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普景電力電纜故障探測培訓(xùn)教程-基礎(chǔ)理論(3)
脈沖反射法(雷達(dá)反射)基礎(chǔ)理論介紹 :
目前,,現(xiàn)場上主要是通過測量低壓輸入脈沖或故障點(diǎn)放電脈沖在故障點(diǎn)與測量端之間的傳輸時(shí)間測量電纜故障距離,,下面主要介紹電壓,、電流波在電纜線路里的傳播過程,以便使讀者更好地了解基于電壓、電流波傳播原理的電纜故障測距技術(shù)。
一,、長線的基本概念以及等效電路
電力電纜是傳輸線的一種。傳輸線本身的長度與它所傳播的信號波長相比擬時(shí),,稱為長線,。對電纜中的脈沖電壓、電流波而言,,其脈沖寬度不足一個(gè)微秒,。而波在一微秒時(shí)間內(nèi)的傳播距離僅二百米左右,所以有必要把電纜線路看成長線,,來研究電壓,、電流波的傳播過程。
電纜線路(以下簡稱電纜)可看成由許許多多電阻R,、電導(dǎo)G,、電容C與電感L元件(等效元件)相聯(lián)接組成的,這些元件稱為電纜的分布參數(shù),。一小段電纜的等效電路如圖1所示,。
圖1 一小段電纜的等效電路
當(dāng)信號電流流過每一段電路上的串聯(lián)電阻R與電感L時(shí),就會產(chǎn)生電壓降,,信號電流在每一段線路上還會通過電容C與電導(dǎo)G從中途返回。如果忽略線路的傳播損耗,,即令R=G=0,,則線路稱為無損耗線路,,其單位長度上電容、電感值分別用C0與L0表示,。除特殊說明外,,本文討論的線路均指的是這種無損耗線路。
分布參數(shù)線路上任一點(diǎn)電壓,、電流值實(shí)際上是許多個(gè)向兩個(gè)不同的方向傳播的電壓,、電流波數(shù)值的代數(shù)和。這些電壓,、電流波以一定的速度運(yùn)動(dòng),,因此稱為行波。我們把運(yùn)動(dòng)方向與規(guī)定方向一致的行波,,叫正向行波,,而把運(yùn)動(dòng)方向與規(guī)定方向相反的行波叫反向行波。
假定有一電纜線路MN如圖2所示,,規(guī)定距離坐標(biāo)X的方向從M端到N端,,則線路上向著N端運(yùn)動(dòng)的波叫正向行波,而向著M端運(yùn)動(dòng)的波叫反向行波,。
圖2 正向與反向行波
我們把電纜看作長線來分析,,在長線上,沿長線各點(diǎn)的電壓,、電流一般情況下都是隨時(shí)間變化的,,是不相等的。而在短線上,,各點(diǎn)的電壓,、電流大小可以近似的認(rèn)為是相同的。
脈沖電磁波總有一定的寬度,,若在一定的時(shí)間內(nèi),,發(fā)射脈沖和反射脈沖相互重疊,就無法區(qū)分開來,,因此就無法形成長線傳輸,,就不能測試距離,所以,,根據(jù)脈沖反射原理研制的電纜故障閃絡(luò)測試儀(簡稱閃測儀),,就有一定的測試盲區(qū)。
二,、 電纜中的波速度與波阻抗
1. 波速度
行波從電纜一端傳到另一端需要一定的時(shí)間,,電纜長度與傳播時(shí)間之比,稱為波速度V,。
經(jīng)分析可知,,電纜中行波的波速度可表示為:
其中:S=3×108米/秒,,是光的傳播速度;
μ為電纜芯線周圍介質(zhì)的相對導(dǎo)磁系數(shù),;
ε為電纜芯線周圍介質(zhì)的相對介電系數(shù),。
可見,電纜中波速度只與電纜的絕緣介質(zhì)性質(zhì)有關(guān),,而與導(dǎo)體芯線的材料與截面積無關(guān),。對于由不同導(dǎo)體材料制成的電纜,只要絕緣介質(zhì)相同的,,其波速度是不變的,,這一點(diǎn)必須注意,因?yàn)椴簧偃讼氘?dāng)然地認(rèn)為電纜的波速度受芯線的材料與截面積影響,。
經(jīng)過大量測量試驗(yàn),,得出得四種常用的高壓電纜的電磁波傳輸速度為:
油浸紙電纜: V=160m/微秒;
交聯(lián)聚乙烯電纜:V=172m/微秒,;
聚氯乙稀電纜: V=184m/微秒,;
