电力电缆故障探测技术.pdf

“ABCDEFGHIJKLM0NO PQRSTUVWXYSZ-R[\]F _‘abcde*Sfghijklmno pq7rstuvwxyF z1{|}[G/Y|Svw F[GIJKLMF “ 89EFABCD GH 前言 电力电缆故障点的迅速、准确定位，能够提高供电 可靠性，减少故障修复费用及停电损失。随着国家城市 电网改造工作的开展，电力电缆数量的增加，广大供电 部门将更加重视电力电缆的故障探测工作。 电力电缆故障探测是一项技术性比较强的工作，测 试人员应掌握所使用仪器的工作原理并要有一定的工作 经验。要做好电缆故障的探测工作，除了购买先进的仪 器设备以外，还要做好测试人员的培训工作。本书作者 长期从事电缆故障测试技术研究与推广工作，对此有很 深的感受。近年来，电力电缆故障的测试技术有了较大 的发展，如出现了故障测距的脉冲电流法、路径探测的 脉冲磁场法以及利用磁场与声音信号时间差寻找故障点 位置的方法等。计算机技术的应用，更使得电缆故障探 测技术面貌一新，进入了智能化阶段。写作本书的目的 就在于使广大电缆测试人员了解掌握电缆故障测试技 术，特别是近年来涌现出的新技术、新方法、新设备， 以便更好地开展电缆故障测试工作。 本书第一、二章较系统地介绍了电缆故障原因与分 类、测试的基本步骤以及电缆线路的行波传输过程，这 些内容是电缆故障测试的基础知识。第三章介绍低阻及 断线故障测距的低压脉冲反射法。第四章介绍了用于高 阻及闪络性故障测距的脉冲电流法，包括基本工作原 理、故障点击穿的机理及判断方法、各种故障情况下脉 冲电流波形的形成及现场经验等内容。第五章分析了地 下电缆的磁场并介绍了电缆路径探测及电缆鉴别技术。 第六章叙述了电缆故障定点技术，包括声测法、声磁同 步检测法、音频感应法等，本章还介绍了电缆护层绝缘 故障及低压和超高压电力电缆故障的定点方法。第七至 十二章介绍了 T系列电缆故障测距仪、定点仪、高压信 号发生器及音频信号发生器的构成、性能指标及操作使 用方法。附录 A介绍了一种自动分析识别故障点击穿产 生的脉冲电流波形，计算故障距离的方法。附录 B给出 了故障探测的实例，以使读者进一步掌握了解电缆故障 探测的现场情况与仪器的使用经验。 本书是针对具有高中以上文化程度及大部分有实践 经验的电缆测试人员编写的。理论问题以讲解物理概念 为主，文字力求通俗易懂，便于自学。 参加本书编著的有科汇电气有限公司徐丙垠、李胜 祥、陈宗军、郭海滨等，山东工程学院饶明忠教授审阅 了全书。承蒙山东铝厂王志同、李金生，齐鲁石化赵玉 良、张显凯，上海电缆输配电公司赵家康、屠俊良、范 慈生、李仁义，济南炼油厂张庆河、徐绍宁，济南铁路 水电段张忠泉、白静波，武昌铁路水电段廖恭鸣等诸位 工程师提供资料与测试经验，在此表示衷心地感谢。 限于水平，书中有错误不妥之处，敬请指正。 编著者 1 9 9 8 ．1 2 ．1 6 1 第一章 电力电缆故障探测基础 1 - 1 概述 电力电缆供电以其安全、可靠、有利于美化城市与 厂矿布局等优点，获得了越来越广泛的应用。 电力电缆（以下简称电缆）多埋于地下，一旦发生 故障，寻找起来十分困难，往往要花费数小时，甚至几 天的时间，不仅浪费了大量的人力、物力，而且会造成 难以估量的停电损失。如何准确、迅速、经济地查寻电 缆故障便成了供电部门日益关注的问题。 电缆故障情况及埋设环境比较复杂，变化多，测试 人员应熟悉电缆的埋设走向与环境，确切地判断出电缆 故障性质，选择合适的仪器与测量方法，按照一定的程 序工作，才能顺利地测出电缆故障点。 电缆故障探测有其固有的特点，现场测试人员曾形 象地说探测电缆故障点“七分靠仪器, 三分靠人”，说明 单纯地靠购买先进仪器是不能解决问题的。要重视操作 人员的培训工作，生产单位和使用部门要经常交流信息、 积累经验，加强电缆故障探测技术的研讨，以促进我国 电缆故障探测技术整体水平的提高。 1 - 2 电缆故障的原因 了解电缆故障的原因，对于减少电缆的损坏，快速 地判定出故障点是十分重要的。 电缆故障的原因大致可归纳为以下几类 （1 ）机械损伤 2 机械损伤引起的电缆故障占电缆事故很大的比例。 