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【摘 要】论文分析了传统配网电力电缆故障探测方法的不足和缺点，提出利用高频感应法及红外热象技术两种新方法来进行故障探测。高频感应法较之音频感应法有许多优点，而红外热象技术的先进性使其有很大发展潜力，是值得采用的电缆故障探测新方法。
【关键词】高频感应；电力电缆；故障探测
To the method which go together with net electric power electric cable to break down to probe into analysis and study
Xu Li-cheng
(The ability limited company of the electric power engineering of the Fo strength in the mountain City Foshan Guangdong 528000)
【Abstract】Thesis analysis the tradition go together with net electric power electric cable break down to probe into a method of shortage and weakness, put forward exploitation Gao Pin2 to respond a method and red outside the hot elephant technique be two kinds of new method to carry on break down to probe into.Gao Pin2 respond the audio frequency that the method compare to respond a method to contain many advantage, but red outside hot elephant technique of the forerunner make it have very big development potential, is an electric cable worthy of adopt break down to probe into new method.
【Key words】Gao Pin respond;Electric power electric cable;Break down to probe into
1. 引言
随着经济的快速发展，城市用电量剧增，而与此同时城市内线路走廊用地越来越少，征地所需费用也越来越昂贵。同架空线相比，电力电缆具有供电可靠性高，不受地面、空间建筑物的影响，不受恶劣气候侵害，安全、隐蔽、耐用。因此，电力电缆在城区配网中所占比例越来越大，一些西方发达国家已经实现了配网电缆化。然而由于电缆敷设在电缆沟或直接埋于地下，长期同土壤、水分、潮气接触，绝缘易受到腐蚀渗透，再加上电缆制造或安装时的局部缺陷，都可能造成故障。如果故障得不到及时排除，将会造成严重的经济损失和社会影响，因此如何快速准确地探测到电缆故障点，多年来一直是国内外有关工程技术人员所研究的热点。
测寻直埋电缆故障时，若无线路图或线路图不准确及标注不清，首先就需要探测电缆的敷设路径，重新建立图纸资料，特别是在故障电缆定点之前，对于敷设在电缆隧道或电缆沟中的多条电缆，有时也需将其中的故障电缆与其余电缆区别出来，传统的方法一般是采用音频感应法来探测。然后就是精测定点，对于高阻故障一般采用声测法或声磁同步法；而对于低阻故障则主要采用音频感应法。因此若能使定点过程更准确，就可以避免一些盲目的工作，从而提高电缆故障探测的效率。
考虑到电力电缆故障的复杂性，仅从某一方面或期待于依赖某一种“万能”方法都是不现实的，而应该是从各个可能的方面入手，尽量减少探测过程中的不确定因素，将各种新的科技成果应用到实践中去。本文对传统方法加以创新，探讨了利用高频感应法及红外诊断新技术来探测电缆故障的方法。
2. 电力电缆故障探测步骤
电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤：
2.1 电缆故障性质诊断，即确定故障的类型与严重程度，以便于测试人员选择适当的电缆故障测距与定点方法，如确定是开路、低阻、高阻，还是闪络性故障，从而相应采用目前流行的低压脉冲反射法、直流闪络法及冲击闪络法。
2.2 电缆故障测距，又叫粗测，即在电缆的一端使用仪器确定故障的大致距离。
