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電纜故障測試?yán)碚撆嘤?xùn)教程－基礎(chǔ)理論（3）
時(shí)間: 2020-04-29 15:37
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電力電纜故障探測基礎(chǔ)理論（3）
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脈沖反射法（雷達(dá)反射）基礎(chǔ)理論介紹 ：
目前，現(xiàn)場上主要是通過測量低壓輸入脈沖或故障點(diǎn)放電脈沖在故障點(diǎn)與測量端之間的傳輸時(shí)間測量電纜故障距離，下面主要介紹電壓、電流波在電纜線路里的傳播過程，以便使讀者更好地了解基于電壓、電流波傳播原理的電纜故障測距技術(shù)。
一、長線的基本概念以及等效電路
電力電纜是傳輸線的一種。傳輸線本身的長度與它所傳播的信號(hào)波長相比擬時(shí)，稱為長線。對電纜中的脈沖電壓、電流波而言，其脈沖寬度不足一個(gè)微秒。而波在一微秒時(shí)間內(nèi)的傳播距離僅二百米左右，所以有必要把電纜線路看成長線，來研究電壓、電流波的傳播過程。
電纜線路（以下簡稱電纜）可看成由許許多多電阻R、電導(dǎo)G、電容C與電感L元件（等效元件）相聯(lián)接組成的，這些元件稱為電纜的分布參數(shù)。一小段電纜的等效電路如圖1所示。
圖1 一小段電纜的等效電路
當(dāng)信號(hào)電流流過每一段電路上的串聯(lián)電阻R與電感L時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓降，信號(hào)電流在每一段線路上還會(huì)通過電容C與電導(dǎo)G從中途返回。如果忽略線路的傳播損耗，即令R=G=0，則線路稱為無損耗線路，其單位長度上電容、電感值分別用C0與L0表示。除特殊說明外，本文討論的線路均指的是這種無損耗線路。
分布參數(shù)線路上任一點(diǎn)電壓、電流值實(shí)際上是許多個(gè)向兩個(gè)不同的方向傳播的電壓、電流波數(shù)值的代數(shù)和。這些電壓、電流波以一定的速度運(yùn)動(dòng)，因此稱為行波。我們把運(yùn)動(dòng)方向與規(guī)定方向一致的行波，叫正向行波，而把運(yùn)動(dòng)方向與規(guī)定方向相反的行波叫反向行波。
假定有一電纜線路MN如圖2所示，規(guī)定距離坐標(biāo)X的方向從M端到N端，則線路上向著N端運(yùn)動(dòng)的波叫正向行波，而向著M端運(yùn)動(dòng)的波叫反向行波。
圖2 正向與反向行波
我們把電纜看作長線來分析，在長線上，沿長線各點(diǎn)的電壓、電流一般情況下都是隨時(shí)間變化的，是不相等的。而在短線上，各點(diǎn)的電壓、電流大小可以近似的認(rèn)為是相同的。
脈沖電磁波總有一定的寬度，若在一定的時(shí)間內(nèi)，發(fā)射脈沖和反射脈沖相互重疊，就無法區(qū)分開來，因此就無法形成長線傳輸，就不能測試距離，所以，根據(jù)脈沖反射原理研制的電纜故障閃絡(luò)測試儀（簡稱閃測儀），就有一定的測試盲區(qū)。
二、 電纜中的波速度與波阻抗
1. 波速度
行波從電纜一端傳到另一端需要一定的時(shí)間，電纜長度與傳播時(shí)間之比，稱為波速度V。
經(jīng)分析可知，電纜中行波的波速度可表示為：
其中：S=3×108米/秒，是光的傳播速度；
μ為電纜芯線周圍介質(zhì)的相對導(dǎo)磁系數(shù)；
ε為電纜芯線周圍介質(zhì)的相對介電系數(shù)。
可見，電纜中波速度只與電纜的絕緣介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，而與導(dǎo)體芯線的材料與截面積無關(guān)。對于由不同導(dǎo)體材料制成的電纜，只要絕緣介質(zhì)相同的，其波速度是不變的，這一點(diǎn)必須注意，因?yàn)椴簧偃讼氘?dāng)然地認(rèn)為電纜的波速度受芯線的材料與截面積影響。
經(jīng)過大量測量試驗(yàn)，得出得四種常用的高壓電纜的電磁波傳輸速度為：
