电桥正反接线平均法测量电缆故障距离的研究

摘  要：

电缆故障距离的准确测量对于电力行业非常重要。鉴于此，详细介绍了三相电缆单相接地电桥法测量故障距离原理和两相短路电桥法测量故障距离原理，提出了采用电桥正反接线平均法测量电缆的故障距离，通过对现场一10 kV三相铜芯油纸绝缘电缆的故障点距离进行计算，验证了该方法的有效性。计算结果表明，正接法、反接法测量故障点距离的相对误差分别为3.4%、2.8%，而正反接线平均法测量故障距离的相对误差为0.3%，远低于前两者，因此该方法具有更好的准确性和有效性。最后还构建了电力电缆故障远程检测系统，大大提高了电缆故障处理的效率。

 0 引言

电力电缆同架空线路一样，主要用于分配电能。另外，有的电力电缆也可作为电气设备、线路间的连接线。电缆在工业用电、建筑用电等领域应用广泛，但当其发生短路接地时，寻找故障点却是一件令人头疼的事情。为了缩短停电时间，防止短路电流烧坏电气设备，必须尽快找到电缆故障点进行修复。通常电力电缆要么是通过电缆沟或电缆桥架沿沟或桥铺设，要么是埋设于地下，一旦发生短路接地，不便于直接观察发现故障点，而沿沟找故障点也是一件极其麻烦的事情。电缆的故障测距就是通过对电缆的电气参数如电压、电流、电阻等进行测量，然后计算出电缆故障点的位置[1-2]。对于日益增多的电缆故障，实现电缆故障距离的精准定位越来越迫切和重要。常见的电缆测距方法有平衡电桥法、闪络法、脉冲法等，由于仪表的测量精度及电缆敷设路径测量的误差影响，以上各种测量方法往往在测距上都存在一定的误差[3]。

本文基于单臂电桥[4-5]，采用正反接线平均法测量电缆故障的距离，比用单臂电桥直接测量提高了测距精度，获得了更准确的电缆故障距离测量结果。

 1 电力电缆的优点

（1）占用空间小。尤其是地下敷设的电缆，不占用地上空间，不影响市容。

（2）供电可靠性高。尤其是直埋电缆及沟、隧道敷设电缆，其由于近似封闭的运行环境，不用遭受日晒雨淋、风吹雨打，也很少受雷电、鸟害、挂冰、人为故障等外界因素的影响，故持续供电性好，供电可靠性高。

（3）可防止人身触电，安全性高。电缆线路敷设于地下或桥架以及沟道内，无论发生何种故障，电缆很好地进行了接地和屏蔽，最多会造成电缆线路跳闸，很少会发生漏电，导致人畜触电。

（4）分布电容较大，可实现负荷端的无功就地补偿。电缆的导电芯与大地之间是绝缘材料，此结构相当于一个电容器，而电容能产生无功输出，有利于提高线路的无功以及功率因数。

（5）运维工作量小。电缆的导电芯外面是绝缘材料，其埋在地下，运行环境受外界影响小，除非遇到特殊情况，一般很难会发生故障。

 2 电力电缆的问题和缺点

（1）投资成本高，输送容量不高。对于同样的导线截面积，电缆的输送容量要比架空线路小。对于相同的输送容量，电缆的综合投资费用为架空线路的几倍。

（2）分支箱或T型接头多，一旦发生故障，可能会扩大事故范围甚至发生全停。

（3）电力电缆多在地下或沟道内，寻找故障点比较麻烦。

（4）要制作电缆头，成本费用高，对工艺要求也比较高。

 3 电力电缆基本结构

电力电缆的主要结构是导电芯线，外包绝缘层，有的还包有金属铠装，并加以接地。三相输电导体相互间都必须有绝缘材料，并要保证绝缘材料的绝缘性良好。电力电缆的绝缘层材料应具备下列主要性能：（1）高击穿强度；（2）低介质损耗；（3）相当高的绝缘电阻；（4）优良的耐放电性能；（5）一定的柔性和机械强度；（6）绝缘性能长期稳定。为了保护好绝缘层，避免石头等坚硬物破坏以及防止挖机挖破，绝缘层外面往往还有保护层。