2.3 电缆故障定点，又叫精测，探测时用lkHz～15kHz音频信号发生器向被测电缆中通入音频信号电流，从而产生相应的电磁波，然后在地面上用探头沿待测电缆路径接收音频信号，并将接收的音频信号送入接收机进行放大并送入耳机。根据耳机中响声的变化可探测故障点的位置，在故障点，耳机中音频信号声响最强。当探头从故障点前移1m～ 2m时，音频信号声响即降低，则音频信号声响最强处即为故障点。但同时音频感应法仍存在许多问题，如抗干扰能力不强，过分依赖人耳的听力，不能在线探测。若能在此基础上加以改进无疑具有很现实的意义。
3. 基于高频感应法的电缆故障定点方法
高频感应法就是利用高频信号发生器向待测电缆通高频电流，发出高频电磁波，然后在地面上用探头沿待测电缆路径接收电缆周围高频电磁场变化的信号，经接收处理后直接在液晶屏幕上显示出来，根据显示出数值的大小直接判断故障点位置。高频感应法与传统的音频感应法相比有如下诸多优点：
3.1 对同一故障电缆来说，电容C是不变的，其容抗为1／ωC，与频率呈反比而且阻抗主要是由容抗所决定，因此电缆对高频信号所呈现的阻抗小而对音频信号所呈现的阻抗大，故高频信号在电缆上产生的电磁信号强度将高于音频信号所产生的电磁信号强度，所以高频信号发生器所需的功率比音频信号发生器小得多。在目前的技术条件下，高频信号源的功率本来就比音频信号源的功率容易实现，现在所需功率反而减小，因此制造起来是不存在困难的；同时还有利于减少装置体积、重量以及对电源的功率要求，为向小型化、便携式发展创造了重要条件。
3.2 虽然高频信号在电缆中传播时也会产生衰减且频率越高衰减越快，但是应该注意到由于精测定点一般都是在粗测后进行，因此探测范围已被缩小在某一区域内进行，空间范围较小，在此空间内衰减后的高频信号其强度仍足以符合探测的要求，主要是由于高频信号较音频信号的能量要高得多，其穿透力强，辐射力强，更易于接收和采集。若将不同频率时接收机所能感受到的最低信号强度水平作个比较，可以发现高频信号比音频信号低得多，因此即使衰减后的高频信号其探测灵敏度仍不低，同时其探测天线长度比音频信号小得多，可使接收装置体积和重量显著减小，这样可使接收机紧凑化，小型化，便于携带，同时高频信号的频谱距离工频电流、高次谐波电流以及环境电磁干扰噪声的频段较远，不会与其混叠，故其抗干扰性能较强。
3.3 高频信号由于其波长较短，故在较短的距离范围内信号强度可从波峰变成波谷，这样接收机的探测天线可在一个不大的空间中移动就容易感应出较大的电流信号，而音频信号由于波长较大，在同一空间中导致探测天线上感应出的电流信号较高频信号下小许多，可见高频信号的灵敏度较高。高频信号经采集后，可用高速A／D以及基于DSP的高通滤波器对其进行数字化滤波，然后在液晶屏上直接显示出其数值，而音频感应法是通过人耳对声音强弱的分辨来故障定点，需要较多经验，不如高频感应法简单、直观、精确。
3.4 采用高频信号为实现在线探测电缆路径打下了基础。通常的电缆故障探测都必须在停电后把电缆从电网中解列，采用耦合式接线可望解决这一问题。如图1所示，所谓耦合式接线就是将信号发生器的输出线圈直接绕在待测电缆的钢带上，耦合线圈的匝数选5～7圈即可，通过耦合线圈向电缆发射-信号电流，此时可将电缆看成是一个等效电感，其所感应的信号电流向电缆发出电磁波，不过电磁波在向前传播的过程中损耗大，衰减快，从而导致测寻的距离不远，但若采用高频信号，可望打破此瓶颈。虽然高频信号在介质中传播时频率越高衰减越快，但由法拉弟电磁感应定律可知，
ε＝Nddt=-NLdidt
，且 didt与频率与正比，即感应出的信号电流强度与频率成正比，这可部分抵消这种不利影响，而且我们还可以通过适当提高高频信号发生器的功率来进一步消除这种不利影响，因为电缆对高频信号阻抗小而对音频信号阻抗大，所以提高高频信号发生器的功率比提高音频信号发生器的功率容易得多，可使电缆上感应出强度足够高的信号电流，使其满足测量要求。
图1 耦合式接线
综上所述高频感应法有着音频感应法所无法比拟的优点。
4. 红外热象技术在电缆故障诊断中的可行性探讨
自1968年Barnes提出“诊断热图术(Diagnosticthermography)”的可行性以来，我国推广应用红外诊断技术，已取得了良好的经济和社会效益，是电力设备在线监测的一项行之有效的技术手段，它借助于红外辐射探测技术能够非接触、实时、快速在线获取设备的运行状态，而且不受高压强电场的干扰和影响，抗干扰性强，可靠性高，近年来在我国应用较为迅速。如中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室进行的电缆火险隐患诊断研究，其原理为：电缆一旦过负荷，线芯温度将急剧上升，高于允许温度，因此可对电缆的线芯温度进行监测。首先采用红外热象仪扫描电缆表面，拍摄出电缆的表面温度场分布图象，经处理可得出温度场的具体数值分布，然后根据已建立的传热数学模型，根据电缆结构参数，物性参数，环境温度及表面温度对电缆线芯温度进行反演计算，实现电缆线芯温度的非接触在线诊断，突破了传统的接触式检测技术的局限性。
