电力电缆故障测试的高端技术——弧反射法解析
摘要: 本文介绍了电缆故障测试中应用弧反射法测试的基本原理，并比较了三级脉冲与多次脉冲的不同以及应用了该技术的电缆故障定位仪的系统组成。同时还阐述了这项技术成功应用的几大要素。
关键词：电力电缆、故障测试、弧反射、定位
电力电缆的大量使用在我国已经有几十年的历史，前期使用运行的电缆现在已经进入了衰老期，因此，电缆的故障发生率在近几年呈明显的上升趋势，寻找一种快速而行之有效的电力电缆故障测试方法十分紧迫和必要。
现在国内外电缆故障测试仪普遍采用的电缆故障方法有行波法、电桥法、跨步电压法等等。国内大量采用的低压脉冲法、高压冲闪法都是行波法，这些方法基本能应付电缆的低阻、开路和短路故障，针对这些类型的电缆故障，国外大都采用的也是低压脉冲法。但实际工作中遇到的故障以高阻故障居多，而国内各厂家生产的电缆故障测试仪全都沿用传统的冲击闪络法和电流取样技术。由于其测试波形较为复杂，要求操作使用人员必须训练有素，而且要有较丰富的现场测试经验。这就给电缆测试造成了难题，使得多数人掌握不了波形分析的要领，难以在现场分析波形和快速准确地排除电缆故障。
欧美国家在电力电缆的高阻故障定位上的研究比较早，20世纪60 年代就发明了电缆故障测试仪弧反射法，并在电力电缆高阻故障定位上得到了成功的应用，80～90 年代相继推出了较为成熟的电力电缆故障定位系统。目前国外只有三家公司拥有这样的弧反射法技术，分别在英国、德国和奥地利。我国在电缆故障定位方面的研究起步很晚，主要原因是芯片制造方面的不足导致硬件的瓶颈一直都没能打破。再者，我们的技术人员，对弧反射技术的理论研究时间很短，对弧反射的相关知识还不够丰富。
可喜的是，经过近十年我国电缆故障测试仪的使用单位和研制单位的共同努力下，国产的二级弧反射脉冲法、三级脉冲弧反射法电缆故障测试仪相继问世，技术达到国际先进水平，打破了国外公司在此领域的垄断。从综合对比和实测效果来看，三级脉冲法电缆故障测试仪与国外同类型的先进仪器在测试方法上无明显差异甚至优于某些国外品牌的电缆测试仪，而且其操作的简便程度、测试速度、准确程度、机动性和性能价格比要优于国外产品。
1、工作原理
先介绍一下电力电缆的低阻故障和高阻故障。低压脉冲反射法适用于低阻( 低于10倍波阻抗) 、接地及开路故障，并可以测试电缆的全长和电波在电缆中的传播速度，当电缆发生低阻或接地故障时，故障点处的等效阻抗应为故障电阻与电缆特性阻抗的并联。故障电阻越小，反射波形越明显。当故障电阻为零时为全反射，由于测试端等效阻抗( 测试仪器的输入阻抗) 大于电缆特性阻抗，所以在测试端产生同极性反射脉冲。而在低阻或接地故障处，由于故障电阻小于电缆特性阻抗，所以入射脉冲进行故障点后产生反极性脉冲，并传输到测试端，接收到的反极性脉冲的下降沿就对应故障点的反射波形。当电缆发生开路故障时，故障等效阻抗为故障电阻与电缆特性阻抗的串联，开路即相当于故障电阻为无穷大，这种情况入射脉冲将形成全反射，在测试端产生同极性反射脉冲，接收到同极性的脉冲的上升沿与故障点的反射波形对应。
低压脉冲法测试的波形简单易判读，但对高阻故障不可测试。原因是低压脉冲的电压低，不足以击穿故障点形成反射。而高阻故障的传统测试方法（除短路、开路以外的故障）需要施加高压脉冲，击穿故障并放电，产生放电电流，将放电电流波形记录下来，再依据波形特征分析故障点距离，这就是高压闪络法或叫脉冲电流法。从理论上讲，放电电流波形是有一定周期性的，只要找到了周期性就能确定出故障点距离（如图三）。而实际采样时，受多种因素的影响，其周期性比较难分析，即使有一定测试经验的人员，分析起来也常出差错（如图四）。这就是脉冲电流法推广应用受阻的原因，也是电缆故障测试比较难的问题所在。
据相关统计，高阻故障占到电缆故障的95%以上。如果能将高阻故障的放电电流波形变得像分析低压脉冲短路波形一样容易，那就解决了高阻故障测距的难题，解决了电缆故障测试仪推广应用的瓶颈。目前已有国际通用的三级脉冲法和国内的二次脉冲法（或多次脉冲）可以实现这一功能。
