電纜敷設(shè)在地下、穿管、橋架或隧道中,一旦發(fā)生故障,肉眼無法看到故障點(diǎn)的具體位置。電纜故障定位儀*是用來把“故障在哪里”這件事從模糊變成*的一整套測試裝備。它既包括給出故障點(diǎn)距離端頭有多遠(yuǎn)的測距裝置,也包括確定電纜走向的路徑裝置,還包括鎖定具體開挖位置的定點(diǎn)裝置。理解它的工作原理,是電力運(yùn)維、搶修與試驗(yàn)人員正確選型與規(guī)范操作的前提。
電纜故障定位儀是用于查找電力電纜故障點(diǎn)位置、給出故障點(diǎn)到測試端距離并進(jìn)一步鎖定物理開挖點(diǎn)的一類專用測試儀器的統(tǒng)稱。嚴(yán)格說它不是單一儀表,而是由“測距、路徑、定點(diǎn)”三個(gè)環(huán)節(jié)組合而成的作業(yè)體系。測距回答“故障點(diǎn)離我有多遠(yuǎn)”,路徑回答“電纜埋在哪條線下面”,定點(diǎn)回答“我該在地面哪一處開挖”。
高壓與中壓電力電纜大量敷設(shè)于地下,故障具有隱蔽性強(qiáng)、查找難度大的特點(diǎn)。靠人工逐段開挖排查既費(fèi)時(shí)又破壞路面,且往往無法準(zhǔn)確定位。使用故障定位儀,可先由測距環(huán)節(jié)將范圍縮小到米級,再由定點(diǎn)環(huán)節(jié)把位置收斂到亞米級,從而大幅壓縮停電時(shí)長、降低搶修投入與社會影響。在配網(wǎng)搶修、用戶工程驗(yàn)收、電纜預(yù)防性試驗(yàn)與運(yùn)行狀態(tài)評估中,這類儀器都是必備裝備。
一套完整的定位作業(yè)通常包含:測距儀(閃測儀)、路徑儀、定點(diǎn)儀,以及用于制造故障擊穿的高壓沖擊單元、用于絕緣電阻與導(dǎo)通判斷的兆歐表或萬用表等輔助儀表。現(xiàn)代設(shè)備常把測距與高壓沖擊集成在一臺主機(jī)內(nèi),定點(diǎn)與路徑則常做成獨(dú)立的手持接收單元。
在動手測試之前,必須先判斷故障屬于哪種性質(zhì),因?yàn)椴煌墓收想娮枧c擊穿特性對應(yīng)不同的測量原理。選錯(cuò)方法,要么測不出反射,要么定位偏差巨大。
低阻故障是指故障點(diǎn)電阻遠(yuǎn)低于電纜特性阻抗的情形,例如導(dǎo)線直接接地、相間短接,這類故障在測試端能看到明顯的反射臺階。高阻故障是指故障點(diǎn)呈現(xiàn)較高電阻,如絕緣受潮、局部放電碳化通道,低壓脈沖難以激發(fā)明顯反射,需要借助高壓沖擊使其瞬時(shí)擊穿才能測得行波。開路故障是導(dǎo)體斷線或接觸不良,回波表現(xiàn)為末端開路特征。閃絡(luò)故障是平時(shí)為高阻、在高壓下瞬時(shí)擊穿又恢復(fù),多見于陳舊絕緣缺陷。短路故障通常指相間或?qū)ζ帘蔚牡妥柚蓖ā?/p>
常見有單相接地、兩相短路、兩相接地、三相故障與斷線故障。單相接地在配網(wǎng)電纜中較為常見,兩相與三相故障多在嚴(yán)重外傷或爆炸事故后出現(xiàn)。不同相別會影響測試接線方式,例如低壓脈沖法需要把測試線接到故障相與完好相或金屬護(hù)層之間。
現(xiàn)場先用兆歐表測量各相之間、各相對金屬護(hù)層的絕緣電阻,結(jié)合導(dǎo)通試驗(yàn)區(qū)分開路與低阻。若絕緣電阻很低(例如低于數(shù)歐姆量級),多為低阻或短路;若絕緣電阻較高但仍超標(biāo),多為高阻或閃絡(luò)。這一步判斷直接決定后續(xù)用低壓脈沖法還是沖閃法。