当电缆发生故障时，尤其在中间接头或电缆终端时，用红外热象仪拍摄其热图像比较容易鉴别出故障位置。但当电缆内部绝缘缺陷而发生接地故障时，情况有所不同。一般认为电缆接地故障可分为高阻接地故障和低阻接地故障，主要根据接地故障电阻值R的大小来确定。当R呈现很大值时，此时的泄漏电流较小，其发热功率
P可能很小，从而导致检测较困难；若R阻值缓慢减小，则泄漏电流增长，其发热功率P增加，当R减小到某一临界值时，发热功率P达到最大值，此时电缆绝缘缺陷处温度显著高于正常处，最易检测；若R再继续减小，虽然泄漏电流仍不断增加，但总的发热功率P不增反减，因此发热功率P与R之间是一个倒U型关系。所以若要使红外热象技术在电缆故障探测中有足够精度，R值不能太大也不能太小，具体取值范围需通过试验来进一步确定，对于不同的绝缘材料可能有不同的取值范围，超过这个范围以外即为检测的盲区。
红外热象技术在电缆故障探测时需要去掉电缆上面的覆盖物。若电缆在电缆沟中则需将盖板打开，若电缆在地下则还需开挖土方，虽然有不少局限性，但在某些情况下有其独有的优越性。所以红外技术在电缆故障探测中是一种可行的探测方法。只不过由于红外诊断技术的普及目前尚处于起步阶段，大都是利用典型红外图谱进行诊断，没有共同的标准以供执行，基本上还处于经验层次。由于发热机理或热量传导途径没有数学模型支持，从而没有对内部情况进行分析的能力，因此还有待进一步进行模拟试验、现场诊断、积累热图谱和采用先进的图像处理系统，最终达到可以通过设备的表面温度场利用比较完善的传热数学模型反演推算其内部温度，制定出故障判定标准，从而形成专家诊断系统。
传热数学模型的确立和完善是利用红外技术实现对电缆内部故障非接触诊断的关键，因此应对正常运行电缆的温度场分布进行测定，并掌握其随外部环境变化的规律，在建立热象图谱数据库的基础上应用先进的图像处理系统，找出电缆线芯温度与表面温度场的合理数学模型，从而达到由“表”及“里”的温度推算。
正是红外技术不需接触设备，不要求设备停运且操作简便，检测速度快、工作效率高等优点，随着研究和应用的深入，必将发挥更大的作用。
5. 总结
综上所述，配网电力电缆的故障探测方法，采用高频感应法比音频感应法要优越的多，而且它可以在不停电的情况下采用耦合式接线来实施在线的故障探测，简单且效率高。红外热象技术是一种非接触、实时、快速、在线探测电缆故障的高科技应用技术，其实用性主要决定于传热数学模型的完善性，因此在大量实测热图谱的基础上，利用先进的图像处理系统来完善数学模型是急需解决的核心问题。配网电力电缆的故障探测从离线探测向着在线探测发展是未来努力的方向。
［文章编号］1006-7619（2011）03-21-248
［作者简介］ 徐立成（1979.01.02-），男，民族：汉族，籍贯：广东省佛山市三水区，职称：助工，现供职单位全称及职称：佛山市劲能电力工程有限公司，研究方向：电力工程设计与施工。
【关键词】高频感应；电力电缆；故障探测
To the method which go together with net electric power electric cable to break down to probe into analysis and study
Xu Li-cheng
(The ability limited company of the electric power engineering of the Fo strength in the mountain City Foshan Guangdong 528000)
【Abstract】Thesis analysis the tradition go together with net electric power electric cable break down to probe into a method of shortage and weakness, put forward exploitation Gao Pin2 to respond a method and red outside the hot elephant technique be two kinds of new method to carry on break down to probe into.Gao Pin2 respond the audio frequency that the method compare to respond a method to contain many advantage, but red outside hot elephant technique of the forerunner make it have very big development potential, is an electric cable worthy of adopt break down to probe into new method.
