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電力電纜故障探測(cè)培訓(xùn)教程-低壓脈沖法(1)

來源:上海普景電氣有限公司   2017年04月03日 15:47  

一、低壓脈沖反射法工作原理

    1. 應(yīng)用范圍

    低壓脈沖反射法(以下簡(jiǎn)稱脈沖法)用于測(cè)量電纜的低阻、短路與斷路故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)這類故障約占電纜故障的10%左右。低壓脈沖法還可用于測(cè)量電纜的長(zhǎng)度、電磁波在電纜中的傳播速度,還可用于區(qū)分電纜的中間頭、T型接頭與終端頭等。

   2. 工作原理

   測(cè)試時(shí),向電纜輸入一低壓脈沖,該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點(diǎn),如短路點(diǎn)、故障點(diǎn)、中間接頭等,脈沖產(chǎn)生反射,回送到測(cè)量點(diǎn)被儀器記錄下來,如圖1所示:

 
圖1   低壓脈沖反射原理圖 

   圖1中,波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差△t,對(duì)應(yīng)脈沖在測(cè)量點(diǎn)與阻抗不匹配點(diǎn)往返一次的時(shí)間,已知脈沖在電纜中的波速度V,則阻抗不匹配點(diǎn)距離,可由下式計(jì)算。

                     L=V·△t/2 

   通過識(shí)別反射脈沖的極性,可以判定故障的性質(zhì)。斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同,而短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。

   由計(jì)算公式我們知道,脈沖在電纜中的波速度對(duì)于準(zhǔn)確地計(jì)算出故障距離很關(guān)鍵。在不清楚電纜的波速度值的情況下,可用如下方法測(cè)量。如已知被測(cè)電纜的長(zhǎng)度,根據(jù)發(fā)送脈沖與電纜終端反射脈沖之間的時(shí)間△t,可推算出

電纜中的波速度:

                    V=2·L/△t 

   3. 發(fā)射脈沖的選擇

  (1) 脈沖的形狀

  電纜故障測(cè)量?jī)x器使用的電壓脈沖一般有矩形、指數(shù)、鐘形(又叫升余弦)等。由于矩形脈沖形成比較容易,故應(yīng)用的比較多。

  (2) 脈沖的寬度

  脈沖總有一定的時(shí)間寬度,假定為τ,則在τ時(shí)刻以內(nèi)到來的反射脈沖與發(fā)射脈沖相重迭,無法區(qū)分出來,因此就不能測(cè)出故障點(diǎn)距離,出現(xiàn)了測(cè)試盲區(qū)。假設(shè)脈沖發(fā)射寬度是0.2 μs,電纜波速度是160m / μs,其測(cè)量盲區(qū)就是16米,儀器發(fā)送脈沖愈寬,測(cè)量盲區(qū)愈大。從減小盲區(qū)的角度看,發(fā)送脈沖寬度窄一些好,但脈沖愈窄,它所包含的高頻成分愈豐富,而線路高頻損耗大,使反射脈沖幅值過小,畸變嚴(yán)重,影響遠(yuǎn)距離故障的測(cè)量效果。為解決這一問題,脈沖反射儀器(也叫閃測(cè)儀)把脈沖寬度分成幾個(gè)范圍,根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近來選擇脈沖寬度,測(cè)量距離愈遠(yuǎn),脈沖愈寬。
    目前市場(chǎng)上技術(shù)zui為成熟的單片機(jī)型電纜故障測(cè)試儀,采用的低壓脈沖寬度為0.2
μs/2 μs兩檔,分別用于測(cè)量短電纜以及長(zhǎng)電纜。

   二、脈沖反射波形的分析理解

   1. 脈沖反射波形反映電纜故障相知與電纜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

   觀察電纜的低壓脈沖反射波形除,可以找出故障點(diǎn)的位置以及判別故障性質(zhì),還有利于了解復(fù)雜電纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),這一優(yōu)點(diǎn)是電橋法*的。而實(shí)際的測(cè)量波形往往變化較多,需要操作人員具有起碼的測(cè)試訓(xùn)練和一定的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)和技巧,能否正確地理解反射波形是準(zhǔn)確地測(cè)出故障距離及了解電纜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

   圖 2.a 給出了一個(gè)有低阻故障的電纜,中間有接頭J,圖2.b給出了向電纜注入一低壓脈沖測(cè)得的脈沖反射波形。類似于透視用的X光片,被測(cè)電纜結(jié)構(gòu)(狀態(tài))以波形的形式直觀地呈現(xiàn)在儀器的屏幕上。

                圖2   中間有接頭的電纜脈沖反射波形

   把波形上任一點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)乘以二分之一的波速度,換算成距離,則電纜上所有的阻抗不匹配點(diǎn),如中間接頭J、故障點(diǎn)F、電纜的開路終端B,均按實(shí)

