一種溝通電氣距離與實際地理距離的電纜故障檢測方法與檢測系統

雒瑞森 朱顏 任品 孫天然

摘要：電纜故障檢測是找出受損電纜，維護電路良好工作，保證市民、企業等用電群體正常工作與生活的重要手段。在介紹目前主流電纜故障檢測方法的基礎上，闡述了一種新的電纜故障檢測方法及電纜故障檢測系統，包括其實施方式、實際優勢以及效果說明。方法包括確定電纜的空間走向，以及根據空間走向確定故障點；系統包括控制機構、定位機構和檢測機構。該方法及系統可更方便、高效、準確地進行電纜的故障定位和修復，特別適用于地下電纜的故障和修復。

關鍵詞：電纜；故障檢測；空間模型；電纜敷設；地理信息系統；GPS/北斗

Abstract：Cable fault detection is an important technology to find out the damaged cable，maintain the good condition of the circuit and ensure a normal status of life and work of electricity consumers such as the public andenterprises. This paper expounded a new method and a new system of cable fault detection by presenting their implementation，effect description and advantages on the basis of introducing current cable fault detection technologies . The method comprises the following steps：determining the spatial direction of the cable and finding out the location of damaged cable according to the spatial direction. The system comprises a control mechanism，a position mechanism and a detection mechanism. The method and the system make it more convenient，efficient and accurate to locate and repair the trouble spot of the cable，and are particularly suitable for the underground cable.

Key words：cable；fault detection；spatial model；cable laying；GIS；GPS/Beidou

直接地找到地下電纜的故障點，提前采取措施應對，以較低的經濟成本保障線路正常工作狀態具有非常重要的實踐意義[1-2]。因此，研究適合電纜（特別是地下電纜）絕緣老化檢測的方法是減少非計劃停電事故以及其他電力事故的有效且急需的手段。本文提供一種電纜故障檢測方法和一種電纜故障檢測系統，其能夠方便地找到電纜的故障點，準確度高，操作簡單，適合各種電纜（特別是地下電纜）的故障檢測；其能夠準確反映電纜的老化及故障情況，便于提前采取措施進行應對和處理，減少電力事故的發生，保證電力系統的安全和穩定；其成本低廉，適合推廣使用，便于對電纜進行維護管理，并為改進電纜的敷設方式起到一定的指導作用。

1 當前主要電纜故障檢測方法簡介

目前，地下電纜系統故障定位主要分為預定位（即測距）和精確定位（即定點）兩個步驟[3]。

預定位主要采用阻抗法或行波法，得到故障點到檢測點的電氣距離，以此得到故障點的大致方位。阻抗法包括電橋法和分布參數計算高阻故障法，而行波法則包括駐波法、低壓脈沖反射法、高壓脈沖電壓法和二次脈沖法。精確定位主要采用聲測法、聲磁同步法、音頻感應法等方法，通過對地下電纜發送信號，再在地面上檢測所需信號的方式進行定位。

以聲測法為例，在測尋電纜故障時，有故障的電纜在加上一個幅度足夠高的沖擊電壓的情況下，故障點會產生閃絡放電，還會有巨大的放電聲產生，而這種聲音能夠傳達到地球表面，通過這個現象來測尋到故障點。此方法所用的定位儀采用高靈敏度的聲電轉換器，先將地面微弱的地震波轉變成電信號，然后利用電晶體放大器將所接收到的電信號進行一定的放大，再利用耳機還原成聲音。但由于環境噪聲的干擾，在實際測尋時增加了辨別的困難。

以聲磁同步法為例，當故障點放電時，利用電磁波和聲波的接收是否同步可以對信號可信度進行判斷。若能檢測到故障點放電電磁波，又能聽到地震波，則放電聲波正在工作。若地震波信號和電磁波同步，則證明所聽到的地震波是可靠的，即可以按照相應的信號來確定故障點的具體位置[4-8]。但是，以上精確定位的方法很容易受外界環境的干擾，尤其是在城市中，聲音與電磁噪聲極大，對測量工作極易產生干擾，很難測得地下發出的微小信號。

此外，越是功能強大的信號檢測裝置價格越昂貴，操作越復雜，不利于大面積推廣，而且一旦測尋人員操作儀器的經驗不足，測尋方法不妥，造成故障點誤判或者是長時間找不到故障點，故障維修的時間延遲所造成的經濟損失和社會成本將難以估計。