有些机械损伤很轻微，当时并没有造成故障，但在几个 月甚至几年后损伤部位才发展成故障。造成电缆机械损 伤的主要有以下几种原因 1 ）安装时损伤在安装时不小心碰伤电缆，机械牵 引力过大而拉伤电缆，或电缆过度弯曲而损伤电缆； 2 ）直接受外力损坏在安装后电缆路径上或电缆附 近进行城建施工，使电缆受到直接的外力损伤； 3 ）行驶车辆的震动或冲击性负荷会造成地下电缆的 铅 铝 包裂损； 4 ）因自然现象造成的损伤如中间接头或终端头内 绝缘胶膨胀而胀裂外壳或电缆护套；因电缆自然行程使 装在管口或支架上的电缆外皮擦伤；因土地沉降引起过 大拉力，拉断中间接头或导体。 （2 ）绝缘受潮 绝缘受潮后引起故障。造成电缆受潮的主要原因有 1 ）因接头盒或终端盒结构不密封或安装不良而导致 进水； 2 ）电缆制造不良，金属护套有小孔或裂缝； 3 ）金属护套因被外物刺伤或腐蚀穿孔； （3 ）绝缘老化变质 电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离使绝 缘下降。当绝缘介质电离时，气隙中产生臭氧、硝酸等 化学生成物，腐蚀绝缘；绝缘中的水分使绝缘纤维产生 水解，造成绝缘下降。 过热会引起绝缘老化变质。电缆内部气隙产生电游 离造成局部过热，使绝缘碳化。电缆过负荷是电缆过热 很重要的因素。安装于电缆密集地区、电缆沟及电缆隧 道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆以及电缆 3 与热力管道接近的部分等都会因本身过热而使绝缘加速 损坏。 （4 ）过电压 大气与内部过电压作用，使电缆绝缘击穿，形成故 障，击穿点一般是存在缺陷。 （5 ）设计和制作工艺不良 中间接头和终端头的防水、电场分布设计不周密， 材料选用不当，工艺不良、不按规程要求制作会造成电 缆头故障。 （6 ）材料缺陷 材料缺陷主要表现在三个方面。一是电缆制造的问 题，铅（铝）护层留下的缺陷；在包缠绝缘过程中，纸 绝缘上出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷；二是 电缆附件制造上的缺陷，如铸铁件有砂眼，瓷件的机械 强度不够，其它零件不符合规格或组装时不密封等；三 是对绝缘材料的维护管理不善，造成电缆绝缘受潮、脏 污和老化。 （7 ）护层的腐蚀 由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆铅包 外皮受腐蚀出现麻点、开裂或穿孔，造成故障。 （8 ）电缆的绝缘物流失 油浸纸绝缘电缆敷设时地沟凸凹不平，或处在电杆 上的户外头，由于起伏、高低落差悬殊，高处的绝缘油 流向低处而使高处电缆绝缘性能下降，导致故障发生。 在分析电缆故障发生的原因以及寻找故障点时，极 重要的是要特别注意了解高压电缆敷设、故障及修复的 情况。要注意做好电缆安装敷设及故障修复过程中的记 录工作。记录应主要包括以下内容 1 ）线路名称及起止地点。 4 2 ）故障发生时间。 3 ）故障发生的地点及排除经过。 4 ）电缆规范如电压等级、型式、导体截面、绝缘 方式，制造厂名及购置日期等。 5 ）装置记录如安装日期及气候，各个对接头、三 通接头的设计型式、绝缘种类、热处理温度及精确位置。 6 ）电缆的埋设情况如电缆弯曲半径的大小，路径 的走向，有无反常的敷设深度或者有特别的保护措施， 如钢板、穿管和排管等；电缆敷设中的技工和技术人员 的姓名（这也常常是提供重要线索的来源之一）。 7 ）周围环境情况如临近故障处的地面情况，有无 新的挖土、打桩或埋管等工程，泥土中有无酸或碱的成 分，是否夹有小石块，附近地区有无化学工厂等。 8 ）运行情况如电缆线路负荷及温度等。 9 ）校验情况包括试验电压、时间、泄漏电流及绝 缘电阻的数值、历史记录。 由于制造缺陷而造成的电缆故障是不多的，分析了 解可能造成电缆故障的原因，对寻找电缆故障点是很有 帮助的。例如，通过测距知道了电缆的故障距离，而在 对应位置上，发现近期进行过城建施工，就可以怀疑为 在施工的过程中损伤了被测电缆而引起了故障，往往不 需要费很大功夫，就能很快地对故障进行定点。 