实现这一功能的基本条件是：击穿故障点并保持燃弧短路一定时间，即高阻故障瞬间变成短路故障，在燃弧短路稳定期，触发测量脉冲采样，此刻采到的波形必然是“低压脉冲短路波形”。
二次脉冲法在电缆故障定位中的应用的工作原理如上图所示。首先使用一定电压等级、一定能量的高压脉冲在电缆的测试端施加给故障电缆，让电缆的高阻故障点发生击穿燃弧。同时，在测试端加入测量用的低压脉冲，测量脉冲到达电缆的高阻故障点时，遇到电弧，在电弧的表面发生反射。由于燃弧时，高阻故障变成了瞬间的短路故障，低压测量脉冲将发生明显的阻抗特征变化，使得闪络测量的波形变为低压脉冲短路波形，使得波形判别特别简单清晰。这就是我们称之为的“二次脉冲法”。接收到的低压脉冲反射波形相当于一个线芯对地完全短路的波形。将释放高压脉冲时与未释放高压脉冲时所得到的低压脉冲波形进行叠加，2个波形会有一个发散点，这发散点就是故障点的反射波形点。这种方法把低压脉冲法和高压闪络技术结合在一起，使测试人员更容易判断出故障点的位置。与传统的测试方法相比,二次脉冲法的先进之处，是将冲击高压闪络法中的复杂波形简化为最简单的低压脉冲短路故障波形，所以判读极为简单，可准确标定故障距离。
相对于高压闪络法，二次脉冲法在燃弧时间和采样成功率方面有了改善，但是，二次脉冲法要求击穿燃弧与低压脉冲必须保持高度的同步（燃弧时间也只有微秒级）。在此极短的时间内发出采样脉冲并保证同步是有难度的。因此产生了变通的所谓 “八次脉冲或多次脉冲法”，即在击穿燃弧时发出一连串（八个或更多）低压脉冲，一串不同时间的低压脉冲总有一个是与高压燃弧合拍的。尽管如此，也不能保证采样成功率100%。
针对二次脉冲法的缺点，三级脉冲进行了升级，技术上有了质的突破。
三级脉冲法采用双冲击方法延长燃弧时间并稳弧,能够轻易地定位高阻故障和闪络性故障。三级脉冲法技术先进,操作简单,波形清晰,定位快速准确,目前已经成为高阻故障和闪络性故障的主流定位方法。三级脉冲法是二次脉冲法的升级，其方法是首先在不击穿被测电缆故障点的情况下，测得低压脉冲的反射波形（此为第一级脉冲），紧接着用高压脉冲击穿电缆的故障点产生电弧（此为第二级脉冲），在电弧电压降到一定值时触发中压续弧脉冲（此为第三级脉冲）来稳定和延长电弧时间，使燃弧时间提高了百倍以上，延长到毫秒级，之后再发出低压脉冲，从而轻松得到故障点的反射波形，两条波形叠加后同样可以发现发散点就是故障点对应的位置。由于采用了中压脉冲来稳定和延长电弧时间，它比二次脉冲法更容易得到故障点波形。采样成功率可实现100%。相对于二次脉冲法由于三级脉冲法不用选择燃弧的同步时长，操作起来也跟加简便。可以实现自动判距。
2、 系统组成
三级脉冲电缆故障测试仪、续弧反射法中央控制单元、高压冲击单元
第一部分：三级脉冲电缆故障测试仪
三级脉冲电缆故障测试仪负责向电缆输入测量脉冲，并判断什么时候触发电路发送测量脉冲最为合适，为保证仪器成功捕捉到故障点的技术关键。同时，它还负责把采集到的信号进行滤波，提出其中的有用的测量脉冲。三级脉冲电缆故障测试仪这个部分是整个三级脉冲电缆故障测试仪器的大脑，负责向其他部件发送各种指令，协调各部件的工作，并向操作者提供人机对话的界面。它的主要功能是对测量脉冲进行高速的采样和记录，对采集的到信号进行高速的运算分析。对每次采集到的测量脉冲进行高速傅里叶变换分析，成功地捕捉到电缆高阻故障的低压脉冲波形，便于电缆故障测试人员分析。
第二部分：中央控制单元
中央控制单元是高压脉冲、中压脉冲和低压测量脉冲汇合的部件，它对信号的处理直接影响着仪器的测量精度、稳定性以及测量成功的几率。中央控制单元中的高压滤波单元可以滤掉高压脉冲的毛刺，使高压脉冲变得平滑，并在故障点形成稳定的燃弧、延弧，同时也可减少高压脉冲对波形记录分析仪信号采集的干扰。过压保护单元除了保护着三级脉冲电缆故障测试仪不受高压脉冲的冲击之外，还是低压测量脉冲的分压采样的重要部件，是测量脉冲输出、输入交互的接口电路。