特別是在具有城市化背景的今天，在城市中進行電纜（特別是地下電纜）的故障檢測十分不方便。而且礙于市民的正常生活，檢測工作的進度經常被拖得很慢，對維護電力系統的安全穩定造成了相當大的阻礙，所需要投入的時間成本也非常高。并且在城市中進行電纜故障點的預定位和精確定位操作難度非常大，且礙于城市本身存在大量的電磁噪聲及震動噪聲，使得現有的檢測技術難以實施。但是，城市一旦發生大面積電力事故，造成的損失又是不可估計的，這一系列的矛盾使得目前的電纜檢測、檢修工作的開展十分焦灼。

2 一種新的電纜故障檢測方法及系統

2.1 實施方式

該方法包括以下步驟：確定電纜的空間走向；檢測故障點與檢測點之間的電氣距離；以及根據空間走向確定故障點。其中，沿空間走向，故障點同檢測點之間的距離等于電氣距離，即以檢測點為起點，沿著電纜行走一個電氣距離長度后到達終點，而這個重點就是我們所找的故障點。

進一步地，確定電纜的空間走向包括：確定電纜的空間模型和空間模型的模型比例。根據空間走向確定故障點包括：確定檢測點在空間模型中所對應的模型檢測點。根據空間模型確定模型故障點，沿空間模型的走向，模型故障點同模型檢測點之間的距離等于電氣距離同模型比例的乘積。確定模型故障點相對模型檢測點的方位以及模型地面距離。故障點相對檢測點的地面距離為模型地面距離同模型比例的比值。

需要說明的是，電纜的空間模型根據實際情況可以是二維模型或三維模型，也可以是結合敷設時的圖紙信息得到的電纜分布信息。例如：可以在電纜的纜敷設過程中同時采集得到，也可以后續利用路徑儀等探測儀器補充得到。

電纜故障檢測方法在檢測得到電氣距離之后，把故障點的精確定位放到了電纜的空間模型上進行，以電纜的空間模型上的電纜距離（或長度）來反映故障點的位置，通過模型比例進行換算，進而得到故障點的實際位置，從而便于維護人員進行精確維護。相比于傳統方法而言，電纜故障檢測方法在進行故障點的精確定位時，是以電纜的空間模型為媒介進行確定，這個過程本身不會受到來自于外界的噪聲的干擾，從而能夠保證具有較高的準確性，有助于維護人員進行精確施工，避免施工和檢修的盲目性。

進一步地，確定電纜的空間走向還可以是包括：確定電纜的空間模型、空間模型的模型比例、以及空間模型所對應的經緯度信息。相應地，根據空間走向確定故障點還可以是包括：確定檢測點在空間模型中所對應的模型檢測點。根據空間模型確定模型故障點，沿空間模型的走向，模型故障點同模型檢測點之間的距離等于電氣距離同模型比例的乘積。確定模型故障點所對應的經緯度，按經緯度直接準確地確定故障點。

需要說明的是，空間模型所對應的經緯度信息是指電纜的實際經緯度位置。

通過以上設計，通過在建立空間模型的同時將電纜的經緯度分布情況同空間模型對應起來，通過從空間模型確定模型故障點之后，利用模型故障點所對應的經緯度信息來找到電纜故障點的實際位置，以便于維護人員準確施工，使尋找故障點更加直接、方便。

進一步地，根據空間走向確定故障點還包括：利用定位裝置結合經緯度找出故障點。定位裝置可以是GPS定位裝置或北斗星定位裝置等。而且還可以為定位裝置匹配導航裝置，利用導航裝置自動尋路并引導檢修人員前往故障點，這大大提高了尋找故障點的準確性和便利性。

進一步地，考慮到地下電纜具有一定的縱深和敷設深度，確定電纜的空間走向還包括：確定空間模型所對應的深度信息。相應的，根據空間走向確定故障點還包括：確定模型故障點所對應的深度，按經緯度和深度確定故障點。

通過同時將地下電纜的實際深度同空間模型匹配起來，使得在確定模型故障點之后能夠同時得到模型故障點所對應的深度信息，從而使得維護人員能夠在到達故障地點之后挖掘相應的深度，以準確地對地下電纜進行維護，進一步提高施工的準確性。同時，該方式還能夠避免出現在同一經緯度位置的不同深度具有多跟電纜而導致無法確定故障點位于哪根電纜的問題，確保了施工的準確性，并且大大減少了維護人員尋找故障點的所需的時間。特別適合地下電纜的的維護。

