电缆故障探测新方法及其特点

本文综述了电缆故障的探测方法与仪器。首先列举了电缆故障探测的传统方法并分析了传统方法的不足，然后介绍了电缆故障探测的新方法及其特点。

随着电缆用量在整个电力传输线路和因特网中所占的比例日益提高，电缆故障出现的几率越来越大。电缆故障对造成的危害较大，轻者会造成单台电气设备不能运行，重者会导致整个变电所停电，所以电缆故障点的快速测定和定位问题变得非常重要。

一、电缆故障探测的传统方法

（一）电缆故障测距的传统方法

电缆故障测距的传统方法主要有以下四种：

电桥法：这是电力电缆的测距的经典方法。该方法比较简单，但需要事先知道电缆线长度等数据，且只适用于低阻及短路故障。但是，在实际运行中，故障常常为高阻及闪络性故障，因故障电阻很高造成电桥电流很小，因此一般的灵敏度仪表很难探测。

脉冲回波法：针对低阻与断路类型的故障，利用低压脉冲反射方法来测电缆故障比起上面的电桥法简单直接，只需通过观察故障点反射与发射脉冲的时间差来测距。测试时将一低压脉冲注入电缆，当脉冲传播到故障点时会发生反射，脉冲被反射送回到测量点。利用仪器记录发射和反射脉冲的时间差，只需知道脉冲传播速度就可计算出故障发生点的距离。该方法简单直观，不需知道电缆长度等原始数据，还可根据反射波形识别电缆接头与分支点的位置。

脉冲电压法。该方法可用于测量高阻与闪络故障。首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距。脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬时脉冲信号，测试速度快，测量过程也简化。但缺点是：①仪器通过一个电容电阻分压器分压测量电压脉冲信号，仪器与高压回路有电耦合，很容易发生高压信号串人，造成仪器损坏，故安全性较差；②在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串一个电阻或电感以产生电压信号，增加了接线复杂性，使故障点不容易击穿；③在故障放电时，特别在冲闪时，分压器耦合的电压波形变化不尖锐，难以分辨。

脉冲电流法：该方法安全、可靠、接线简单。其方法是将电缆故障点用高压击穿，使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号，根据电流行波信号在测量端与故障点往返一趟的时间来计算故障距离。该方法用互感器将脉冲电流耦合出来，波形较简单，较安全。这种方法也包括直闪法及冲闪法两种。与脉冲电压法使用电阻、电容分压器进行电压取样不同，脉冲电流法使用线性电流耦合器平行地放置在低压测地线旁，与高压回路无直接电器连接，对记录仪器与操作人员来说，特别安全、方便。所以人们一般使用此方法。

（二）电缆故障定点的传统方法

这里简要介绍一下声磁同步法。该方法使用高压设备使电缆故障点击穿放电，利用接收器记录放电声音，并用磁场信号对其进行同步，通过分析声音波形及测试人员通过耳机听声进行故障定点。此方法是目前常用的电力电缆定点的方法，但该方法只能获得距离故障点附近2～3m左右距离的声音信号，且对现场操作人员的技术素质要求较高。

二、电缆故障探测的新方法

（一）电缆故障测距的新方法

因果网：因果网描述故障元件、继电器、开关之间内在的动作关系。它利用比传统专家系统更深入的知识及面向对象技术，对电力系统故障进行定位。它具有简单、明确、通用性强等优点。利用小波变换进行故障选相：在脉冲法电缆故障定位检测中不可避免地存在各种电磁干扰。脉冲信号输出引线引起的高频振荡，采集系统本身固有的高频干扰，以及使用现场的空间电磁干扰都会通过暴露在定位仪外的信号引线进入测试系统，严重时可淹没反射脉冲的起始点，给故障定位带来误差。为此，采用有效的数字信号处理方法消除这些干扰的影响，提高故障定位精度。小波变换是20世纪80年代后期发展起来的应用数学分支，被誉为信号分析的数学显微镜，是信号处理的前沿课题。小波变换在数字信号处理领域，如滤波、奇异信号检测、边缘检测等方面应用广泛。小波的多尺度分析方法能将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分解成不相同频率的信号，并直接在时域上反映出来，信号的位置、幅值和波形都十分直观，能有效地实现信噪分离。小波变换具有很好的时频局部特性，对分析信号上奇异点的位置非常有效，这一特性适用于电缆故障定位中寻找反射脉冲的起始点。