 4 三相电缆单相接地电桥法测量故障距离原理

三相电缆单相接地电桥法测量故障距离原理如图1所示，接地电阻为Re。

本次采用的是单臂电桥。测量前，在电缆的末端用与电缆同型号的跨接线将故障相与非故障相短接，如图1所示。再在电缆首端将非故障相电缆与故障相电缆分别与单臂电桥的x1端和x2端连接，作为电桥的另外两个臂。设电缆的长度为L，故障距离为Lx。当合上电源开关S后，调节电阻r3，当检流计指示平衡时，根据平衡电桥原理，则有：

由式（1）可得：

式（2）即电缆故障距离测量公式。 如图1所示的电桥x1端连接良好相，而x2端连接故障相的接线称为正接法。反之，如将x2端接良好相，x1接故障相，则称为反接法。同理可得，反接法计算公式为：

一般情况下，测量时用正、反接法进行两次测量，取其平均值为电缆故障点的距离，这样可减少测量误差，该种方法也叫正反接线平均法。  

 5 三相电缆两相短路电桥法测量故障距离原理

三相电缆两相短路电桥法测量故障距离原理如图2所示，设BC两相短路。

测量三相电力电缆中两相短路故障距离与测量单相接地故障距离基本相似。如图2所示，采用的是单臂电桥。测量前，任选一条故障相电缆。在电缆的末端用与电缆同型号的跨接线将故障相与非故障相短接，再在电缆首端将非故障相电缆与故障相电缆分别与单臂电桥的x1端和x2端连接，而另一条故障电缆与电源的负极相连再接地。设电缆的长度为L，故障距离为Lx。当合上电源开关S后，调节电阻r3，当检流计指示平衡时，根据平衡电桥原理，则同样可得式（1），因此对应电缆的故障距离也是式（2）。同样也可以用正、反接法进行两次测量，取其平均值为电缆故障点的距离。另外一条电缆的故障距离也是同样的算法。  

 6 现场测试

某市区有一条电压为10 kV的三相铜芯油纸绝缘电缆，全长为1 200 m，在运行中发生故障，电缆截面为3×120mm2。用兆欧表测量电缆各相的绝缘电阻，测量结果如表1所示。后用本文提出的方法，准确计算出了故障点的距离。

本次电缆故障点的距离计算步骤如下：

（1）根据表1发现C相对地的绝缘电阻要比其他相低一个数量级，可判断C相单相接地。

（2）A、C相末端用跨接线连接后，在首端测得整个回路电阻为0.372 Ω。而由电缆参数计算，回路电阻应为R＝ρL/S＝0.0184×（2×1200）/120＝0.368（Ω），铜电阻系数ρ＝0.0184Ωmm2。计算结果与实测结果相似，说明引线接触良好，电缆未发生断线故障。

（3）用电桥法测故障点时，电桥两臂的读数如表2所示。

根据表2的测量结果，由式（2）计算出正接法时，

由式（3）计算出反接法时，

则求正反接线平均法的值：

（4）为了准确反映预测精度，本文采用相对误差（Maximum Percent Error，MPE）作为评价指标来比较几种方法故障距离测量的准确度。MPE表达式为：

式中：y~为测量值；y为实际值。

MPE值越小，表明测量效果越好。

后实地检测发现，故障点的距离为748.6 m，由此可算出正接法、反接法以及正反接线平均法测量故障点距离的相对误差。由式（4）计算得到正、反接法以及正反接线平均法这三种测量方法的相对误差，如表3所示。