【Key words】Gao Pin respond;Electric power electric cable;Break down to probe into
1. 引言
随着经济的快速发展，城市用电量剧增，而与此同时城市内线路走廊用地越来越少，征地所需费用也越来越昂贵。同架空线相比，电力电缆具有供电可靠性高，不受地面、空间建筑物的影响，不受恶劣气候侵害，安全、隐蔽、耐用。因此，电力电缆在城区配网中所占比例越来越大，一些西方发达国家已经实现了配网电缆化。然而由于电缆敷设在电缆沟或直接埋于地下，长期同土壤、水分、潮气接触，绝缘易受到腐蚀渗透，再加上电缆制造或安装时的局部缺陷，都可能造成故障。如果故障得不到及时排除，将会造成严重的经济损失和社会影响，因此如何快速准确地探测到电缆故障点，多年来一直是国内外有关工程技术人员所研究的热点。
测寻直埋电缆故障时，若无线路图或线路图不准确及标注不清，首先就需要探测电缆的敷设路径，重新建立图纸资料，特别是在故障电缆定点之前，对于敷设在电缆隧道或电缆沟中的多条电缆，有时也需将其中的故障电缆与其余电缆区别出来，传统的方法一般是采用音频感应法来探测。然后就是精测定点，对于高阻故障一般采用声测法或声磁同步法；而对于低阻故障则主要采用音频感应法。因此若能使定点过程更准确，就可以避免一些盲目的工作，从而提高电缆故障探测的效率。
考虑到电力电缆故障的复杂性，仅从某一方面或期待于依赖某一种“万能”方法都是不现实的，而应该是从各个可能的方面入手，尽量减少探测过程中的不确定因素，将各种新的科技成果应用到实践中去。本文对传统方法加以创新，探讨了利用高频感应法及红外诊断新技术来探测电缆故障的方法。
2. 电力电缆故障探测步骤
电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤：
2.1 电缆故障性质诊断，即确定故障的类型与严重程度，以便于测试人员选择适当的电缆故障测距与定点方法，如确定是开路、低阻、高阻，还是闪络性故障，从而相应采用目前流行的低压脉冲反射法、直流闪络法及冲击闪络法。
2.2 电缆故障测距，又叫粗测，即在电缆的一端使用仪器确定故障的大致距离。
2.3 电缆故障定点，又叫精测，探测时用lkHz～15kHz音频信号发生器向被测电缆中通入音频信号电流，从而产生相应的电磁波，然后在地面上用探头沿待测电缆路径接收音频信号，并将接收的音频信号送入接收机进行放大并送入耳机。根据耳机中响声的变化可探测故障点的位置，在故障点，耳机中音频信号声响最强。当探头从故障点前移1m～ 2m时，音频信号声响即降低，则音频信号声响最强处即为故障点。但同时音频感应法仍存在许多问题，如抗干扰能力不强，过分依赖人耳的听力，不能在线探测。若能在此基础上加以改进无疑具有很现实的意义。
3. 基于高频感应法的电缆故障定点方法
高频感应法就是利用高频信号发生器向待测电缆通高频电流，发出高频电磁波，然后在地面上用探头沿待测电缆路径接收电缆周围高频电磁场变化的信号，经接收处理后直接在液晶屏幕上显示出来，根据显示出数值的大小直接判断故障点位置。高频感应法与传统的音频感应法相比有如下诸多优点：