工程上常以電纜特性阻抗的若干倍作為低阻與高阻的分界參考。當(dāng)故障電阻遠(yuǎn)低于特性阻抗、僅為數(shù)歐姆到數(shù)十歐姆時(shí),歸入低阻;當(dāng)故障電阻接近或超過特性阻抗時(shí),歸入高阻;當(dāng)導(dǎo)體完全斷開、兆歐表顯示無窮大且導(dǎo)通試驗(yàn)失敗時(shí),則歸為開路。閃絡(luò)故障在常態(tài)下絕緣電阻可能很高,只在電壓升高到一定水平才瞬時(shí)擊穿,需借助沖擊手段使其暴露。明確這一分界,是避免方法選錯(cuò)的關(guān)鍵。
測距是粗定位,目標(biāo)是算出故障點(diǎn)到測試端的距離。主流方法包括低壓脈沖法、脈沖電流法、二次脈沖法與電橋法,它們都建立在“電波在電纜中傳播、遇到阻抗突變會反射”這一物理基礎(chǔ)上。
測距方法的共同物理基礎(chǔ),是電磁波在電纜導(dǎo)體中沿行波方式傳播,并在阻抗突變處發(fā)生反射。電纜每單位長度的電感與電容決定了它的特性阻抗與波速。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的波速通常在每秒一百幾十米每微秒的量級,油紙絕緣電纜略低;若把波速設(shè)錯(cuò),測距結(jié)果會成比例偏移。反射的強(qiáng)弱由反射系數(shù)決定,它取決于故障點(diǎn)阻抗與電纜特性阻抗的比值:開路與短路分別表現(xiàn)為全反射的正負(fù)極性,低阻故障產(chǎn)生明顯臺階,而高阻故障反射微弱。因此,先用絕緣電阻測試區(qū)分故障阻抗,再據(jù)此選擇能激發(fā)明顯反射的方法,是測距可靠的前提。
低壓脈沖法又稱時(shí)域反射法,儀器向電纜注入一個(gè)寬度很窄、幅值較低的電壓脈沖。脈沖沿電纜傳播,當(dāng)遇到開路、短路或低阻故障這類阻抗突變點(diǎn)時(shí),會產(chǎn)生一個(gè)反射脈沖返回測試端。儀器記錄發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的時(shí)間差,再乘以電纜中的波速并除以二,*得到故障距離。其數(shù)學(xué)關(guān)系為:故障距離等于波速乘以往返時(shí)間再除以二。該方法對低阻、開路、短路故障響應(yīng)清晰,操作簡便,是現(xiàn)場普遍采用的初步測距手段。但它對高阻與閃絡(luò)故障不敏感,因?yàn)楦咦椟c(diǎn)不會形成足夠的反射臺階。
對于高阻與閃絡(luò)故障,先用高壓沖擊單元對故障電纜施加能量較高的沖擊電壓,迫使故障點(diǎn)在瞬間擊穿,產(chǎn)生一個(gè)向兩端傳播的行波電流。儀器通過耦合線圈或線性電流耦合器采集該電流行波,記錄故障點(diǎn)反射與端頭反射之間的時(shí)間差來推算距離。由于不需要故障點(diǎn)事先變成低阻,脈沖電流法能夠有效覆蓋高阻與閃絡(luò)類故障,是高壓電纜故障測距的主力方法之一。高壓沖擊的能量、波形與觸發(fā)同步直接影響能否成功擊穿與能否穩(wěn)定讀數(shù)。
二次脈沖法在高阻故障測距中進(jìn)一步降低了誤判。其思路是:先用低壓脈沖法測得一條反映電纜全長與中間接頭的“模板”波形;再用高壓沖擊使故障點(diǎn)瞬時(shí)擊穿,在擊穿瞬間疊加一個(gè)低壓測試脈沖,記錄下故障點(diǎn)呈低阻特征的波形;把兩條波形做差分比對,差異明顯處即為故障點(diǎn)位置。這種方法把高阻故障在測量窗口內(nèi)“變成”低阻特征,顯著提升了高阻故障的測距可靠性,也減少了對操作人員經(jīng)驗(yàn)的要求。
