脉冲电流法-电力电缆故障测试仪

第四章脉冲电流法§4-1 脉冲电流法与线性电流耦合器电缆的高阻与闪络性故障由于故障点电阻较大（大于10倍的电缆波阻抗），低压脉冲在故障点没有明显的反射（反射脉冲幅度小于5%），故不能用低压脉冲反射法测距。

脉冲电流法是将电缆故障点用高电压击穿，使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一趟的时间来计算故障距离。

脉冲电流法采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号。

图4.1 线性电流耦合器应用示意图图4.1是冲击高压闪络测试的接线示意图，线性电流耦合器L放置在储能电容C接电缆外皮的接地引线旁。

L实际上是一个空心线圈，与地线中电流产生的磁场相匝链。

设时间t2与t1时电流分别为i2与i1,t1小于t2但接近t2,根据电磁感应定律求出线圈的输出电压：V＝K(i2－i1)/(t2－t1)＝KΔi/Δt (4.1) 其中参数K是一取决于线圈匝数、形状及与地线相对位置的常数，电流变化量:47Δi＝i2－i1，时间变化量:Δt＝t2－t1。

式（4.1）说明，线性电流耦合器的输出电压与地线电流的变化率成正比，而不是与地线中电流本身成正比。

(a)(b)图4.2 a.地线中的电流b. 线性电流耦合器的输出图4.2给出了地线中的电流与对应的线性电流耦合器的输出，可以看出线性电流耦合器在地线中电流开始上升时，输出是一个尖脉冲，而在地线中电流趋于平稳后，输出为零。

因此，在故障点击穿产生的电流行波到达后，线性电流耦合器输出一脉冲信号，可以从线性电流耦合器有无脉冲信号输出，判断测量点是否有电流行波出现。

与脉冲电压法使用电阻、电容分压器进行电压取样48不同，脉冲电流法使用的线性电流耦合器平行地放置在低压侧地线旁，与高压回路无直接的电气连接，对记录仪器与操作人员来说，特别安全、方便。

脉冲电流分直流高压闪络与冲击高压闪络两种测试方法，下面将分别予以介绍。

§4-2 直流高压闪络测试法1. 应用范围直流高压闪络测试法（简称直闪法）用于测量闪络击穿性故障，即故障点电阻极高，在用高压试验设备把电压升到一定值时就产生闪络击穿的故障。

据统计，能用直闪法测量的电缆故障，约占电缆故障总数的20%，在预防性试验中出现的电缆故障多属于该类故障。

直闪法获得的波形简单、容易理解。

而一些故障点在几次闪络放电之后，往往造成故障点电阻下降，以致不能再用直闪法测试，故实际工作中应珍惜能够进行直闪测试的机会。

2. 接线直闪法接线如图4.3所示，T1为调压器、T2为高压试验变压器，容量在0.5～1.0千伏安之间，输出电压在30～60千伏之间；C为储能电容器；L为线性电流耦合器。

线性电流耦合器L的输出经屏蔽电缆接测距仪器的输入端子。

注意：一般线性电流耦合器L的正面标有放置方向，应将电流耦合器按标示的方向放置，否则，输出的波形极性会不正确。

4950图4.3 直闪法测试接线 储能电容C 对高频行波信号呈短路状态，在故障点击穿产生的电压、电流行波到达后，起产生电流信号的作用，可选用脉冲电容器，也可使用6千伏（直流高压在30千伏以下时）或10千伏（直流高压在30～50千伏之间时）电力电容器，电容容量宜选在1～4微法。