不滴流油電纜: V=144m/微秒。
真空中,,電波的傳輸速度為V=300m/微秒,,為zui高傳輸速度。
但必須注意,,電纜的傳輸速度是隨電纜運(yùn)行時(shí)間的變化有一定的變化,,特別是新型號的交聯(lián)電纜,因?yàn)榻^緣材料配方的差異,,傳輸速度就會有所不同,。對于低壓電力電纜,絕緣材料差異更大,,所以速度就差別更大,。一般橡膠絕緣的低壓電纜,傳輸速度為200 m/微秒左右,;三芯交聯(lián)低壓電纜,,傳輸速度140-150 m/微秒左右;單芯交聯(lián)低壓電纜,,傳輸速度zui小的可達(dá)100 m/微秒左右,;兩根以上的地埋電線,傳輸速度一般為110 m/微秒左右(與當(dāng)?shù)赝寥烙嘘P(guān)),??傊?dāng)有條件知道電纜長度時(shí),,故障測試前先驗(yàn)證測試一下該電纜的傳輸速度,,以便測試的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確,。
2. 波阻抗
電纜中的電壓波在向前運(yùn)動(dòng)時(shí),對分布電容不斷充電產(chǎn)生伴隨的向前運(yùn)動(dòng)的電流波,,一對電壓、電流波之間的關(guān)系,,用波阻抗(也稱特性阻抗)Z0來描述,。
經(jīng)分析可知,電纜的波阻抗可表示為:
L0,、C0除與電纜所用介質(zhì)材料,、介電系數(shù)與導(dǎo)磁系數(shù)有關(guān)外,還與電纜芯線的截面積和芯線與外皮之間的距離有關(guān),。所以,,不同規(guī)格和種類的電纜,其波阻抗也不同,。電纜芯線截面積越大,,波阻抗值越小。一般電力電纜的波阻抗值在10-40歐左右,。
判斷電纜故障為高阻故障還是低阻故障,,是以特性阻抗R0為分界線,故障電阻大于特性阻抗就為高阻故障,,小于特性阻抗就為低阻故障,。當(dāng)然,好電纜上各點(diǎn)的等效阻抗都與特性阻抗相等,。
三,、反射系數(shù)
電波在電纜中傳輸時(shí),遇到阻抗不匹配的地方,,就會發(fā)生反射,,反射波形的幅度大小與正負(fù),與反射系數(shù)P有關(guān),。所謂反射系數(shù)P,,是指傳輸線中某一點(diǎn)的反射波電壓V反(或反射波電流I反)與入射波電壓V入(或入射波電流I入)之比,用公式表示為:
經(jīng)過推導(dǎo)后,,得出反射系數(shù)的計(jì)算公式為
式中,,RL為傳輸線故障點(diǎn)的阻抗;
R0為傳輸線的特性阻抗,。
下面我們分三種情況進(jìn)行分析:
1,、電纜終端開路情況
電纜終端開路,即負(fù)載電阻為無窮大,,RL=∞ ,,代入公式計(jì)算,,R0可以忽略不計(jì),便有RL=+1,。
在這種情況下,,脈沖發(fā)射波形就和脈沖反射波形同向,都為正向波形(我們的閃測儀發(fā)射脈沖定義為正向波形,,波形參考說明書圖8.1),。
2、電纜終端短路情況
終端短路,,即負(fù)載電阻為零,,RL=0 ,代入公式計(jì)算,,便有RL=-1,。
在這種情況下,脈沖發(fā)射波形就和脈沖反射波形反向,,一次反射波形為負(fù)向波形,,二次反射波形又為正向波形,依此類推(波形參考說明書圖8.2),。
3,、電纜有故障的情況
這種情況分為兩種情況:
(1)、當(dāng)RL> R0時(shí),,則反射系數(shù)0<P<1,所以,,反射波與入射波同極性,并且反射波比入射波的幅度要?。úㄐ螀⒖颊f明書圖8.1),。
(2)、當(dāng)RL< R0時(shí),,則反射系數(shù)-1<P<0,所以,,反射波與入射波極性相反,并且反射波比入射波的幅度要?。úㄐ螀⒖颊f明書圖8.2),。
需要說明的是:有關(guān)不同的反射系數(shù)的波形反射情況,是針對低壓脈沖法測試,。對于高壓閃絡(luò)法測試時(shí)的波形反射情況,,由于情況更加復(fù)雜,波形反射情況與低壓脈沖有很大不同,,但原理相同,,波形分析時(shí)要加以區(qū)別。