1 - 3 电缆故障的性质与分类 电缆故障从型式上可分为串联与并联故障。串联故 障指电缆一个或多个导体（包括铅、铝外皮）断开；通 常在电缆至少一个导体断路之前，串联故障是不容易发 现的。并联故障是导体对外皮或导体之间的绝缘下降， 5 不能承受正常运行电压。实际的故障型式组合是很多的， 图1 . 1 给出了可能性较大的几种故障形式。例如图1 . 1 . c 所示，导体断路往往是电缆故障电流过大而烧断的，这 种故障一般伴有并联接地或相间绝缘下降的情况。实际 发生的故障绝大部分是单相对地绝缘下降故障。 a . 一相对地 b . 两相对地 c . 一相断线并接地 图1 . 1 几种电缆故障形式 电缆故障点可用图1 . 2 所示电路来等效。R f代表绝缘 电阻，G 是击穿电压为V g的击穿间隙，Cf代表局部分布电 容，上述三个数值随不同的故障情况变化很大，并且互 相之间并没有必然的联系。 6 图1 . 2 电缆故障等效电路 间隙击穿电压V g的大小取决于放电通道的距离，电阻 R f的大小取决于电缆介质的碳化程度，而电容Cf的大小取 决于故障点受潮的程度，数值很小，一般可以忽略。 根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开 路、低阻、高阻与闪络性故障，如表1 . 1 所示。 表1 . 1 电缆故障性质的分类 故障性质 Rf间隙的击穿情况 开 路 ∞在直流或高压脉冲作用下击穿 低 阻小于1 0 Z0Rf不是太低时，可用高压脉冲击穿 高 阻大于1 0 Z0高压脉冲击穿 闪 络 ∞直流或高压脉冲击穿 说明表中Z 0为电缆的波阻抗值，电力电缆波阻抗一 般在1 0 - 4 0 Ω之间。 以上分类的目的也是为了选择测试方法的方便，根 据目前流行的故障测距技术，开路与低阻故障可用低压 脉冲反射法，高阻故障要用冲击闪络法，而闪络性故障 可用直流闪络法测试。现场人员有把R f 1 0 0 K Ω的故障称 7 为低阻故障的习惯，主要是因为传统的电桥法可以测量 这类故障。 据统计，高阻及闪络性故障约占整个电缆故障总数 的9 0 。 现场上是通过试验方法区分高阻与闪络性故障的。 图1 . 3 给出了电缆耐压试验等效电路，其中R s 为试验 设备内阻，E 为设备所能提供的直流电压值，电阻R f与临 界击穿电压为V g的间隙并联代表故障点。 图1 . 3 电缆耐压试验等效电路 由图1 . 3 可知，在对电缆进行高压绝缘试验时，电缆 故障点所能获得的电压为 f f RRs R EV 对闪络性故障来说R f较大，故障间隙两端电压可以增 加至很高，当试验电压升至某一值时，故障点击穿放电， 电流突然升高，电压突然下降。预防性试验中发生的故 障多属闪络性故障。高阻故障的故障点电阻R f较小（但大 于1 0 Z 0），导致故障点两端所加电压不能升至高于故障点 击穿电压，也就不能使故障点击穿。因此，可以从在对 电缆进行高压绝缘试验时有无故障点击穿现象判断电缆 存在高阻还是闪络性故障。显然，高阻与闪络性故障的 8 区分不是绝对的，它与高压试验设备的容量或试验设备 的内阻等因素有关。 实际上还存在一种封闭性故障，它多发生于电缆接 头或终端头内，特别是多发生在浸油的电缆头内。发生 这类故障时，有时在某一试验电压下绝缘击穿，待绝缘 恢复，击穿现象便完全消失，这类故障称为封闭性故障， 因故障不能再现，寻找起来就比较困难。 1 - 4 电缆故障探测的步骤 电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个 步骤。 1 . 电缆故障性质诊断 电缆故障性质的诊断，即确定故障的类型与严重程 度，以便于测试人员对症下药，选择适当的电缆故障测 距与定点方法。 2 . 电缆故障测距 电缆故障测距，又叫粗测，在电缆的一端使用仪器 确定故障距离，现场上常用的故障测距方法有古典电桥 法与现代行波法（见1 - 6 节）。 3 . 电缆故障定点 电缆故障定点，又叫精测，即按照故障测距结果， 根据电缆的路径走向，找出故障点的大体方位来，在一 个很小的范围内，利用放电声测法或其它方法确定故障 点的准确位置。 一般来说，成功的电缆故障探测都要经过以上三个 步骤，否则欲速则不达。