实际测试中，应尽可能使电容容量大一些，这有助于使故障点充分放电，获得的脉冲电流波形规范，容易识别。

在实际测试中，往往出现因接线或线性电流耦合器L 放置不当而造成的波形不规范，不容易识别故障点距离。

应严格按图4.3接线，把高压发生器接地线与电容器低压侧出线连接在一起后接电缆的外皮。

图4.4是一种不正确的接线方法，操作人员往往图方便，把电容低压侧出线接在接地网上，通过接地网与电缆外皮相接。

行波经过接地网传播，可能因传输距离较长，造成脉冲电流波形不规范。

应尽量缩短电容与电缆之间的连线，以避免因导引线过长造成波形失真。

线性电流耦合器L 应放在电容器低压侧出线上。

为安全起见，高压设备、电容器的外壳、电缆的完好线芯一定要就近接电站的接地网。

51图4.4 不正确的接地图4.3是相对地故障的接线，对于相对相故障来说，可把其中一个故障芯线与地接在一起后进行测试。

其故障点击穿产生的电流波过程与相对地类似，故不再单独叙述。

3. 故障点击穿与否的判断逐渐升高加在电缆上的直流电压，当电压超过故障间隙击穿电压时，故障点击穿放电。

故障点击穿，除了测量仪器被触发显示出波形外，还可通过以下现象判断：(1) 电压突然下降（电压表指针向刻度零点摆动）；(2) 直流泄漏电流突然增大（微安表指针突然向上摆动）；(3) 过电流继电器动作；(4) 与试验设备相接的地线处出现“回火”，听到“啪，啪”的响声。

4. 直闪脉冲电流波形设时间t ＝0时，电缆故障点在外加电压-E 作用下击穿，形成短路电弧，从而使故障点电压突跳为零。

此时，在故障点处产生一个与-E 相反的正突跳电压E 0以及相应的电流i 0＝-E/Z 0（规定电流从测量点流向电缆为正，因52 突跳电压E 产生的电流是从故障点流向测量点的，故为负，Z 0为电缆波阻抗）向电缆两端传送，见图4.5。

在时间t ＝τ时，电流波i 0到达测量端，而电容对高频行波信号呈短路状态，根据2.4节介绍，电流在测量端被全部地反射回故障点；而在故障点由于电弧短路又被完全反射回来；在t ＝3τ的时刻到达测量点，产生第二次反射；这样来回反射，直到整个瞬态过程结束。

图4.5 直流闪络电流行波网格图 测量点的电流是所有电流波的和，把图4.5时间轴上的电流波逐点相加，可得到如图4.6.a 所示的电流，电流的初始值为2i 0，即电流入射波i 0到达测量点后，产生了电流加倍现象，而线性电流耦合器的输出则只反映电流的突变成分，如图4.6.b 所示。

(a) 测量点电流（b）线性电流耦合器的输出图4.6 直闪法电流波形由图4.6.b可见，t1＝τ与t2＝3τ时分别出现两个负脉冲，第一个负脉冲是故障点放电脉冲到达测量点引起的，可简单地叫做故障点放电脉冲；第二个负脉冲是故障点反射脉冲引起的，叫做故障点反射脉冲。

它们之间的距离对应电流脉冲从测量端运动到故障点又返回的时间差Δt＝t2－t1＝2τ，计算出故障距离为：Lx＝V·Δt/2其中V为行波在电缆中的传播速度。

5.典型直闪波形上面的分析是在理想条件下进行的，与实际的直闪脉冲电流波形（如图4.7所示）相比有所不同，实际的波形有以下特点：53(1) 电缆中的电流随着时间的增加逐渐趋近于0，这是由于故障点击穿后电缆与电容中储存的能量消耗完毕的缘故。

(2) 由于电流波在电缆中存在传播损耗，电流波形以及线性电流耦合器的输出，随着时间的增长变化愈来愈平滑，幅值亦愈来愈小。

(3) 由于电容C不能看成绝对短路，在电流行波到达后，电容C逐渐地充电，电流也逐渐下降。

所以，我们观察到的应是类似锯齿的波头（图4.7.a），而不是图4.6.a 中那样的直角方波。

(4) 如图4.7.b中所示，故障点反射脉冲有一小的正脉冲出现。

这是电容器本身及测试导线存在的杂散电感Ls的影响。

Ls一般尽管只有几个微亨，但对高频行波信号而言，它的影响却不容忽略。

图4.8.a为测量端等效电路，C为电容器电容，对高频行波来说，可认为C是短路的。

来自故障点的电流行波可认为是负极性直角波，参照2.4节所述，电感Ls引起的反射如图4.8.b中所示。

开始电感上电流不能突变，相当于开路，电流行波反射系数为-1，出现负反射，波形向正方向变化；随着时间增加，电感上电流进入稳态，电感相当于短路，电流行波反射系数为+1，出现正反射，波形再向负方向变化，故在波形上出现一小的正脉冲。