需要補(bǔ)充的是測距盲區(qū)的概念。低壓脈沖法受脈沖寬度與采樣間隔限制,距測試端很近的故障可能因發(fā)射脈沖與反射脈沖重疊而無法分辨,這一不可測區(qū)間稱為近端盲區(qū);同理,故障點(diǎn)距測試端過遠(yuǎn)或電纜過長時(shí),多次反射疊加也會降低判讀清晰度。高采樣率有助于壓縮盲區(qū)、提高分辨率,這也是測距主機(jī)采樣率成為關(guān)鍵指標(biāo)的原因。
電橋法基于故障點(diǎn)兩側(cè)電纜芯線電阻的比例關(guān)系。通過把故障相與完好相在遠(yuǎn)端短接,構(gòu)成電橋的兩個(gè)橋臂,根據(jù)電橋平衡時(shí)的電阻比例推算故障距離。該方法原理經(jīng)典,對低阻與短路故障有實(shí)用價(jià)值,且不需要高壓沖擊,但在高阻、閃絡(luò)及三相同時(shí)故障等情形下受限,現(xiàn)已多作為輔助手段。
低壓脈沖法適合低阻、開路、短路,響應(yīng)快、無需高壓;脈沖電流法適合高阻、閃絡(luò),需高壓沖擊;二次脈沖法適合高阻,可靠性較高;電橋法適合低阻且具備完好對照相的場合。現(xiàn)場常把低壓脈沖與沖閃組合使用,先用低壓脈沖排除低阻與開路,再用沖閃處理高阻與閃絡(luò)。
測距給出的距離是從測試端算起的沿纜長度,由于電纜在地下會有彎曲、余量與盤圈,這個(gè)長度并不等于地面直線距離。定點(diǎn)環(huán)節(jié)的任務(wù),是在測距給出的段落內(nèi),把故障點(diǎn)的真實(shí)地面位置鎖定到可開挖的精度。
聲磁同步法是目前應(yīng)用普遍的*定點(diǎn)方法。其過程是:用高壓沖擊單元周期性地?fù)舸┕收宵c(diǎn),故障點(diǎn)放電瞬間會同時(shí)產(chǎn)生兩種信號,一種是故障點(diǎn)周圍介質(zhì)因放電而振動發(fā)出的聲波,另一種是伴隨放電產(chǎn)生的電磁輻射(磁場脈沖)。操作人員手持接收機(jī)在測距給出的區(qū)段上方沿電纜走向移動,接收機(jī)同時(shí)記錄磁場到達(dá)時(shí)刻與聲波到達(dá)時(shí)刻。由于電磁波傳播速度接近光速,而聲波在土壤中傳播速度很慢,二者到達(dá)的時(shí)間差在故障點(diǎn)正上方時(shí)最小,由此可判斷故障點(diǎn)的地面投影。該方法抗干擾能力強(qiáng),尤其在車流、風(fēng)聲等背景噪聲環(huán)境下,依靠聲磁時(shí)間差而非單純聽聲,能夠穩(wěn)定定位。
從工程實(shí)現(xiàn)看,接收機(jī)通常配備壓電式加速度傳感器拾取聲波、磁天線拾取電磁脈沖,二者經(jīng)同一時(shí)鐘計(jì)時(shí)。聲波在土壤與路面中的傳播速度僅為每秒一百到數(shù)百米,而電磁波近乎光速,因此即便傳感器與故障點(diǎn)存在水平偏移,只要沿走向逐點(diǎn)移動,聲磁到達(dá)時(shí)間差最小的測點(diǎn)*對應(yīng)故障點(diǎn)正上方。數(shù)字信號處理可進(jìn)一步抑制風(fēng)聲、車流等穩(wěn)態(tài)噪聲,突出放電脈沖,從而在復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定判讀。
當(dāng)故障表現(xiàn)為金屬護(hù)層接地、外皮破損或交叉互聯(lián)系統(tǒng)缺陷時(shí),故障點(diǎn)周圍地面會形成電位梯度。跨步電壓法使用兩根接地探針,沿電纜走向在地面按固定步距放置,測量兩點(diǎn)之間的電位差。電位差出現(xiàn)峰值的區(qū)域即為故障點(diǎn)附近。該方法對護(hù)層故障、外皮漏電尤為有效,是聲磁同步法的重要補(bǔ)充。