進一步地，對于電纜的低阻故障和短線故障，可以采用低壓脈沖反射法確定檢測點與故障點之間的電氣距離。對于電纜的高阻故障，可以采用高壓脈沖電流法、高壓脈沖電壓法或二次脈沖法中的至少一者確定檢測點與故障點之間的電氣距離。

具體地，對于低壓脈沖反射法，一般是向故障電纜注入一個低壓脈沖使其在電纜中傳播，記錄發射脈沖和故障點反射脈沖之間的時間差△t，已知脈沖在電纜中的波速度為v，則檢測點到故障點的電氣距離就等于v△t/2。

對于高壓脈沖電壓法，一般是由直流高壓或脈沖高壓信號擊穿電纜故障點，利用放電電壓脈沖在檢測點與故障點之間往返一次的時間來測量電氣距離。

對于高壓脈沖電流法，一般是采用線性電流耦合器采集電纜中的電流行波信號，將電纜故障點用高壓電擊穿，使用儀器采集并記錄擊穿故障點所產生的電流行波信號，通過分析判斷電流行波信號在檢測點與故障點往返一次所需的時間來計算電氣距離。

對于二次脈沖法，一般是通過高壓發生器向發生了高阻故障的電力電纜系統施加高壓脈沖，使故障點出現弧光放電而呈低阻特性。此時通過耦合裝置向電纜中注入一個低壓脈沖信號，記錄此時的低壓脈沖反射波形（稱為帶電弧波形）。在電弧熄滅后，再注入一個低壓脈沖信號，記錄此時的低壓脈沖反射波形（稱為無電弧波形）。將帶電弧波形和無電弧波形進行比較，兩個波形在相應的故障點位置上將明顯不同，波形的明顯分歧點就是故障點的反射波形點[9]。從而依據反射波形點計算電氣距離。

需要說明的是，在測量電氣距離之前，要先確定電纜的故障性質。確定故障性質采用的一般方法是：用絕緣電阻表分別測量線芯對地絕緣電阻和相間絕緣電阻或在電纜遠端將三相短路，在近端用萬用表測量相間導電電阻。從而判斷故障的性質是接地、短路、斷線，還是它們的混合；是單相、兩相，還是三相故障；是高阻、低阻、還是閃絡性故障[10]。

本文還提供一種電纜故障檢測系統，其包括：控制機構、定位機構和檢測機構。定位機構和檢測機構均與控制機構通訊連接。檢測機構用于檢測故障點與檢測點之間的電氣距離并將電氣距離反饋至控制機構?？刂茩C構用于根據電纜的空間走向確定故障點并將故障點的位置信息反饋至定位機構。定位機構用于根據位置信息確定故障點的實際地理位置。其中，沿空間走向，故障點同檢測點之間的距離等于電氣距離。

電纜故障檢測系統利用檢測機構來檢測故障點與檢測點之間的電氣距離并將電氣距離反饋至控制機構；利用控制機構根據電纜的空間走向找出同檢測點的距離等于電氣距離的故障點，并將故障點的位置信息發送至定位機構，用于根據位置信息確定故障點的實際地理位置，以便于檢修人員進行準確施工。

電纜故障檢測系統能夠實現電力系統監測工作的明確分工，檢測人員利用檢測機構確定故障點與檢測點之間的電氣距離，經控制機構處理反饋后，檢修人員則利用定位機構來找到故障點的具體位置開展檢修工作。這樣大大提高了檢測和檢修之間的協調性，使得檢測和檢修能夠同時開展，大大提高了電力系統維護的工作效率，能夠更加迅速地對電纜故障進行應對和處理。

電纜故障檢測系統在進行故障點確認時，不會受到城市中的震動噪聲和電磁噪聲的干擾，所確定的故障點具有更高的準確性，便于維護工作的準確、順利進行。此外，電纜故障檢測系統無需使用現有技術中的精確定位裝置和設備，節約了實施成本。

需要說明的是，檢測機構可以是能夠利用低壓脈沖反射法來檢測檢測點與故障點之間電氣距離的裝置，也可以是能夠利用高壓脈沖電流法、高壓脈沖電壓法或二次脈沖法來檢測檢測點與故障點之間電氣距離的裝置。

進一步地，控制機構可以用于儲存電纜的空間模型、空間模型的模型比例、空間模型所對應的經緯度信息和空間模型所對應的深度信息，并利用由檢測機構檢測到的電氣距離沿空間模型找出故障點所對應的經緯度信息和深度信息，然后把故障點所對應的經緯度信息和深度信息反饋給定位機構?？刂茩C構則可以是POC系統或其他能夠實現。