例如不进行故障测距而利用放 电声测法直接定点，沿着很长的电缆路径（可能有数公 9 里长），探测故障点放电声是相当困难的。如果已知电 缆故障距离，确定出一个大体方位来，在很小的一个范 围内（1 0 米左右）来回移动定点仪器探测电缆故障点放 电声，就容易多了。 1 - 5 电缆故障性质的诊断 所谓诊断电缆故障的性质，就是指确定故障电阻 是高阻还是低阻；是闪络还是封闭性故障；是接地、短 路、断线，还是它们的混合；是单相、两相，还是三相 故障。 可以根据故障发生时出现的现象，初步判断故障的 性质。例如，运行中的电缆发生故障时，若只是给了接 地信号，则有可能是单相接地的故障。继电保护过流继 电器动作，出现跳闸现象，则此时可能发生了电缆两相 或三相短路或接地故障，或者是发生了短路与接地混合 故障。发生这些故障时，短路或接地电流烧断电缆将形 成断线故障。但通过上述判断不能完全将故障的性质确 定下来，还必须测量绝缘电阻和进行“导通试验”。 测量绝缘电阻时，使用兆欧表 1 千伏以下的电缆， 用1 0 0 0 伏的兆欧表；1 千伏以上的电缆，用2 5 0 0 伏的兆欧 表 来测量电缆线芯之间和线芯对地的绝缘电阻； 进行 “导 通试验”时，将电缆的末端三相短接，用万用表在电缆 的首端测量芯线之间的电阻。现将一故障电缆的测量结 果列于表1 . 2 中，供参阅。 根据表1 . 2 所列绝缘电阻之测量结果，可以分析出此 故障是两相接地；根据“导通试验”结果，以确定三相 电缆未发生断线。此故障点的状态，如图1 . 4 所示。 10 表1 . 2 绝缘电阻的测量与“导通试验” 用兆欧表测量绝缘电阻（兆欧） 用万用表做“导通试验” 线 芯 间 线 芯 与 地末端三相短接测电阻 A B2 5 0 0 A E2 5 0 0A B0 B C8B E5B C0 C A2 5 0 0 C E3C A0 图1 . 4 电缆线路故障状态图 由于兆欧表分辨率比较差，当指示为零时，不能以 为故障电阻就是零欧姆，要用万用表测量故障电阻的精 确值，以确定故障是否是属于低阻的。 如在1 - 3 节所述，可通过耐压试验确定高阻与闪络 性故障，弄清故障点的击穿电压。 1 - 6 电缆故障探测方法的评价 长期以来，涌现出了许多测量方法与仪器，这些方 法与仪器适用于不同故障情况，各有优缺点，这里就故 障测距与定点仪器简单地做一下评价和比较。 1 . 故障测距 1 ）电桥法 11 电桥法是一种经典测试方法。 a b 图1 . 5 电桥测距原理 电桥法测试线路的连接如图1 . 5 a 所示，将被测电缆 终端故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与 非故障相，图1 . 5 b 给出了等效电路图。 仔细调节R 2数值，总可以使电桥平衡，即C D 间的电位 差为0 ，无电流流过检流计，此时根据电桥平衡原理可得 R 3/ R4 R1/ R2 （1 . 1 ） R 1、R2为已知电阻，设R1/ R2 K ，则 R 3/ R4 K 由于电缆直流电阻与长度成正比，设电缆导体电阻 率为R 0，L全长代表电缆全长， LX 、、L0 分别为电缆故障点 12 到测量端及末端的距离，则R 2可用（L全长 L0）R0代替，根 据式（1 . 1 ）可推出 L 全长 L0 K LX 而 L 0 L全长- LX，所以 L X 2 L全长/ （K 1 ） 电缆断路故障可用电容电桥测量，原理与上述电阻 电桥类似。 电桥法优点是简单、方便、精确度高，但它的重要 缺点是不适用于高阻与闪络性故障，因为故障电阻很高 的情况下，电桥里电流很小，一般灵敏度的仪表，很难 探测，实际上电缆故障大部分属于高阻与闪络性故障。 在用电桥法测量故障距离之前，需用高压设备将故障点 烧穿，使其故障电阻值降到可以用电桥法进行测量的范 围，而故障点烧穿是件十分困难的工作，往往要花费数 小时，甚至几天的时间，十分不方便，有时会出现故障 点烧断，故障电阻反而升高的现象，或是故障电阻烧得 太低，呈永久短路，以至不能用放电声测法进行最后定 点。