在定點(diǎn)前或路徑不清時(shí),可用電磁感應(yīng)方式確認(rèn)電纜走向與埋深,為定點(diǎn)移動路徑提供引導(dǎo)。它不負(fù)責(zé)給出故障距離,而是保證操作人員始終沿正確的電纜走廊搜索,避免偏離走向?qū)е侣┡小?/p>
對于走向不明、竣工資料缺失或多次改動的電纜,必須先做路徑探測,否則定點(diǎn)會在錯(cuò)誤的走廊上搜索。路徑儀由信號發(fā)生端與接收端組成:信號發(fā)生端向目標(biāo)電纜注入特定頻率的電流信號,電纜周圍據(jù)此產(chǎn)生交變磁場;接收端用線圈感應(yīng)磁場強(qiáng)度與方向,沿磁場峰值且方向突變的軸線即可描繪出電纜走向,并可通過不同高度的信號差估算埋深。路徑探測常在測距之后、定點(diǎn)之前進(jìn)行,確保后續(xù)定點(diǎn)在正確的地面走廊上開展。
電纜故障定位儀的生產(chǎn)與檢驗(yàn)、電纜線路的施工與驗(yàn)收均有明確的*與行業(yè)依據(jù),選型與出具數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)予遵循。
DL/T 849 多項(xiàng)分冊對這類專用測試儀器作出規(guī)范。其中 DL/T 849.1-2019《電力設(shè)備專用測試儀器通用技術(shù)條件 *部分:電纜故障閃測儀》針對測距與閃測設(shè)備,DL/T 849.2-2019《第2部分:電纜故障定點(diǎn)儀》針對*定點(diǎn)設(shè)備,DL/T 849.3-2019《第3部分:電纜路徑儀》針對路徑探測設(shè)備。這三項(xiàng)均為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),于 2020 年 5 月 1 日實(shí)施,替代了早期 2004 年版的相關(guān)分冊。設(shè)備出廠檢驗(yàn)、現(xiàn)場周期檢定與驗(yàn)收引用,通常以上述分冊為依據(jù)。
GB 50168-2018《電氣裝置安裝工程 電纜線路施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》為現(xiàn)行*標(biāo)準(zhǔn),自 2019 年 5 月 1 日起實(shí)施,替代 GB 50168-2006。它對電纜埋設(shè)深度、標(biāo)識、敷設(shè)與驗(yàn)收作出規(guī)定,是電纜工程質(zhì)量的底線依據(jù)。故障定位后的開挖修復(fù),也應(yīng)滿足該標(biāo)準(zhǔn)對回填、標(biāo)識與恢復(fù)的要求。
用于驗(yàn)收或爭議處置的數(shù)據(jù),應(yīng)注明所用儀器型號、檢定或校準(zhǔn)狀態(tài)、測量方法與對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)號;超過檢定有效期的儀器不應(yīng)出具驗(yàn)收數(shù)據(jù);進(jìn)口或授權(quán)設(shè)備應(yīng)能提供合規(guī)的來源證明。
把測距、路徑、定點(diǎn)串成一條作業(yè)線,既能提高命中率,也能減少無效開挖。
用兆歐表與導(dǎo)通試驗(yàn)判斷故障是低阻、高阻、開路還是閃絡(luò),并明確故障相別。這一步?jīng)Q定后續(xù)方法組合,是整個(gè)流程的基礎(chǔ)。
依據(jù)故障性質(zhì)選擇低壓脈沖法或沖閃/二次脈沖法,得到故障點(diǎn)到測試端的距離。若電纜全長、接頭位置與波速已知,應(yīng)據(jù)此校正波速參數(shù),因?yàn)椴ㄋ僭O(shè)置偏差會直接轉(zhuǎn)化為測距誤差。