由表3可知，正接法测量故障距离的相对误差为3.4%，反接法测量故障距离的相对误差为2.8%；而正反接线平均法测量故障距离的相对误差为0.3%，远低于前两者，是正接法相对误差的约1/11，是反接法相对误差的约1/9。因此，用正反接线平均法测量故障距离更加准确。  

 7 电力电缆故障远程检测系统构建

本系统通过对电缆绝缘电阻及正反接线电阻进行采集和分析，对整个区域电网的电缆故障诊断及故障距离的测量提供数据基础。电力电缆故障远程检测系统结构图如图3所示。

如图3所示，电力电缆故障远程检测系统共分为三个部分：

（1）第一部分为现场层，也是核心层。该层主要负责采集各电缆的绝缘电阻和正反接线电阻r3、r4，用以判断是否有电缆故障以及电缆的故障距离。该部采用多回路绝缘监测单元PMC-512-J进行绝缘电阻测量和其他电阻测量，所采集到的数据通过iSmartGate智能网关进行通信，向远方云端传输。

（2）第二部分为网络层，主要进行网络通信。该部分网络空间有云端数据服务器，进行数据的存储和访问。

（3）第三部分为应用层，该部分主要为电脑终端和用户服务。用户可通过PC电脑、笔记本电脑以及其他移动终端如智能手机，通过网络协议对云端数据服务器的数据进行访问，了解故障电缆以及故障距离，再进行消缺处理。

 8 电力电缆故障远程检测系统工作流程

根据电桥正反接线平均法测量电缆故障距离的原理，结合电缆故障判断和故障距离测量工作的实际需要，对电力电缆故障远程检测系统的工作流程进行分析，结果如图4所示。

 9 多回路绝缘监测单元PMC-512-J

多回路绝缘监测单元PMC-512-J是针对数据中心、光伏发电等高压直流配电系统所开发的一款高性价比的电力监控仪表，支持RS-485通信，具有高通信速率；能测量21路绝缘电阻，存储多达5 000条定时记录；具有多路输入/输出口；其以工业级微处理器为核心，处理速度快，支持多回路测量，具有很高的性价比。

 10 iSmartGate智能网关

（1）随着电子通信技术、物联网、云平台等技术迅速发展，越来越多工业、建筑、电力、交通等大型能源用户希望借助科学的管理手段，对能源进行分布式监测、集中监管，构建能源物联网。

（2）释放数据潜力，能耗采集先行，iSmartGate智能网关作为能耗采集终端与监控平台的数据桥梁，提供连接末端设备和云平台的能力。

（3）具有边缘计算的特点，能就近提供实时高效的数据处理、运算及逻辑编程控制功能，分担主站服务器数据处理压力。

（4）具有链路安全保障和MD5身份认证机制，支持AES、DES等加密算法，TLS安全协议。

（5）支持快速设备接入，有多种通信方式，可快速接入多种末端感知设备。

（6）具有远程配置维护，支持远程配置调试，维护高效。

（7）具有轻量化主站，能以Web方式查看告警信息、实时/历史数据曲线、事件记录等，可构建轻量化小型监控系统。

 11 结语

随着电缆在电力行业的应用日益广泛，电缆故障距离的准确测量越来越重要。本文针对电缆故障距离测量，首先介绍了三相电缆单相接地电桥法测量故障距离原理，然后介绍了三相电缆两相短路电桥法测量故障距离原理，在此基础上提出了正反接线平均法。分别用文中提出的正、反接法以及正反接线平均法这三种测量方法对某市区一条电压为10 kV、发生单相接地故障的三相铜芯油纸绝缘电缆进行故障距离测量，正、反接法测量故障距离的相对误差分别为3.4%、2.8%，而正反接线平均法测量故障距离的相对误差为0.3%，远低于前两者，这也证明了正反接线平均法的有效性和可靠性。最后，构建了电力电缆故障远程检测系统，实现了区域电网的电缆故障远程判断和距离测量，大大提高了电缆故障处理的效率。

审核编辑：汤梓红