際的距離以脈沖的形式出現(xiàn)在波形上。根據(jù)脈沖的極性與大小可判別阻抗不匹配的性質(zhì)(例如低阻還是開路)與嚴(yán)重程度。一般來說,開路與短路故障反射比較強(qiáng),而中間接頭反射較弱。低阻故障電阻值愈小,反射愈強(qiáng)烈。
   需要說明的是,中間接頭的反射,不一定一定是正反射,有可能是負(fù)反射,或者沒有反射,這個(gè)*與接頭處特性阻抗有關(guān),與絕緣電阻無關(guān)。接頭點(diǎn)反射大小,不一定代表該接頭有故障,要綜合分析判斷。
    圖3是同一多芯低壓控制電纜的兩種低壓脈沖法實(shí)測(cè)波形(祥見培訓(xùn)教程波形分析實(shí)例7):

 
 
 
3    低壓脈沖法測(cè)試波形

 

    下面介紹幾種典型故障的脈沖反射波形。

    (1) 斷路故障

    脈沖在斷路點(diǎn)產(chǎn)生全反射,反射脈沖與發(fā)送脈沖同極性。

 

                  圖4   斷路故障脈沖反射波形

   圖4給出了斷路故障脈沖反射波形。波形上*個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之后,還有若干個(gè)相距仍然是故障距離的反射脈沖,這是由于脈沖在測(cè)量端與故障點(diǎn)之間多次來回反射的結(jié)果。由于脈沖在電纜中傳輸存在損耗,脈沖幅值逐漸減小,并且波頭上升變得愈來愈緩慢。

   實(shí)際上有用的是*個(gè)反射脈沖,注意不要把后續(xù)反射脈沖誤認(rèn)為是其它故障點(diǎn)的反射脈沖。

   (2) 短路故障

   脈沖在短路點(diǎn)產(chǎn)生全反射,反射脈沖與發(fā)送脈沖極性相反。圖5給出了電纜短路故障脈沖反射波形。波形上第一個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之后的脈沖極性出現(xiàn)一正一負(fù)的交替變化,這是由于脈沖在故障點(diǎn)反射系數(shù)為-1,而在測(cè)

量端反射為正的緣故。

                   圖5      短路故障脈沖反射波形

   (3) 低阻故障脈沖反射波形

   電纜中出現(xiàn)低電阻故障時(shí),故障點(diǎn)電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)由式ρu=-1/(1+2K)與γ=2K/(1+2K)給出,其中K=Rf/Z0是故障電阻與電纜波阻抗的比。圖6給出了電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)隨K值的變化關(guān)系,可見K>10,即故障電阻大于波阻抗值的10倍時(shí),脈沖反射系數(shù)幅值小于5%,故障點(diǎn)反射脈沖較難以識(shí)別,故低壓脈沖法不適用測(cè)量這類故障的距離。

 

       圖6   低電阻故障點(diǎn)電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)變化規(guī)律

    圖7.c給出了故障點(diǎn)在電纜中點(diǎn)之前的低阻故障脈沖反射波形。由脈沖傳播網(wǎng)格圖(圖7.b)看出,注入的脈沖在故障點(diǎn)產(chǎn)生反射脈沖,t1時(shí)刻回到測(cè)量端,該脈沖從測(cè)量端返回,在故障點(diǎn)又被再次反射,t2時(shí)刻又一次回到測(cè)量端。第二個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖在波形上與*個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之間的距離為故障距離,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)注意不要把它誤以為新的故障點(diǎn)或接頭反射。穿過故障點(diǎn)的透射脈沖在電纜的端點(diǎn)被反射,t3時(shí)刻回到測(cè)量端。
 
電纜中點(diǎn)之后低阻故障的脈沖反射波形如圖8所示,這里不再詳述。

             圖7 電纜中點(diǎn)之前的低阻故障脈沖反射波形

             圖8 電纜中點(diǎn)之后的低阻故障脈沖反射波形

   2. 怎樣確定反射脈沖的起始點(diǎn)

   一般的低壓脈沖反射儀器依靠操作人員移動(dòng)標(biāo)尺或電子光標(biāo),來測(cè)量故障距離。實(shí)際測(cè)試時(shí),人們往往沒有把握應(yīng)該把光標(biāo)定在何處來標(biāo)定反射脈沖的起始點(diǎn)。

    根據(jù)脈沖反射原理,故障點(diǎn)愈遠(yuǎn),反射脈沖上升愈圓滑,標(biāo)定愈困難。

    在實(shí)際測(cè)試時(shí),應(yīng)選波形上反射脈沖造成的拐點(diǎn)作為反射脈沖的起始點(diǎn),如圖9a虛線所標(biāo)定處,亦可從反射脈沖前沿作一切線,與波形水平線相交點(diǎn),可作為反射脈沖起始點(diǎn),如圖 9b所示。

                  圖9    反射脈沖起始點(diǎn)的標(biāo)定

   圖10是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的低壓脈沖法測(cè)試波形,以及光標(biāo)起點(diǎn)、終點(diǎn)確定的位置分析圖。

 
 圖10   
低壓脈沖法測(cè)試高阻故障測(cè)試波形

 

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