對走向不明或資料缺失的區(qū)段,先用路徑儀描繪電纜走廊與埋深,為定點(diǎn)劃定搜索線。
在測距給出的區(qū)段上方,用聲磁同步法或跨步電壓法逐點(diǎn)搜索,找到聲磁時(shí)間差最小或跨步電壓峰值處,標(biāo)定為開挖點(diǎn)。
開挖后應(yīng)核實(shí)故障點(diǎn)是否與標(biāo)定位置一致,修復(fù)后做絕緣恢復(fù)與試驗(yàn),確認(rèn)恢復(fù)正常再回填。整個(gè)流程應(yīng)留痕記錄,便于復(fù)盤與質(zhì)保。
選型的核心邏輯是“故障性質(zhì)決定方法,方法決定設(shè)備配置”。低阻與開路為主時(shí),具備低壓脈沖法的測距設(shè)備即可完成大部分工作;高阻與閃絡(luò)占比高時(shí),必須配備高壓沖擊與脈沖電流或二次脈沖能力;對定位精度要求高、環(huán)境噪聲復(fù)雜的現(xiàn)場,*定點(diǎn)設(shè)備的性能尤為關(guān)鍵。
以北京康高特(KGT)自研的關(guān)羽高能量電纜故障定位儀為例,其具備 1800J 沖擊能量、400MHz 采樣率,可覆蓋 380V 至 220kV 全電壓等級的電纜,支持測距與高能量沖擊的一體化作業(yè),對短路、接地、斷路、閃絡(luò)、泄漏等常見故障類型均有對應(yīng)測試能力,并具備自動測試模式,能夠降低對操作人員經(jīng)驗(yàn)的依賴。
北京康高特(KGT)自研的云長高精度電纜故障測距儀,以時(shí)域反射原理實(shí)現(xiàn)測距,適合低阻、開路、短路類故障的快速粗定位,可作為低壓脈沖法測距的專用裝備。
北京康高特(KGT)自研的赤兔高能量電纜故障定位儀,側(cè)重高能量沖擊與快速定位能力,適合需要較大沖擊能量才能擊穿的高阻與閃絡(luò)故障場景,與測距主機(jī)配合使用可覆蓋更復(fù)雜的故障類型。
北京康高特(KGT)自研的偃月聲磁同步法電纜故障精定點(diǎn)儀,采用聲磁同步原理,定點(diǎn)精度可達(dá) 0.1m,聲道覆蓋 80Hz 至 1500Hz,增益不低于 80dB,配合數(shù)字信號處理降噪,能夠在復(fù)雜背景噪聲下穩(wěn)定鎖定故障點(diǎn),續(xù)航大于 9 小時(shí),適合長時(shí)間野外定點(diǎn)作業(yè)。該設(shè)備與前述測距、沖擊裝備形成“粗定位加精定點(diǎn)”的完整組合。
從故障類型到設(shè)備能力的對應(yīng)可歸納為:低阻、開路、短路優(yōu)先采用低壓脈沖法測距,配置具備時(shí)域反射能力的測距儀即可;高阻、閃絡(luò)必須配置高壓沖擊與脈沖電流或二次脈沖能力;護(hù)層與外皮故障的定點(diǎn)應(yīng)選擇跨步電壓法;環(huán)境噪聲復(fù)雜、對開挖精度要求高的現(xiàn)場,應(yīng)配置聲磁同步且具備數(shù)字降噪的*定點(diǎn)儀。把測距主機(jī)、路徑儀與定點(diǎn)儀按上述能力配齊,才能覆蓋從粗定位到精定位的完整流程。
未做絕緣電阻與導(dǎo)通判斷*直接沖閃,可能既測不準(zhǔn)又損傷設(shè)備。應(yīng)先診斷,再選方法。
測距距離等于波速乘以時(shí)間除以二,波速設(shè)置與電纜實(shí)際結(jié)構(gòu)不符會系統(tǒng)性偏移結(jié)果。應(yīng)依據(jù)電纜型號、介質(zhì)與截面校正波速,必要時(shí)用已知全長反算。
高阻故障未被有效擊穿,行波無法穩(wěn)定產(chǎn)生,測距反復(fù)失敗。此時(shí)需選用更高沖擊能量的主機(jī)或延長充電時(shí)間。