基于整个输电网GPS行波故障定位：定位系统GPS是近年发展起来的用于通信系统的。输电线路行波故障定位具有很高的精度，但需要高速A/D采集、大量数据存储、复杂的行波波头辨识，且对发展性故障、近距离故障的测量处理比较困难。如用专用行波波头检测传感器、高精度的GPS时钟及存储行波波头时刻的存取方法，在每个变电站安装一台专门设计的行波波头记录仪，与调度通信构成输电网GPS行波测量网络，则可直接测量故障行波波头到达各个变电站的准确时刻，由调度进行故障定位。

跨步电压法：文献[4]利用脉冲跨步方式对低压电缆故障进行定向与定位，该方法接线简单、操作方便，可对直埋电力电缆故障快速定向定点。它是利用电缆沿线的土壤中或地面产生沿电缆走向依次递减或递增的"跨步"电压脉冲，确定故障点的方向和具体位置。因为根据以往的经验，低压电力电缆故障，90％以上故障点的电缆护层都是破损的，这样即可利用在电缆一端施加一个周期的脉冲信号，沿电缆敷设走向快速确定故障点的方向和确定故障点的位置。一般土壤情况下，在距离故障点20-30m，就可以指示故障点方向，在水泥或硬化路面条件下，在距离故障点l0m，就可以指示故障点方向。与现有技术比较，利用脉冲跨步方式对低压电缆故障进行定向与定位的方法的优点是：①可以大范围确定故障点的方向，节省测试故障的时间；②施加在故障电缆上的中压脉冲并不要求被试电缆在故障点产生续弧，并且脉冲宽度仅有几ms 到几十ms，因此不会对电缆造成损伤；③所使用的测量设备使用方便、操作简单，并且直观；④定位精度高。利用发光二极管束或指针式表 头指示故障点的方向和该电压脉冲的大小，根据仪器上的指示方向，沿电缆探测，即可迅速地找到故障点。

（二）电缆故障定点的新方法

高频感应法：利用高频信号发生器向电缆输入高频电流，这样会产生高频电磁波，然后在地面上用探头沿电缆路径接收电缆周围高频电磁场，电磁场的变化经接收处理后直接在液晶屏幕上显示出来，根据显示出数值的大小直接判断故障点位置。高频感应法与传统音频感应法相比有如下很多优点。高频信号源本身就比音频信号源容易实现，制造容易，可以减少定点探测装置的体积和重量，为设备的小型化和便携创造有利条件。高频信号的频谱抗干扰性能较强。该方法可以直接将结果显示出来，比靠人耳辨别更可靠，更方便。用高频感应法比音频感应法要优越得多，而且它可在不停电情况下用耦合式接线来实施在线故障探测。

红外热象技术：基于电缆一旦过载，线芯的温度将会急剧上升这一现象，人们可对电缆的线芯温度进行监测来判断故障位置。步骤如下：首先采用红外热象仪扫描电缆表面，拍摄出电缆的表面温度场分布图象，进一步处理可得出温度场的具体数值分布，然后根据已建立的传热数学模型，根据电缆结构参数，物性参数，环境温度及表面温度对电缆线芯温度进行反演计算，从而实现电缆线芯温度的非接触的故障探测。正是红外技术不需接触设备，不要求设备停运，且具有操作简便，检测速度快，工作效率高等优点，在未来的电缆故障检测中，红外热象技术必将发挥更大的作用。