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1、电缆故障测试中的低压脉冲反射法淄博信易杰电气有限公司， 0533-3175375 3-1 低压脉冲反射法工作原理1. 应用范围低压脉冲反射法（以下简称低压脉冲法）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%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注入一低压脉冲，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（图 3.1 ）。 波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差厶t，对应脉冲在测 量点与阻抗不匹配点往返一次的时间，已
2、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=Vt 2(3.1)r)1 _1图3.1 低压脉冲反射原理图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。V=2由3.1式知道，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：(3.2)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
3、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 T，则在T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，出现了盲区。假设脉冲发 射宽度是0.5，电缆波速度是160m/，其测量盲区 就是40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。 3-2脉冲反射波形的理解1
4、.脉冲反射波形反映电缆故障与结构观察电缆的低压脉冲反射波形除可以找出故障点的 位置及判别故障性质外，还有利于了解复杂电缆的结构， 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3.2.a给出了一个有低阻故障的电缆，中间有接 头J，图3.2.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。ab图3.2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(即3
5、.1式)，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。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。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
6、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3.4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3.4 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P u=-1心+2K)与丫 =2K/(1+2K)给出，其中 K=FRZ是故障电阻与电缆波阻抗的比。图3.5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
7、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36c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3.6.b ）看出，注 入的脉冲在故障点产生反射脉冲，11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，t 2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3.7所
8、示，这里不再详述。a.39c.图3.7电缆中点之后的低阻故障脉冲反射波形2.怎样标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 40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2.7节所述，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3.8.a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3.8.b所示。a.b.图3.8反射脉冲起始点的标定 3-3脉冲反射波形比较测量法实际电缆结构可能比较复杂，比如存
9、在分支点，脉 冲反射波形不容易理解。如图3.9.a所示，一中间带接头的电缆发生单相接地 故障，首先在良好的芯线上测得一波形，如图3.9.b所示, 然后在故障芯线上测量波形如图3.9.c，把二者进行比较，在波形上F处二波形明显出现差异，这是由于故障点 反射脉冲所造成的，如图3.9.d，该点所代表的距离即是 故障点位置。d.良好与故障导体测量波形相比较图3.9 波形比较法测量单相对地故障现代微机化低压脉冲反射法仪器具有波形记忆功 能，即以数字的形式把波形保存起来，同时，可以把最 新测量波形与记忆波形同时显示。利用这一特点，操作 人员可以通过比较电缆良好线芯与故障线芯脉冲反射波 形的差异处，来寻找故
10、障点，避免了理解复杂的脉冲反 射波形的困难，故障点容易识别，灵敏度高。实际电力 电缆三相均有故障的可能性很小，绝大部分情况下有良 好的线芯存在，可方便地利用波形比较法，测量故障点。利用波形比较法，可精确地测定电缆长度或校正波 速度。由于脉冲在传播过程中存在损耗，电缆终端的反 射脉冲传回到测量点后，波形上升沿比较圆滑，不好精 确地标定出反射脉冲到达时间，特别当电缆距离较长时, 这一现象更突出。而把端点开路与短路的波形同时显示 3-4 内部阻抗平衡技术1.为什么使用内部阻抗平衡技术？脉冲反射仪器发送的脉冲有一定的宽度，由于仪器 的输出阻抗与电缆波阻抗不匹配，电缆上得到的或者是 仪器接收电路感受到的
11、发送脉冲拖了一个尾巴，故障点 反射脉冲与发射脉冲重叠，会造成显著的测量盲区；仪 器同时接收并在显示器上显示发送脉冲与反射脉冲，当 故障点距离较远时，发送脉冲的幅值远大于故障点反射 脉冲，如通过提高放大器增益，来达到提高故障点反射 脉冲幅值的目的，将造成信号放大电路的饱和，出现所 谓的“阻塞”现象。使用内部阻抗平衡技术的目的在于压缩甚至消除掉 仪器接收（并显示）的发送脉冲，从而减少或消除掉测 量盲区，并且可以较大限度地增加放大电路增益，提高 故障点反射脉冲的幅值，而不会使放大电路“阻塞”造 成脉冲反射波形失真。2. 内部阻抗平衡技术如图3.11所示，仪器同时向被测电缆与内部平衡网 络发射脉冲，而
12、仪器接收到的信号是被测电缆与内部平 衡网络上信号的差值，调节内部平衡网络参数，使其与 电缆的波阻抗一致，则发送脉冲在电缆与内部平衡网络 上产生的信号相同，仪器接收到的信号为零，而当反射 脉冲到来时，内部平衡网络上无信号出现，反射脉冲全 部送到仪器接收电路上去。有无内部平衡作用的仪器测 量波形如图3.12所示。图3.11内部平衡网络的作用a.无内部平衡网络b.有内部平衡网络c.无内部平衡网络，仪器增益过大图3.12 有无内部平衡网络的脉冲反射波形比较图3.12.b中的使用内部平衡网络的脉冲反射波形是 从波形上消除了发送脉冲后，提高仪器增益测得的。而 从图3.10.a看出，当发送脉冲在波形上同时出
13、现时，因 发送脉冲幅值远大于故障点反射脉冲，如提高仪器放大 增益，来达到提高故障点反射脉冲幅值的目的，将导致 仪器输入信号过大，造成信号放大电路饱和，出现所谓 的“阻塞”现象，波形如图3.10.C所示。为了简化操作，实际的低压脉冲反射仪器往往采用 固定的平衡网络，而不是由操作人员调节。仪器采用内部平衡技术压缩显示波形的发送脉冲 后，利用波形比较法，可很方便地测出电缆出头故障。 首先测得一完好电缆芯线的脉冲反射波形，储存起来， 然后再测量故障芯线，把先后两次测量波形比较，在波 形起始处，二者有明显的差别，说明是电缆出头故障。 图3.13给出了一电缆头附近处有短路故障的线芯与完好 线芯的波形比较。45
电缆故障测试中的低压脉冲反射法