單純靠聽覺判斷放電聲,在車流、風(fēng)聲、施工聲中容易誤判。應(yīng)依賴聲磁時(shí)間差或跨步電壓峰值,而非僅憑聲音大小。
在走向不明區(qū)段直接定點(diǎn),搜索線偏離真實(shí)走廊,必定漏判。應(yīng)先路徑、后定點(diǎn)。
電纜中間接頭、終端與盤圈會改變沿纜長度與地面投影的對應(yīng)關(guān)系,測距距離需結(jié)合竣工資料折算到地面位置,不能把沿纜距離直接當(dāng)成開挖距離。
故障點(diǎn)若經(jīng)高接地電阻入地,沖閃能量被分流,放電聲與行波都偏弱,需提高沖擊能量或改善接地。
一條電纜若存在多處缺陷,行波會出現(xiàn)多個(gè)反射,易把次要反射當(dāng)成主故障點(diǎn),應(yīng)結(jié)合全長與接頭資料甄別。
不同絕緣類型波速不同,同一條線路若包含多段不同介質(zhì)電纜,應(yīng)按分段波速分別折算,不能套用單一數(shù)值。
測試線若接到錯(cuò)誤相別或護(hù)層,會得到與真實(shí)故障不符的波形,應(yīng)在接線前核對相序與接地。規(guī)范接線與結(jié)果復(fù)核,是避免無效測量的基礎(chǔ)。
問:測距已經(jīng)顯示距離,為什么開挖還是挖不到?
答:測距給出的是沿電纜長度的粗略距離,地下電纜存在彎曲、余量與盤圈,地面投影與之不同;且波速偏差、接頭影響都會帶來誤差。正確做法是測距之后再做定點(diǎn)*定位,并在開挖時(shí)結(jié)合路徑與接頭資料綜合判斷,而不是只憑測距距離直接開挖。
問:為什么低壓脈沖法測不出高阻故障?
答:高阻故障點(diǎn)阻抗與電纜特性阻抗接近,低壓脈沖反射很弱甚至不可見;必須借助高壓沖擊使故障點(diǎn)瞬時(shí)擊穿,再用脈沖電流法或二次脈沖法采集行波。這也是現(xiàn)場常把低壓脈沖與沖閃組合使用的原因。
問:電纜故障定位儀需要定期校準(zhǔn)嗎?
答:需要。用于驗(yàn)收或爭議處置的數(shù)據(jù),應(yīng)來自在檢定或校準(zhǔn)有效期內(nèi)的設(shè)備;儀器應(yīng)按 DL/T 849 相關(guān)分冊的要求開展周期檢驗(yàn),經(jīng)歷大修、強(qiáng)沖擊或長期停用后復(fù)用,也應(yīng)提前送檢。
問:埋地電纜走向不清楚怎么辦?
答:先用路徑儀向電纜注入信號,沿磁場峰值軸線描繪走向并估算埋深,再在正確走廊上開展定點(diǎn)。竣工資料缺失或多次改動的電纜,路徑探測是必做的前置步驟。
問:護(hù)套接地故障適合用哪種定點(diǎn)方法?
答:護(hù)層接地、外皮破損類故障,跨步電壓法更為對癥,它利用故障點(diǎn)周圍地面的電位梯度峰值定位;聲磁同步法對主絕緣擊穿類故障更有效。兩類方法互為補(bǔ)充。
電纜故障定位儀的本質(zhì),是把看不見、摸不著的地下故障,通過“測距給出距離、路徑給出走廊、定點(diǎn)給出開挖點(diǎn)”三個(gè)環(huán)節(jié),逐步收斂到可作業(yè)的位置。掌握故障分類、理解低壓脈沖法、脈沖電流法、二次脈沖法與電橋法的測距原理,以及聲磁同步法、跨步電壓法的定點(diǎn)原理,是正確選型與規(guī)范操作的基礎(chǔ)。結(jié)合 DL/T 849 多項(xiàng)分冊與 GB 50168-2018 等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),按“診斷、測距、路徑、定點(diǎn)、驗(yàn)證”的流程作業(yè),既能提高定位命中率,也能讓每一次搶修數(shù)據(jù)經(jīng)得起復(fù)核。