电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原 始技术资料，当一条电缆线路内是由导体材料或截面不 同的电缆组成时，还要进行换算，电桥法还不能测量三 相短路或断路故障。 现在现场上电桥法用的越来越少了，不过一些测试 人员，尤其是老的测试人员，仍然习惯于使用该方法。 特别是对一些特殊的故障没有明显的低压脉冲反射，但 又不容易用高压击穿，如故障电阻不是太高的话，使用 电桥法往往可以解决问题。 2 ） 低压脉冲反射法 13 低压脉冲反射法，又叫雷达法，是受二次世界大战 雷达的启发而发明的，它通过观察故障点反射脉冲与发 射脉冲的时间差测距（详见第三章叙述）。 低压脉冲反射法的优点是简单、直观、不需要知道 电缆的准确长度等原始技术资料。根据脉冲反射波形还 可以容易地识别电缆接头与分支点的位置。 低压脉冲反射法的缺点是仍不能适用于测量高阻与 闪络性故障。 3 ） 脉冲电压法 脉冲电压法，又称闪测法，是六十年代发展起来的 一种高阻与闪络性故障测试方法。国内有数家企业生产、 销售该原理的电缆故障闪测仪。 首先使电缆故障在直流高压或脉冲高压信号的作用 下击穿，然后，通过观察放电电压脉冲在观察点与故障 点之间往返一次的时间测距。 脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性 故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测 试速度快，测量过程也得到简化，是电缆故障测试技术 的重大进步。 脉冲电压法的缺点如下 A . 安全性差，仪器通过一电容电阻分压器分压测量 电压脉冲信号，仪器与高压回路有电耦合，很容易发生 高压信号串入，造成仪器损坏。 B . 在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短 路状态，需要串一电阻或电感以产生电压信号，增加了 接线的复杂性，且降低了电容放电时加在故障电缆上的 电压，使故障点不容易击穿。 C . 在故障放电时，特别是进行冲闪测试时，分压器 耦合的电压波形变化不尖锐，难以分辨。 14 4 ） 脉冲电流法 脉冲电流法是八十年代初发展起来的一种测试方 法，以安全、可靠、接线简单等优点显示了强大的生命 力。 脉冲电流法（详见第四章）与脉冲电压法的区别在 于前者通过一线性电流耦合器测量电缆故障击穿时产 生的电流脉冲信号，成功地实现了仪器与高压回路的电 耦合，省去了电容与电缆之间的串联电阻与电感，简化 了接线，传感器耦合出的脉冲电流波形亦比较容易分辨。 5 ） 对测距方法与仪器选择的建议 目前，普遍采用行波测距法。低阻与断路故障采用 低压脉冲反射法，它比电桥法简单直接；测量高阻与闪 络性故障采用脉冲电流法；两者都是通过脉冲信号在故 障点与测量点之间往返一次时间测距，但前者是主动向 电缆发射探测电压脉冲，后者是被动记录故障击穿产生 的瞬间脉冲电流信号；信号的记录与处理显示可由同一 个电路完成，故可方便地使仪器同时实现两个功能。 2 . 故障定点 电缆故障的精确定点是故障探测的关键。目前，比 较常用的方法是冲击放电声测法及主要用于低阻故障定 点的音频感应法。实际应用中，往往因电缆故障点环境 困素复杂，如振动噪声过大、电缆埋设深度过深等，造 成定点困难，成为快速找到故障点的主要矛盾。 声磁同步检测法（详见第六章），提高了抗振动噪 声干扰的能力；通过检测接收到的磁声信号的时间差， 可以估计故障点距离探头的位置；比较在电缆两侧接收 到脉冲磁场的初始极性，亦可以在进行故障定点的同时 寻找电缆路径。 3 . 新一代智能化电缆故障探测仪器 15 现代微电子技术的发展，促进了电缆故障探测仪器 的进步。仪器正向智能化方向发展，能对采集的信号进 行复杂的数学处理，自动计算故障点；记忆测量波形； 打印输出波形及测量结果；并具有体积小、携带方便、 操作简单等优点。科汇电气有限公司生产的T 系列电缆故 障测距仪与定点仪，是这种发展的一个代表，正迅速在 全国推广，受到了广大用户的欢迎。 1 6 第二章 电缆线路的波过程 目前，现场上主要是通过测量低压注入脉冲或故障 点放电脉冲在故障点与测量端之间的运动时间测量电缆 故障距离，本章介绍电压、电流波在电缆线路里的传播 过程，以便使读者更好地了解基于电压、电流波传播原 理的电缆故障测距技术。 