3.1 对同一故障电缆来说，电容C是不变的，其容抗为1／ωC，与频率呈反比而且阻抗主要是由容抗所决定，因此电缆对高频信号所呈现的阻抗小而对音频信号所呈现的阻抗大，故高频信号在电缆上产生的电磁信号强度将高于音频信号所产生的电磁信号强度，所以高频信号发生器所需的功率比音频信号发生器小得多。在目前的技术条件下，高频信号源的功率本来就比音频信号源的功率容易实现，现在所需功率反而减小，因此制造起来是不存在困难的；同时还有利于减少装置体积、重量以及对电源的功率要求，为向小型化、便携式发展创造了重要条件。
3.2 虽然高频信号在电缆中传播时也会产生衰减且频率越高衰减越快，但是应该注意到由于精测定点一般都是在粗测后进行，因此探测范围已被缩小在某一区域内进行，空间范围较小，在此空间内衰减后的高频信号其强度仍足以符合探测的要求，主要是由于高频信号较音频信号的能量要高得多，其穿透力强，辐射力强，更易于接收和采集。若将不同频率时接收机所能感受到的最低信号强度水平作个比较，可以发现高频信号比音频信号低得多，因此即使衰减后的高频信号其探测灵敏度仍不低，同时其探测天线长度比音频信号小得多，可使接收装置体积和重量显著减小，这样可使接收机紧凑化，小型化，便于携带，同时高频信号的频谱距离工频电流、高次谐波电流以及环境电磁干扰噪声的频段较远，不会与其混叠，故其抗干扰性能较强。
3.3 高频信号由于其波长较短，故在较短的距离范围内信号强度可从波峰变成波谷，这样接收机的探测天线可在一个不大的空间中移动就容易感应出较大的电流信号，而音频信号由于波长较大，在同一空间中导致探测天线上感应出的电流信号较高频信号下小许多，可见高频信号的灵敏度较高。高频信号经采集后，可用高速A／D以及基于DSP的高通滤波器对其进行数字化滤波，然后在液晶屏上直接显示出其数值，而音频感应法是通过人耳对声音强弱的分辨来故障定点，需要较多经验，不如高频感应法简单、直观、精确。
3.4 采用高频信号为实现在线探测电缆路径打下了基础。通常的电缆故障探测都必须在停电后把电缆从电网中解列，采用耦合式接线可望解决这一问题。如图1所示，所谓耦合式接线就是将信号发生器的输出线圈直接绕在待测电缆的钢带上，耦合线圈的匝数选5～7圈即可，通过耦合线圈向电缆发射-信号电流，此时可将电缆看成是一个等效电感，其所感应的信号电流向电缆发出电磁波，不过电磁波在向前传播的过程中损耗大，衰减快，从而导致测寻的距离不远，但若采用高频信号，可望打破此瓶颈。虽然高频信号在介质中传播时频率越高衰减越快，但由法拉弟电磁感应定律可知，
ε＝Nddt=-NLdidt
，且 didt与频率与正比，即感应出的信号电流强度与频率成正比，这可部分抵消这种不利影响，而且我们还可以通过适当提高高频信号发生器的功率来进一步消除这种不利影响，因为电缆对高频信号阻抗小而对音频信号阻抗大，所以提高高频信号发生器的功率比提高音频信号发生器的功率容易得多，可使电缆上感应出强度足够高的信号电流，使其满足测量要求。
图1 耦合式接线
综上所述高频感应法有着音频感应法所无法比拟的优点。
4. 红外热象技术在电缆故障诊断中的可行性探讨
自1968年Barnes提出“诊断热图术(Diagnosticthermography)”的可行性以来，我国推广应用红外诊断技术，已取得了良好的经济和社会效益，是电力设备在线监测的一项行之有效的技术手段，它借助于红外辐射探测技术能够非接触、实时、快速在线获取设备的运行状态，而且不受高压强电场的干扰和影响，抗干扰性强，可靠性高，近年来在我国应用较为迅速。如中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室进行的电缆火险隐患诊断研究，其原理为：电缆一旦过负荷，线芯温度将急剧上升，高于允许温度，因此可对电缆的线芯温度进行监测。首先采用红外热象仪扫描电缆表面，拍摄出电缆的表面温度场分布图象，经处理可得出温度场的具体数值分布，然后根据已建立的传热数学模型，根据电缆结构参数，物性参数，环境温度及表面温度对电缆线芯温度进行反演计算，实现电缆线芯温度的非接触在线诊断，突破了传统的接触式检测技术的局限性。
