电力电缆故障探测培训教程－低压脉冲法（1）

电缆故障培训教程

一、低压脉冲反射法工作原理

    1. 应用范围

    低压脉冲反射法(以下简称脉冲法)用于测量电缆的低阻、短路与断路故障。据统计这类故障约占电缆故障的10%左右。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。

   2. 工作原理

   测试时，向电缆输入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，回送到测量点被仪器记录下来，如图1所示：

图1   低压脉冲反射原理图 

   图1中，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度V，则阻抗不匹配点距离，可由下式计算。

                     L=V·△t/2 

   通过识别反射脉冲的极性，可以判定故障的性质。断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同，而短路故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反。

   由计算公式我们知道，脉冲在电缆中的波速度对于准确地计算出故障距离很关键。在不清楚电缆的波速度值的情况下，可用如下方法测量。如已知被测电缆的长度，根据发送脉冲与电缆终端反射脉冲之间的时间△t，可推算出

电缆中的波速度：

                    V=2·L/△t 

   3. 发射脉冲的选择

  （1) 脉冲的形状

  电缆故障测量仪器使用的电压脉冲一般有矩形、指数、钟形（又叫升余弦）等。由于矩形脉冲形成比较容易，故应用的比较多。

  （2) 脉冲的宽度

  脉冲总有一定的时间宽度，假定为τ，则在τ时刻以内到来的反射脉冲与发射脉冲相重迭，无法区分出来，因此就不能测出故障点距离，出现了测试盲区。假设脉冲发射宽度是0.2 μs，电缆波速度是160m / μs，其测量盲区就是16米，仪器发送脉冲愈宽，测量盲区愈大。从减小盲区的角度看，发送脉冲宽度窄一些好，但脉冲愈窄，它所包含的高频成分愈丰富，而线路高频损耗大，使反射脉冲幅值过小，畸变严重，影响远距离故障的测量效果。为解决这一问题，脉冲反射仪器（也叫闪测仪）把脉冲宽度分成几个范围，根据测量距离的远近来选择脉冲宽度，测量距离愈远，脉冲愈宽。

    目前市场上技术最为成熟的单片机型电缆故障测试仪，采用的低压脉冲宽度为0.2μs/2 μs两档，分别用于测量短电缆以及长电缆。

   二、脉冲反射波形的分析理解

   1. 脉冲反射波形反映电缆故障相知与电缆结构特点

   观察电缆的低压脉冲反射波形除，可以找出故障点的位置以及判别故障性质，还有利于了解复杂电缆的结构特点，这一优点是电桥法无法比拟的。而实际的测量波形往往变化较多，需要操作人员具有起码的测试训练和一定的测量经验和技巧，能否正确地理解反射波形是准确地测出故障距离及了解电缆结构的关键。

   图 2.a 给出了一个有低阻故障的电缆，中间有接头J，图2.b给出了向电缆注入一低压脉冲测得的脉冲反射波形。类似于透视用的X光片，被测电缆结构（状态）以波形的形式直观地呈现在仪器的屏幕上。

                图2   中间有接头的电缆脉冲反射波形

   把波形上任一点的时间坐标乘以二分之一的波速度，换算成距离，则电缆上所有的阻抗不匹配点，如中间接头J、故障点F、电缆的开路终端B，均按实

际的距离以脉冲的形式出现在波形上。根据脉冲的极性与大小可判别阻抗不匹配的性质（例如低阻还是开路）与严重程度。一般来说，开路与短路故障反射比较强，而中间接头反射较弱。低阻故障电阻值愈小，反射愈强烈。

   需要说明的是，中间接头的反射，不一定一定是正反射，有可能是负反射，或者没有反射，这个完全与接头处特性阻抗有关，与绝缘电阻无关。接头点反射大小，不一定代表该接头有故障，要综合分析判断。

    图3是同一多芯低压控制电缆的两种低压脉冲法实测波形（祥见培训教程－波形分析实例7）：

 

 图3    低压脉冲法测试波形

    下面介绍几种典型故障的脉冲反射波形。

    (1) 断路故障

    脉冲在断路点产生全反射，反射脉冲与发送脉冲同极性。

                  图4   断路故障脉冲反射波形

   图4给出了断路故障脉冲反射波形。波形上第一个故障点反射脉冲之后，还有若干个相距仍然是故障距离的反射脉冲，这是由于脉冲在测量端与故障点之间多次来回反射的结果。由于脉冲在电缆中传输存在损耗，脉冲幅值逐渐减小，并且波头上升变得愈来愈缓慢。

   实际上有用的是第一个反射脉冲，注意不要把后续反射脉冲误认为是其它故障点的反射脉冲。

   (2) 短路故障

   脉冲在短路点产生全反射，反射脉冲与发送脉冲极性相反。图5给出了电缆短路故障脉冲反射波形。波形上第一个故障点反射脉冲之后的脉冲极性出现一正一负的交替变化，这是由于脉冲在故障点反射系数为-1，而在测

量端反射为正的缘故。

                   图5      短路故障脉冲反射波形

   (3) 低阻故障脉冲反射波形

   电缆中出现低电阻故障时，故障点电压反射系数与透射系数由式ρu=-1/(1+2K)与γ=2K/(1+2K)给出，其中K=Rf/Z0是故障电阻与电缆波阻抗的比。图6给出了电压反射系数与透射系数随K值的变化关系，可见K>10，即故障电阻大于波阻抗值的10倍时，脉冲反射系数幅值小于5%，故障点反射脉冲较难以识别，故低压脉冲法不适用测量这类故障的距离。

       图6   低电阻故障点电压反射系数与透射系数变化规律

    图7.c给出了故障点在电缆中点之前的低阻故障脉冲反射波形。由脉冲传播网格图（图7.b）看出，注入的脉冲在故障点产生反射脉冲，t1时刻回到测量端，该脉冲从测量端返回，在故障点又被再次反射，t2时刻又一次回到测量端。第二个故障点反射脉冲在波形上与第一个故障点反射脉冲之间的距离为故障距离，在实际应用中，应注意不要把它误以为新的故障点或接头反射。穿过故障点的透射脉冲在电缆的端点被反射，t3时刻回到测量端。

 电缆中点之后低阻故障的脉冲反射波形如图8所示，这里不再详述。

             图7 电缆中点之前的低阻故障脉冲反射波形

             图8 电缆中点之后的低阻故障脉冲反射波形

   2. 怎样确定反射脉冲的起始点

   一般的低压脉冲反射仪器依靠操作人员移动标尺或电子光标，来测量故障距离。实际测试时，人们往往没有把握应该把光标定在何处来标定反射脉冲的起始点。

    根据脉冲反射原理，故障点愈远，反射脉冲上升愈圆滑，标定愈困难。

    在实际测试时，应选波形上反射脉冲造成的拐点作为反射脉冲的起始点，如图9a虚线所标定处，亦可从反射脉冲前沿作一切线，与波形水平线相交点，可作为反射脉冲起始点，如图 9b所示。

                  图9    反射脉冲起始点的标定

   图10是现场测试的低压脉冲法测试波形，以及光标起点、终点确定的位置分析图。

 图10   低压脉冲法测试高阻故障测试波形

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