2 - 1 长线的基本概念与等效电路 电力电缆是传输线的一种。传输线本身的长度与它 所传播的信号波长相比拟时，称为长线。对电缆中的脉 冲电压、电流波而言，其脉冲宽度不足一个微秒。而波 在一微秒时间内的传播距离仅二百米左右，所以有必要 把电缆线路看成长线，来研究电压、电流波的传播过程。 电缆线路（以下简称电缆）可看成由许许多多电阻 R 、电导G 、电容C 与电感L 元件（等效元件）相联接组成 的，这些元件称为电缆的分布参数。一小段电缆的等效 电路如图2 . 1 所示。 图2 . 1 一小段电缆的等效电路 当信号电流流过每一段电路上的串联电阻R 与电感L 时，就会产生电压降，信号电流在每一段线路上还会通 1 7 过电容C 与电导G 从中途返回。如果忽略线路的传播损 耗，即令R G 0 ，则线路称为无损耗线路，其单位长度上 电容、电感值分别用C0与L0表示。除特殊说明外，本章中 讨论的线路均指的是这种无损耗线路。 分布参数线路上任一点电压、电流值实际上是许多 个向两个不同的方向传播的电压、电流波数值的代数 和。这些电压、电流波以一定的速度运动，因此称为行 波。我们把运动方向与规定方向一致的行波，叫正向行 波，而把运动方向与规定方向相反的行波叫反向行波。 假定有一电缆线路M N 如图2 . 2 所示，规定距离坐标X 的方 向从M 端到N 端，则线路上向着N 端运动的波叫正向行波， 而向着M 端运动的波叫反向行波。 图2 . 2 正向与反向行波 2 - 2 电缆中的波速度与波阻抗 1 . 波速度 行波从电缆一端传到另一端需要一定的时间，电缆 长度与传播时间之比，称为波速度V 。 经分析可知，电缆中行波的波速度可表示为 1 8 ε S CL 1 V 00 其中S 3 1 0 8 米/ 秒，是光的传播速度； μ为电缆芯线周围介质的相对导磁系数； ε为电缆芯线周围介质的相对介电系数。 可见，电缆中波速度只与电缆的绝缘介质性质有 关，而与导体芯线的材料与截面积无关。对于由不同导 体材料制成的电缆，只要绝缘介质相同的，其波速度是 不变的，这一点必须注意，因为不少人想当然地认为电 缆的波速度受芯线的材料与截面积影响。 经测量可知，对于油浸纸绝缘电缆V ≈1 6 0 米/ 微秒； 塑料电缆V ≈1 7 0 - 2 0 0 米/ 微秒，对于橡胶电缆V ≈2 2 0 米/ 微秒。 2 . 波阻抗 电缆中的电压波在向前运动时，对分布电容不断充 电产生伴随的向前运动的电流波，一对电压、电流波之 间的关系，用波阻抗（也称特性阻抗）Z0来描述。 经分析可知，电缆的波阻抗可表示为 0 0 0 C L Z L0、C0除与电缆所用介质材料、介电系数与导磁系数 有关外，还与电缆芯线的截面积和芯线与外皮之间的距 离有关。所以，不同规格和种类的电缆，其波阻抗也不 同。电缆芯线截面积越大，波阻抗值越小。一般电力电 缆的波阻抗值在1 0 - 4 0 欧左右。 对于正向电压波U与电流波i之间，满足关系 U/ i Z0 2 . 1 而对于反向电压波U-与电流波i-之间，则有 U-/ i- - Z0 2 . 2 由式2 . 1 与2 . 2 看出，正向电压、电流波同极性，而 1 9 反向电压、电流波反极性。 a b 图2 . 3 电流行波的极性 假定电压行波极性为正，线路上电流行波的流动方 向是电压行波前进的方向。规定电流的正方向与距离坐 标X 的正方向一致。显然，正向电流行波流动方向与距离 坐标方向一致，为正极性，图2 . 3 . a ；而反向电流行波流 动方向与距离坐标方向相反，为负极性，图2 . 3 . b 。 电缆的波阻抗与电缆本身的结构与绝缘介质及导体 材料有关，而与电缆的长度无关，即使很小一段电缆， 它的波阻抗也处处相等。波阻抗是电缆中一对正向或反 向电压、电流波之间的幅值之比，而不是任一点电压、 电流瞬间幅值之比，因为电缆任一点电压、电流的瞬时 2 0 值，是通过该点的许多个正向与反向电压、电流行波相 迭加而形成的。 2 - 3 行波的反射与透射现象 两个波阻抗不同的电缆相联接时，联接点会出现阻 抗不匹配。