時(shí)，由于波形的改變，使故障點(diǎn)的識(shí)別和故障距離的測(cè)量幾乎無法進(jìn)行。本文介紹筆者幾年來理論探討與實(shí)測(cè)研究的結(jié)果，即兩端故障波形的分析與距離測(cè)量方法。

脈沖反射法可分為低壓脈沖法、直閃法和沖閃法。低壓脈沖法對(duì)低阻和斷線故障十分有效，并可測(cè)量電纜全長(zhǎng)及電波在電纜中的傳播速度。直閃法適用于閃絡(luò)性高阻故障。沖閃法適用于各種電纜故障，尤其對(duì)泄漏性高阻故障十分有效。三種測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)波形參見圖1、圖2和圖3(Lx為故障點(diǎn)到測(cè)試端的距離)。

圖1 低壓脈沖法標(biāo)準(zhǔn)波形

如果已知電波在電纜中的傳播速度V，電波從測(cè)試端到故障點(diǎn)往返一次的時(shí)間T，那么故障距離

圖2 直閃法標(biāo)準(zhǔn)波形

圖3 沖閃法標(biāo)準(zhǔn)波形

Lx可由式(1)計(jì)算:

1 故障點(diǎn)位于首端及其附近的特殊波形分析與測(cè)量

當(dāng)故障點(diǎn)位于首端(測(cè)試端)及其附近大約40 m以內(nèi)時(shí)，由于故障波形的改變，常規(guī)的測(cè)量方法已無法測(cè)算故障距離，通常把該范圍定義為“盲區(qū)”。

大量實(shí)測(cè)波形的研究結(jié)果表明:盲區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)的反射特性仍然符合脈沖原理，只是由于故障點(diǎn)太近，測(cè)到的波形是一個(gè)經(jīng)過入射脈沖和反射脈沖(低壓脈沖法)或多次反射脈沖的疊加波形，因此其波形外貌已發(fā)生了根本的改變。筆者利用行波的傳播、反射、疊加等原理，對(duì)盲區(qū)波形進(jìn)行剖析，從而獲得了盲區(qū)波形改變的理論依據(jù)及故障距離測(cè)算的有效方法，現(xiàn)分述如下:

(1)低壓脈沖法

低壓脈沖法是在故障相上于t0時(shí)注入低壓發(fā)射脈沖，該脈沖將沿電纜傳播，直到阻抗失配的地方，如短路、接地、斷線或終端等處，在這些點(diǎn)上，脈沖波都將發(fā)生反射，反射脈沖依次于t1、t2時(shí)回到測(cè)試端，如圖1所示。由式(1)變換可得:

如果發(fā)射脈沖的寬度為τ，當(dāng)T＜τ時(shí)，將發(fā)生入射波和反射波的疊加情況，其疊加波形的形成剖析如圖4所示。

(2)直閃法

圖4 低壓脈沖法疊加波形

當(dāng)施加于故障電纜的直流負(fù)高壓達(dá)到一定值時(shí)，故障點(diǎn)被擊穿，產(chǎn)生電壓躍變即放電脈沖波，并于t0時(shí)到達(dá)測(cè)試端，根據(jù)電波的反射原理，該脈沖波將在測(cè)試端與故障點(diǎn)之間來回反射，于t1、t2時(shí)到達(dá)測(cè)試端，如圖2所示。故障點(diǎn)擊穿而形成的短路電弧使故障點(diǎn)產(chǎn)生電壓躍變時(shí)，如果故障點(diǎn)靠近首端，這一躍變電波尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)，下一反射波又已到達(dá)，形成多次反射的疊加，故障距離越近，波形中快速的過渡振蕩越密集。波形的疊加原理與低壓脈沖法相同，如圖5所示。

圖5 故障點(diǎn)位于首端及其附近的直閃波

由圖5可知:T=t1－t0或T=t2－t1，當(dāng)T值太小時(shí)，不易取得精確數(shù)據(jù)，這時(shí)可取一較大的時(shí)間t(3～5 μs)，然后由圖5確定t時(shí)間內(nèi)的反射次數(shù)n，于是推導(dǎo)出盲區(qū)內(nèi)故障距離的計(jì)算公式為:

式(3)是利用幾何平均法計(jì)算Lx值，其計(jì)算結(jié)果比式(1)更精確。

(3)沖閃法

沖閃法是在高壓試驗(yàn)設(shè)備的出口、電容器及電纜之間串入一球隙，當(dāng)通過高壓電路施加于電容器上的電壓達(dá)到球隙擊穿電壓時(shí)，球隙擊穿，電容器對(duì)電纜放電。設(shè)該放電電壓幅值大于故障點(diǎn)臨界擊穿電壓，當(dāng)其沿電纜線路運(yùn)動(dòng)到故障點(diǎn)，并經(jīng)過△T時(shí)間積累足夠的能量后，故障點(diǎn)電離擊穿放電，產(chǎn)生躍變的脈沖電波。根據(jù)電波的反射原理，該反射脈沖將在測(cè)試端與故障點(diǎn)之間來回反射，若球隙在t'時(shí)擊穿，則經(jīng)過T/2+△T時(shí)間故障點(diǎn)放電。故障點(diǎn)的放電脈沖再經(jīng)T/2時(shí)間于t0時(shí)到達(dá)測(cè)試端，然后每隔時(shí)間T將有一個(gè)反射脈沖到達(dá)測(cè)試端，直至能量耗盡，整個(gè)放電過程結(jié)束，其波形如圖3所示。當(dāng)故障點(diǎn)位于首端及其附近時(shí)，該電波在測(cè)試端與故障點(diǎn)之間的反射和疊加均與直閃法相同，其波形如圖6所示。圖6波形中的T、Lx值同樣可采用直閃法中推導(dǎo)出的方法測(cè)量與計(jì)算。