当电缆发生故障时，尤其在中间接头或电缆终端时，用红外热象仪拍摄其热图像比较容易鉴别出故障位置。但当电缆内部绝缘缺陷而发生接地故障时，情况有所不同。一般认为电缆接地故障可分为高阻接地故障和低阻接地故障，主要根据接地故障电阻值R的大小来确定。当R呈现很大值时，此时的泄漏电流较小，其发热功率
P可能很小，从而导致检测较困难；若R阻值缓慢减小，则泄漏电流增长，其发热功率P增加，当R减小到某一临界值时，发热功率P达到最大值，此时电缆绝缘缺陷处温度显著高于正常处，最易检测；若R再继续减小，虽然泄漏电流仍不断增加，但总的发热功率P不增反减，因此发热功率P与R之间是一个倒U型关系。所以若要使红外热象技术在电缆故障探测中有足够精度，R值不能太大也不能太小，具体取值范围需通过试验来进一步确定，对于不同的绝缘材料可能有不同的取值范围，超过这个范围以外即为检测的盲区。
红外热象技术在电缆故障探测时需要去掉电缆上面的覆盖物。若电缆在电缆沟中则需将盖板打开，若电缆在地下则还需开挖土方，虽然有不少局限性，但在某些情况下有其独有的优越性。所以红外技术在电缆故障探测中是一种可行的探测方法。只不过由于红外诊断技术的普及目前尚处于起步阶段，大都是利用典型红外图谱进行诊断，没有共同的标准以供执行，基本上还处于经验层次。由于发热机理或热量传导途径没有数学模型支持，从而没有对内部情况进行分析的能力，因此还有待进一步进行模拟试验、现场诊断、积累热图谱和采用先进的图像处理系统，最终达到可以通过设备的表面温度场利用比较完善的传热数学模型反演推算其内部温度，制定出故障判定标准，从而形成专家诊断系统。
传热数学模型的确立和完善是利用红外技术实现对电缆内部故障非接触诊断的关键，因此应对正常运行电缆的温度场分布进行测定，并掌握其随外部环境变化的规律，在建立热象图谱数据库的基础上应用先进的图像处理系统，找出电缆线芯温度与表面温度场的合理数学模型，从而达到由“表”及“里”的温度推算。
正是红外技术不需接触设备，不要求设备停运且操作简便，检测速度快、工作效率高等优点，随着研究和应用的深入，必将发挥更大的作用。
5. 总结
综上所述，配网电力电缆的故障探测方法，采用高频感应法比音频感应法要优越的多，而且它可以在不停电的情况下采用耦合式接线来实施在线的故障探测，简单且效率高。红外热象技术是一种非接触、实时、快速、在线探测电缆故障的高科技应用技术，其实用性主要决定于传热数学模型的完善性，因此在大量实测热图谱的基础上，利用先进的图像处理系统来完善数学模型是急需解决的核心问题。配网电力电缆的故障探测从离线探测向着在线探测发展是未来努力的方向。
［文章编号］1006-7619（2011）03-21-248
［作者简介］ 徐立成（1979.01.02-），男，民族：汉族，籍贯：广东省佛山市三水区，职称：助工，现供职单位全称及职称：佛山市劲能电力工程有限公司，研究方向：电力工程设计与施工。