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电缆故障测试理论培训教程-基础理论(3)
时间: 2020-04-29 16:17 浏览次数:
电缆故障测试理论
电力电缆故障探测基础理论(3)

电缆故障测试理论

脉冲反射法(雷达反射)基础理论介绍 :
 
    目前,现场上主要是通过测量低压输入脉冲或故障点放电脉冲在故障点与测量端之间的传输时间测量电缆故障距离,下面主要介绍电压、电流波在电缆线路里的传播过程,以便使读者更好地了解基于电压、电流波传播原理的电缆故障测距技术。
    一、长线的基本概念以及等效电路
      电力电缆是传输线的一种。传输线本身的长度与它所传播的信号波长相比拟时,称为长线。对电缆中的脉冲电压、电流波而言,其脉冲宽度不足一个微秒。而波在一微秒时间内的传播距离仅二百米左右,所以有必要把电缆线路看成长线,来研究电压、电流波的传播过程。
      电缆线路(以下简称电缆)可看成由许许多多电阻R、电导G、电容C与电感L元件(等效元件)相联接组成的,这些元件称为电缆的分布参数。一小段电缆的等效电路如图1所示。
图1    一小段电缆的等效电路
       当信号电流流过每一段电路上的串联电阻R与电感L时,就会产生电压降,信号电流在每一段线路上还会通过电容C与电导G从中途返回。如果忽略线路的传播损耗,即令R=G=0,则线路称为无损耗线路,其单位长度上电容、电感值分别用C0与L0表示。除特殊说明外,本文讨论的线路均指的是这种无损耗线路。
     分布参数线路上任一点电压、电流值实际上是许多个向两个不同的方向传播的电压、电流波数值的代数和。这些电压、电流波以一定的速度运动,因此称为行波。我们把运动方向与规定方向一致的行波,叫正向行波,而把运动方向与规定方向相反的行波叫反向行波。
     假定有一电缆线路MN如图2所示,规定距离坐标X的方向从M端到N端,则线路上向着N端运动的波叫正向行波,而向着M端运动的波叫反向行波。 
   
图2    正向与反向行波 
   我们把电缆看作长线来分析,在长线上,沿长线各点的电压、电流一般情况下都是随时间变化的,是不相等的。而在短线上,各点的电压、电流大小可以近似的认为是相同的。
脉冲电磁波总有一定的宽度,若在一定的时间内,发射脉冲和反射脉冲相互重叠,就无法区分开来,因此就无法形成长线传输,就不能测试距离,所以,根据脉冲反射原理研制的电缆故障闪络测试仪(简称闪测仪),就有一定的测试盲区。
    二、 电缆中的波速度与波阻抗
 1. 波速度
 行波从电缆一端传到另一端需要一定的时间,电缆长度与传播时间之比,称为波速度V。
经分析可知,电缆中行波的波速度可表示为:
    其中:S=3×108米/秒,是光的传播速度;
 
        μ为电缆芯线周围介质的相对导磁系数;
        ε为电缆芯线周围介质的相对介电系数。
    可见,电缆中波速度只与电缆的绝缘介质性质有关,而与导体芯线的材料与截面积无关。对于由不同导体材料制成的电缆,只要绝缘介质相同的,其波速度是不变的,这一点必须注意,因为不少人想当然地认为电缆的波速度受芯线的材料与截面积影响。
   经过大量测量试验,得出得四种常用的高压电缆的电磁波传输速度为:
油浸纸电缆:    V=160m/微秒;
交联聚乙烯电缆:V=172m/微秒;
聚氯乙稀电缆:  V=184m/微秒;
不滴流油电缆:  V=144m/微秒。
   真空中,电波的传输速度为V=300m/微秒,为最高传输速度。
   但必须注意,电缆的传输速度是随电缆运行时间的变化有一定的变化,特别是新型号的交联电缆,因为绝缘材料配方的差异,传输速度就会有所不同。对于低压电力电缆,绝缘材料差异更大,所以速度就差别更大。一般橡胶绝缘的低压电缆,传输速度为200 m/微秒左右;三芯交联低压电缆,传输速度140-150 m/微秒左右;单芯交联低压电缆,传输速度最小的可达100 m/微秒左右;两根以上的地埋电线,传输速度一般为110 m/微秒左右(与当地土壤有关)。总之,当有条件知道电缆长度时,故障测试前最好先验证测试一下该电缆的传输速度,以便测试的数据更准确。
    2. 波阻抗
   电缆中的电压波在向前运动时,对分布电容不断充电产生伴随的向前运动的电流波,一对电压、电流波之间的关系,用波阻抗(也称特性阻抗)Z0来描述。
经分析可知,电缆的波阻抗可表示为:
     L0、C0除与电缆所用介质材料、介电系数与导磁系数有关外,还与电缆芯线的截面积和芯线与外皮之间的距离有关。所以,不同规格和种类的电缆,其波阻抗也不同。电缆芯线截面积越大,波阻抗值越小。一般电力电缆的波阻抗值在10-40欧左右。
    判断电缆故障为高阻故障还是低阻故障,是以特性阻抗R0为分界线,故障电阻大于特性阻抗就为高阻故障,小于特性阻抗就为低阻故障。当然,好电缆上各点的等效阻抗都与特性阻抗相等。
    三、反射系数
  电波在电缆中传输时,遇到阻抗不匹配的地方,就会发生反射,反射波形的幅度大小与正负,与反射系数P有关。所谓反射系数P,是指传输线中某一点的反射波电压V反(或反射波电流I反)与入射波电压V入(或入射波电流I入)之比,用公式表示为:
                  
经过推导后,得出反射系数的计算公式为  
式中,RL为传输线故障点的阻抗;
      R0为传输线的特性阻抗。
下面我们分三种情况进行分析:
1、电缆终端开路情况
电缆终端开路,即负载电阻为无穷大,RL=∞ ,代入公式计算,R0可以忽略不计,便有RL=+1。
在这种情况下,脉冲发射波形就和脉冲反射波形同向,都为正向波形(我们的闪测仪发射脉冲定义为正向波形,波形参考说明书图8.1)。
终端短路,即负载电阻为零,RL=0 ,代入公式计算,便有RL=-1。
  在这种情况下,脉冲发射波形就和脉冲反射波形反向,一次反射波形为负向波形,二次反射波形又为正向波形,依此类推(波形参考说明书图8.2)。
3、电缆有故障的情况
这种情况分为两种情况:
(1)、当RL> R0时,则反射系数0<P<1,所以,反射波与入射波同极性,并且反射波比入射波的幅度要小(波形参考说明书图8.1)。
(2)、当RL< R0时,则反射系数-1<P<0,所以,反射波与入射波极性相反,并且反射波比入射波的幅度要小(波形参考说明书图8.2)。
需要说明的是:有关不同的反射系数的波形反射情况,是针对低压脉冲法测试。对于高压闪络法测试时的波形反射情况,由于情况更加复杂,波形反射情况与低压脉冲有很大不同,但原理相同,波形分析时要加以区别。

电力电缆故障探测基础理论(3)

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