当电缆中出现断线或低阻故障时，故障点等 效阻抗与电缆波阻抗不相等，也会出现阻抗不匹配。当 行波运动到阻抗不匹配点时，会产生全部或部分反射， 出现行波回送现象。在低电阻故障（故障点电阻不为零 时）,还会有行波透射现象，即有一部分行波越过故障点 继续往前运动。 图2 . 4 低电阻故障点行波的反射与透射 作为例子，图2 . 4 给出了电缆出现低电阻故障时，行 波的反射与透射现象。Ui为入射波，Uf为返回的反射波， Ut为越过故障点的透射波。 注意, 行波的入射波与透射波反映了一种因果关系, 即入射波在阻抗不匹配点导致了反射波与透射波的出 现。而正、反向行波是针对电压、电流波的运动方向而 言的。一个入射波可以是正向行波, 也可以是反向行波。 2 1 如果入射波运动方向与规定的方向一致的话, 就是正向 行波, 对应的反射波与透射波应该分别与入射波运动方 向相反与相同而称为反向行波与正向行波。反之, 入射波 是反向行波, 对应的反射波与透射波应分别是正向与反 向行波。 2 - 4 行波的反射系数 行波的反射程度可用发生反射的阻抗不匹配点的反 射电压 电流 与入射电压 电流 之比来表示, 这比值称 为反射系数。设线路波阻抗为Z1，阻抗不匹配点等效阻抗 为Z2，见图2 . 5 , 则电压反射系数为 ρu Uf/Ui Z2- Z1 / Z2 Z1 2 . 3 图2 . 5 行波的反射 假定入射波是正向行波, 则入射电压与电流波的关 系 ii Ui/ Z0 2 . 4 而对应的反射波是反向行波, 反射电压与电流波的 关系 if - Uf/Z0 2 . 5 由式2 . 3 、2 . 4 、2 . 5 推出, 阻抗不匹配点的电流反射 系数 2 2 ρi if/ii - Uf/Ui - ρu 可见, 阻抗不匹配点的电流反射系数与电压反射系 数大小相等, 符号相反。 下面讨论几种情况下的反射系数。 1 . 开路 当电缆出现开路点, 或行波运动到电缆的开路终端 时, Z2→∞。根据式2 . 3 , 由于Z1远小于Z2, 可以忽略Z1的作 用, 求出电压反射系数 ρu 1 开路造成了电压的全反射 图2 . 6 , 电压反射波与入 射波同极性。实际的开路点电压是入射电压与反射电压 之和, 因此出现了电压加倍现象。 图2 . 6 开路端的电压反射 开路点的电流反射系数为- 1 , 反射电流与入射电流 大小相等, 方向相反, 实际的开路点电流是二者之和, 因 此为零。 开路点的电流为零, 电压加倍, 可解释为行波达到开 路点后, 由电流携带的磁场能量全部转化为由线路电压 所代表的电场能量。 2 . 短路 当电缆中出现短路点时, Z2 0 , 根据式2 . 3 , 求出电压 2 3 反射系数 ρu - 1 短路点反射电压与入射电压大小相等, 方向相反 图 2 . 7 , 其合成电压为零。 图2 . 7 短路点的反射 短路点电流反射系数为 1 , 反射电流与入射电流相 等, 短路点出现电流加倍现象。 短路点电压为零, 电流加倍, 说明行波到达短路点后, 电场能量全部转化成了磁场能量。 3 . 电缆中出现低阻故障 电缆中间出现低阻故障时, 见图2 . 8 , 电阻两边的电 缆分别用大小等于波阻抗值Z0的电阻来代替, 故障电阻Rf 与第二段电缆的波阻抗值Z0相并联, 构成了第一段电缆的 负载阻抗, 即 Z2 RfZ0/ Rf Z0 故障点电压反射系数 Pu Z2- Z1 / Z2 Z1 - 1 / （1 2 K ） 2 . 6 其中K Rf/ Z0 。 式2 . 6 对于分析低压脉冲在故障点的反射特别有 用。 2 4 图2 . 8 电缆低阻故障点等效电路 4 . 电感 当电缆负载为一电感时，见图2 . 9 ，反射系数不再是 一简单的实数，而是一随时间变化的量。 可以推出电压反射系数为 ρu 2 e - t / τ - 1 2 . 7 其中τ L / Z0, 称为时间常数，L 为电感值。 t 0 , ρu 1 t τ, ρu - 0 . 2 6 t →∞ , ρu - 1 图2 . 9 电感的反射 2 5 可见，终端接电感后，电压反射系数ρu将随时间由 1 向- 1 变化。