中央控制单元是一种连接装置，用来连接三级脉冲反射仪和高压脉冲发生器，以便实现高阻和间歇性故障的预定位。通过脉冲发生器的使用和故障点处中央控制器的滤波器的阻塞作用，系统创建了一次闪络。此闪络将高阻故障临时转变成为低阻故障。这样，该故障就可以产生一次反射，并很方便地存储在三级脉冲电缆故障测试仪中。通过对比闪络前的轨迹线和闪络过程中的轨迹线，就可以清晰显示出故障距离。
第三部分：高压脉冲发生器
高压脉冲发生器是该套电缆故障预定位仪的能量提供部分，向外提供高压高能的电压脉冲。主要由升压器、高压整流二极管、充电电容、放电机构组成。
3、 弧反射法成功应用的几大要素
电缆故障预定位仪要成功的运用弧反射的方法，除了要求研制者熟悉弧反射的原理外，其仪器的硬件性能必须满足如下几大要素：
一、故障点燃弧要稳定：高压脉冲加到故障电缆的测试端后，要在高阻故障点形成稳定的燃弧，这是弧反射法应用成功的前提。要尽可能在低的电压水平下形成击穿，并且高压击穿回路中不能有阻尼电路，影响正常放电。比如二次及多次脉冲法就在放电回路中加入了几百欧的阻尼电阻，这就造成了故障点燃弧困难及燃弧不稳定，并且由于引入了阻尼电阻，所施加的高压不得不大大地高于正常击穿所需高压。而三级脉冲法则不存在这种情况，由于没有采用阻尼电阻，击穿电压为正常击穿电压，不会对电缆造成损坏。
二、故障点稳弧时间要长：故障点击穿后形成燃弧，这时还要尽可能的延长燃弧的时间，这是弧反射成功的关键点，这个过程叫稳弧及续弧。稳弧不仅仅需要很高的电压和很大的输出电流，而是需要高压脉冲有一定大的能量，即是电压、电流和时间的乘积：Q = U•I•t。不同电压等级的电缆，其电缆的耐压能力不同，再者，故障点绝缘情况不同，产生燃弧所需的电压、电流、能量都不同。三次脉冲独有的第二级脉冲可以在中央控制单元的控制下自动完成稳弧，并且起到续弧的功能。而二次及多次脉冲法缺少这个稳弧、续弧环节，直接造成了故障预定位率低。
三、发射脉冲要及时:在电缆故障点高压击穿后，向电缆测试端加入的第二级脉冲及第三级脉冲要及时有序的施加到被测电缆上。如果第二级脉冲施加得太早或太晚，则白白损失能量起不到稳弧及续弧的功能。而第三级脉冲如果施加过早，则低压脉冲到达故障点时，燃弧还未产生，低压脉冲会直接采集到来自终点端头的反射波，甚至接收不到任何反射波；如果加入得太晚，低压脉冲波头到达故障点时，燃弧已经结束，波形记录仪可能接收到来自终点端头的反射波。这样，时域反射仪无法接收到来自故障点的反射波，导致故障定位失败。这要求仪器的程序处理中心能良好的协调各部件的工作来保证正确的采集到弧反射波形。
四、时域弧反射仪的抗干扰能力要强：由于电力电缆的故障测试都是在强磁场、高电压的恶劣环境下进行的，对电磁兼容性要求比较高，不能频繁出现死机、花屏、无反射波等现象。这时时域弧反射仪处理器最好采用工业级的芯片，以达到良好的采样效果。
4 结束语
三级弧反射法是目前国际上采用的最先进的方法，针对电缆故障定位的其他方法的研究也在紧密地进行之中。随着我国相关制造技术的提高，国际、国内技术交流的增多，我国的技术人员一定能很好的掌握这项技术，研发出性能更好的电缆故障定位系统，甚至发现更好的电缆故障定位的方法。三级脉冲法电缆故障测试仪的研究成功，代表了国内最高水平及电缆测试的发展趋势。相信随着宣传及推广，它们会迅速普及到广大电缆维护者手中，为我国的电力电缆维护做出积极的贡献。
5.参考文献
1.电缆故障闪测仪原理与电缆故障测量 陕西科学技术出版社 1993.3
2.电力电缆故障探测技术 科汇电气有限公司 1993.9
3.“BAUR”、“SEBA”、“HAGENUK.KMT” 电缆测试仪器产品说明书
4.电力电缆故障探测技术 机械工业出版社 1999.4
5.全国供用电工人技能培训教材 电力电缆中级工
中国电力出版社 1999.5
6．《KC-900三级脉冲电缆故障测试仪说明书》 西安华傲通讯技术有限责任公司 2007.11
7．电缆故障定位中的弧反射法介绍 南方电网技术研究 2006。7