圖6 故障點(diǎn)位于首端及其附近的沖閃波

2 故障點(diǎn)位于末端及其附近的特殊波形分析與測(cè)量

使用沖閃法時(shí)，由于球間隙放電電壓尚未達(dá)到(但接近)故障點(diǎn)臨界擊穿電壓值，使電壓行波穿過故障點(diǎn)于tf0時(shí)運(yùn)動(dòng)到末端，并在那里產(chǎn)生正反射。由于故障點(diǎn)距離末端較近，其放電延遲△T較大，該反射電壓將與入射電壓產(chǎn)生疊加，而疊加電壓使故障點(diǎn)擊穿，此時(shí)來自故障點(diǎn)及末端的反射波均進(jìn)入儀器，形成非標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜波形，如圖7所示。

圖7 故障點(diǎn)位于末端及其附近的沖閃波

根據(jù)上述分析，利用圖7波形，便可確定故障點(diǎn)與測(cè)試端之間電波往返一次的時(shí)間T=t1－t0。

3 實(shí)測(cè)案例

(1)故障線路情況。一條電纜型號(hào)為ZQ02-10 3×150，其運(yùn)行電壓為10 kV，敷設(shè)方式為直埋，電纜線路全長(zhǎng)為1 238 m，運(yùn)行時(shí)間為28年。該電纜線路在預(yù)防性試驗(yàn)中B、C兩相耐壓試驗(yàn)擊穿，測(cè)得A、B、C 三相絕緣電阻分別為2 000 MΩ、200 kΩ 和300 kΩ。

(2)故障點(diǎn)定位。由于是高阻故障，故選用沖閃法測(cè)試。在首端測(cè)得B、C兩相沖閃波形如圖8、圖9所示。圖8中，LXB為B相測(cè)取1次反射的故障距離，LXB=34.7 m;LXB'為B相測(cè)取5次反射的故障距離，5LXB'=148.6 m。圖9中，LC為C相測(cè)取的故障距離，LC=1 240 m。

圖8 B相首端沖閃波形

圖9 C相首端沖閃波形

在末端測(cè)得B、C兩相沖閃波形均為圖10所示波形。lXB為B相測(cè)取的故障距離，lXB=1 212 m;lXC為C相測(cè)取的故障距離，lXC=1 236 m。

圖10 B、C相末端沖閃波形

(3)測(cè)試結(jié)果分析。在首端測(cè)得的波形說明B相故障距首端較近，LXB'=29.72 m;C相波形上測(cè)得的LC近似電纜全長(zhǎng)，出現(xiàn)的反射脈沖為終端反射脈沖。

從末端測(cè)得的波形(圖 10)上可得lXB=1 212 m，這與在首端測(cè)試的結(jié)果相互呼應(yīng)，而lXC=1 236 m(近似全長(zhǎng))，同時(shí)看到較為明顯的負(fù)反射，說明故障點(diǎn)位于終端及其附近。

故障的精測(cè)定點(diǎn)比較順利，采用聲測(cè)定點(diǎn)法，B相故障在(距首端)30 m處精確定點(diǎn)，C相故障在首端戶內(nèi)頭下250 mm處定點(diǎn)。

根據(jù)圖8，進(jìn)行相對(duì)誤差計(jì)算，由于測(cè)得LXB=34.7m，LXB'=29.72 m，而實(shí)際定點(diǎn)的故障距離是30 m，所以測(cè)取1次和5次反射的誤差η1和η5:

根據(jù)圖10進(jìn)行相對(duì)誤差計(jì)算，由于測(cè)得lXC=1 236 m，而實(shí)際定點(diǎn)的故障距離約為電纜全長(zhǎng)，所以C相的測(cè)試誤差ηc為:

通過這一電纜故障實(shí)測(cè)案例，我們體會(huì)到:始端故障(如C相故障)在聲測(cè)定點(diǎn)時(shí)，由于故障點(diǎn)與放電球間隙的放電是同步進(jìn)行的，不易區(qū)分與識(shí)別，此時(shí)應(yīng)將沖擊放電裝置(或放電球間隙)移到電纜另一端;否則應(yīng)采取其它措施來輔助定點(diǎn)。

4 結(jié)束語

當(dāng)故障點(diǎn)位于電纜首、末兩端及其附近時(shí)，利用上述波形分析與測(cè)算方法是十分有效的，可從根本上解決“盲區(qū)”內(nèi)的測(cè)量問題以及末端反射的干擾問題。因此，使電纜故障的測(cè)試技術(shù)更加完善。