因为t 0 时，电压波刚到达电缆终端，因电 感上电流不能突变，电感相当于开路，故反射系数ρu 1 ； 而t →∞时，电感上电流进入稳态，电压为零，相当于短 路，因此ρu - 1 ，见图2 . 1 0 。电压反射系数为零的时间， t0 τln 2 。 图2 . 1 0 电感的反射系数 5 . 电容 终端接电容时，图2 . 1 1 ，推出电压反射系数 图2 . 1 1 电容的反射 ρu 1 - 2 e - t / τ 其中τ Z0C ，称为时间常数，C 为电容值。 可见终端接电容时，反射系数随时间从- 1 向 1 变 化，t 0 时，电容上电压不能突变，相当于短路，故反射 系数ρu - 1 ，而当t →∞时，电容上电压已稳定，相当于 2 6 开路，故反射系数为1 ，见图2 . 1 2 。 图2 . 1 2 电容的反射系数 2 - 5 行波的透射系数 行波的透射系数可用透射电压（电流）波与入射电 压（电流）波的比值表示，电压行波与电流行波的透射 系数相同，故叙述时不再加以区别。 如图2 . 1 3 所示，设两段线路的波阻抗分别为Z1、Z2 时，则透射系数 21 2 i t ZZ Z2 U U γ 可以推出透射系数与电压反射系数之间的关系为 1 ρu - γ 图2 . 1 3 行波的透射 实际上碰到的很多情况是如图2 . 8 所示电缆中间有 低电阻故障时透射现象。这时求出透射系数 2 7 K21 K2 Z/R21 Z/R2 0f 0f γ / 如前所述，其中K Rf/ Z0 。 2 - 6 行波过程分析的网格图法 网格图法是分析传输线行波过程的有力工具。网格 图有时间与距离两个座标。它反映了任一瞬间线路入射 波、反射波与透射波的位置与运动方向，形象直观，易 于理解。根据行波过程的网格图，可求出线路上任一点 电压、电流随时间的变化情况。 下面用两个具体的例子说明网格图的应用。 1 . 直流电压突然作用于空载线路 如图2 . 1 4 . a 所示，t 0 ，开关K 合上，电压为E 的直流 电压源与长度等于L 的空载长线M N 接通，线路N 端接有电 阻R ，R 是线路波阻抗值的二倍，因此N 端的电压反射系数 ρN 1 /3 。 图2 . 1 4 . b 给出了电压行波传播网格图，横座标X 代表 距离，X 0 与X L 对应线路的两个端点，由X 0 ，X L 处分 别作垂直于X 轴的直线作为时间t 轴。 t 0 ，K 合上，电压波Ui 1 E 以波速V 向N 端运动，用从M 处时间轴t 0 出发向下运动的斜线来代替，斜线代表的电 压值不变，箭头指向N 端代表入射波的运动方向。斜线上 某一点座标为（t0、 x0），代表在t0时刻，电压行波运动 到了线路上距离M 端X0的位置， 斜线与X L 处时间轴的相交 点即电压波运动到N 端所需时间τ τ L / V ，是行波在整 个线路上的传播时间 。电压行波运动到N 端后产生反射 电压Uf 1返回M 点，在图上用从N 处时间轴t τ点出发的斜 线表示，反射电压等于N 端电压反射系数乘以入射电压， 即Uf 1 ρNUi 1 E / 3 。Uf 1在t 2 τ时到达M 点，由于M 点接有直 流电压源，内阻为0 ，对于入射电压波来说相当于短路， 2 8 反射系数为- 1 ，故产生反射波Ui 2 - Uf 1 - E / 3 向N 点运动。 t 3 τ时刻Ui 2到达N 点，产生反射波Uf 2 ρNUi 2 - E / 9 又向M 点运动⋯⋯，电压行波这样在M 与N 点来回运动，直至整 个过程结束，形成了锯齿形的网格图。 根据网格图，可以很方便地求出线路上任一点在任 一时刻的电压、电流值。首先在时间轴上找到所研究的 时间t ，然后把该时间前出现的所有的电压、电流波求和 即可。 （a ） b 图2 . 1 4 直流电压突然作用于空载线路网格图 例如求N 点电压变化规律，t τ之前，N 端无电压波 出现，UN 0 ，而在τ〈t 〈3 τ期间，N 点有来自M 方向的入 2 9 射波Ui 1, 与向着M 点运动的反射波Uf 1, 故 UN Ui 1 Uf 1 E E / 3 4 E / 3 而在3 τ〈t 〈5 τ期间，线路上存在Ui 1、Uf 1、Ui 2、Uf 2 四个电压波，它们的和是8 E / 9 ；依