油浸紙電纜： V=160m/微秒；
交聯(lián)聚乙烯電纜：V=172m/微秒；
聚氯乙稀電纜： V=184m/微秒；
不滴流油電纜： V=144m/微秒。
真空中，電波的傳輸速度為V=300m/微秒，為最高傳輸速度。
但必須注意，電纜的傳輸速度是隨電纜運(yùn)行時(shí)間的變化有一定的變化，特別是新型號(hào)的交聯(lián)電纜，因?yàn)榻^緣材料配方的差異，傳輸速度就會(huì)有所不同。對于低壓電力電纜，絕緣材料差異更大，所以速度就差別更大。一般橡膠絕緣的低壓電纜，傳輸速度為200 m/微秒左右；三芯交聯(lián)低壓電纜，傳輸速度140－150 m/微秒左右；單芯交聯(lián)低壓電纜，傳輸速度最小的可達(dá)100 m/微秒左右；兩根以上的地埋電線，傳輸速度一般為110 m/微秒左右（與當(dāng)?shù)赝寥烙嘘P(guān)）。總之，當(dāng)有條件知道電纜長度時(shí)，故障測試前最好先驗(yàn)證測試一下該電纜的傳輸速度，以便測試的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。
2. 波阻抗
電纜中的電壓波在向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，對分布電容不斷充電產(chǎn)生伴隨的向前運(yùn)動(dòng)的電流波，一對電壓、電流波之間的關(guān)系，用波阻抗（也稱特性阻抗）Z0來描述。
經(jīng)分析可知，電纜的波阻抗可表示為：
L0、C0除與電纜所用介質(zhì)材料、介電系數(shù)與導(dǎo)磁系數(shù)有關(guān)外，還與電纜芯線的截面積和芯線與外皮之間的距離有關(guān)。所以，不同規(guī)格和種類的電纜，其波阻抗也不同。電纜芯線截面積越大，波阻抗值越小。一般電力電纜的波阻抗值在10-40歐左右。
判斷電纜故障為高阻故障還是低阻故障，是以特性阻抗R0為分界線，故障電阻大于特性阻抗就為高阻故障，小于特性阻抗就為低阻故障。當(dāng)然，好電纜上各點(diǎn)的等效阻抗都與特性阻抗相等。
三、反射系數(shù)
電波在電纜中傳輸時(shí)，遇到阻抗不匹配的地方，就會(huì)發(fā)生反射，反射波形的幅度大小與正負(fù)，與反射系數(shù)P有關(guān)。所謂反射系數(shù)P，是指傳輸線中某一點(diǎn)的反射波電壓V反（或反射波電流I反）與入射波電壓V入（或入射波電流I入）之比，用公式表示為：
經(jīng)過推導(dǎo)后，得出反射系數(shù)的計(jì)算公式為
式中，RL為傳輸線故障點(diǎn)的阻抗；
R0為傳輸線的特性阻抗。
下面我們分三種情況進(jìn)行分析：
1、電纜終端開路情況
電纜終端開路，即負(fù)載電阻為無窮大，RL＝∞ ，代入公式計(jì)算，R0可以忽略不計(jì)，便有RL＝+1。
在這種情況下，脈沖發(fā)射波形就和脈沖反射波形同向，都為正向波形（我們的閃測儀發(fā)射脈沖定義為正向波形，波形參考說明書圖8.1）。
2、電纜終端短路情況
終端短路，即負(fù)載電阻為零，RL＝0 ，代入公式計(jì)算，便有RL＝－1。
在這種情況下，脈沖發(fā)射波形就和脈沖反射波形反向，一次反射波形為負(fù)向波形，二次反射波形又為正向波形，依此類推（波形參考說明書圖8.2）。
3、電纜有故障的情況
這種情況分為兩種情況：
（1）、當(dāng)RL> R0時(shí)，則反射系數(shù)0<P<1,所以，反射波與入射波同極性，并且反射波比入射波的幅度要小（波形參考說明書圖8.1）。
（2）、當(dāng)RL< R0時(shí)，則反射系數(shù)-1<P<0,所以，反射波與入射波極性相反，并且反射波比入射波的幅度要小（波形參考說明書圖8.2）。
需要說明的是：有關(guān)不同的反射系數(shù)的波形反射情況，是針對低壓脈沖法測試。對于高壓閃絡(luò)法測試時(shí)的波形反射情況，由于情況更加復(fù)雜，波形反射情況與低壓脈沖有很大不同，但原理相同，波形分析時(shí)要加以區(qū)別。
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