5455(a)(b) 图4.7 实际的电流行波与线性电流耦合器的输出(a)56(b)图4.8 杂散电感等效电路图及对电流直角波的反射 正脉冲的宽度及大小取决于杂散电感Ls 与电缆波阻抗Z 0，参照第二章中§2-4节的叙述，可用一公式表达为： t 0＝(Ls/Z 0) n2≈Ls/2Z 0 (4.2) t 0一般在0.1us 左右。

6. 杂散电感影响的补偿方便起见，一般把第二个脉冲开始下降的时刻认为是故障点反射波到来的时间，显然会引起误差。

误差一般在10米范围内。

实际测试中可用以下方法克服：(1) 从反射波的正脉冲起始处，而不是脉冲下降的时刻计算故障点距离。

(2) 仍以反射脉冲下降的时间计算故障点距离，在对误差有一定了解的前提下，从结果中减去一固定值。

特别是当故障点距离较远时，故障点反射波到达测量点时，因传播衰减的影响，正脉冲已变得不明显（图4.9），只能以脉冲下降处时间计算故障点距离。

图4.9 远距离故障直闪脉冲电流波形 (3) 在采用自动计算方法的仪器中，由仪器自动补偿。

57 (4) 测试中，应尽量使用内部电感小的电容器，如脉冲电容器，并尽量缩短电容器与电缆的连线（包括接地线）。

每次测试时，都使用固定的电容器与导引线，这样将有助于掌握误差的大小，以准确地计算实际故障点距离。

7. 近距离故障波形(a)(b) 图4.10 近距离故障直闪脉冲电流波形图4.10给出了两个近距离故障的直闪脉冲电流波形。

图4.10.a 是一个故障距离为20米的波形，故障点反射波很快回到测量端，迭加到前一个脉冲上去，相邻脉冲靠得很近，且幅值较小。

图4.10.b 是电缆头上故障的波形，故障击穿时，在电缆头上形成短路电弧，电容本身及测试导引线的杂散电感构成放电回路，产生振荡电流，经线性电流耦合器变换后，形成如图所示的衰减的余弦振荡波形。

§4-3 冲击高压闪络测试法1. 应用范围在故障点电阻不很高时，因直流泄漏电流较大，电压几乎全降到了高压试验设备的内阻上去了，电缆上电压很小，故障点形不成闪络，必须使用冲击高压闪络测试法，简称冲闪法。

冲闪法亦适用于测试大部分闪络性故障，当然，由于直闪法波形相对简单，容易获得较准确的结果，应尽量使用直闪法测试。

2. 接线冲闪法接法如图4.11所示，它与直闪法接线（图4.3）基本相同，不同的是在储能电容C与电缆之间串入一球形间隙G。

首先，通过调节调压升压器对电容C充电，当电容C上电压足够高时，球形间隙G击穿，电容C对电缆放电，这一过程相当于把直流电源电压突然加到电缆上去。

图4.11 冲闪法测试接线冲闪法接线注意事项与直闪法基本相同。

3. 故障点击穿与否的判断冲闪法的一个关键是判断故障点是否击穿放电。

一些经验不足的测试人员往往认为，只要球间隙放电了，故障点就击穿了，显然这种想法是不正确的。

球间隙击穿与否与间隙距离及所加电压幅值有关，距离越大，间隙击穿所需电压越高，通过球间隙加到电58缆上的电压越高。

而电缆故障点能否击穿取决于故障点电压是否超过临界击穿电压，如果球间隙较小，电缆上得到的冲击高压小于故障点击穿电压，显然，就不会出现击穿。