定位機構可以是GPS定位裝置或北斗星定位裝置，并可以匹配一個導航裝置。定位機構接收到由控制機構反饋的故障點的經緯度信息和深度信息之后，利用導航裝置自動尋路并引導檢修人員前往故障點，到達故障點后，檢修人員便可依據深度信息對相應深度的電纜進行檢修維護。這大大提高了尋找故障點的準確性和便利性。

2.2 舉例說明

為了更清楚地說明該種技術方案，下面將結合圖像對該方案作簡單的介紹。

如圖1所示，A點為電纜的模型檢測點，其對應的模型地面點為a點。模型比例為Y。

檢測到的檢測點和故障點之間的電氣距離為L，在圖1中的空間模型中確定檢測點所對應的模型檢測點A之后，以A為起點，沿著空間模型中的電纜向前移動L1長度，其中，L1=L·Y。移動上述距離之后到達B點，B點即為模型故障點，其對應的模型地面點為b點。

此時在圖1中的空間模型中檢測b相對于a的方位和模型地面距離。其中，角P為20°。那么，b則位于a的東偏南20°的方向，且a和b的模型地面距離為L2。

由此可以得出，實際故障點位于實際檢測點的東偏南20°方向，且實際故障點與實際檢測點之間的地面直線距離為L2/Y。至此，便確定了實際故障點相對實際檢測點的具體位置。此時，利用該位置信息便可直接找到故障點進行維護。

2.3 研究價值

此種電纜故障檢測方法能夠較好地解決目前的電纜故障檢測方法中存在的問題，本方法以電纜的空間走向為“橋梁”，通過按照電纜的空間走向來找出同檢測點的距離等于電氣距離的故障點。利用本方法進行故障點定位時，只需檢測出故障點同檢測點之間的電氣距離（即預定位），無需進行現有技術中的精確定位操作，本方法中的精確定位的具體操作是：按照電纜的空間走向，確定同檢測點的距離等于電氣距離的目標點，而這個目標點就是故障點。與現有技術相比，本方法無需進行現有技術中的精確定位操作，節約了相應的設備成本。同時本方法是以電纜的空間走向為“橋梁”，不會受到城市中的震動噪聲和電磁噪聲的干擾，相比于現有技術，本方法具有更高的準確性。此外，本方法進行精確定位時，不會受到場地、市民正常生活的干擾，大大提高了可操作性。電纜故障檢測方法能夠大大提高對電纜故障檢測的效率，便于快速確定電力系統的故障點，以便于及時處理，防止發生電力事故。同時也便于快速掌握整個電力系統的“健康狀況”，便于為后續管理提供參照和指導。電纜故障檢測方法以更加便捷、低廉的方式實現了對電力系統快速、準確的檢測和管理，對于城市的電力系統維護工作而言具有重要意義。

此種電纜故障檢測系統利用檢測機構來檢測故障點與檢測點之間的電氣距離并將電氣距離反饋至控制機構；利用控制機構根據電纜的空間走向找出同檢測點的距離等于電氣距離的故障點并將故障點的位置信息反饋至定位機構；而定位機構則用于根據位置信息確定故障點的實際地理位置，以便于檢修人員進行準確施工。

電纜故障檢測系統能夠實現電力系統監測工作的明確分工，檢測人員利用檢測機構確定故障點與檢測點之間的電氣距離，經控制機構處理反饋后，檢修人員則利用定位機構來找到故障點的具體位置開展檢修工作。這樣大大提高了檢測和檢修之間的協調性，使得檢測和檢修能夠同時開展，大大提高了電力系統維護的工作效率，能夠更加迅速地對電纜故障進行應對和處理。

電纜故障檢測系統在進行故障點確認時，不會受到城市中的震動噪聲和電磁噪聲的干擾，所確定的故障點具有更高的準確性，便于維護工作的準確、順利進行。此外，電纜故障檢測系統無需使用現有技術中的精確定位裝置和設備，節約了實施成本。

3 總結與展望

總體而言，此種電纜故障檢測系統能夠方便地找到電纜的故障點，準確度高，操作簡單， 適合各種電纜（特別是地下電纜）的故障檢測。其抗干擾性好，能夠準確反映電纜的老化及故障情況，便于提前采取措施進行應對和處理，減少電力事故的發生，保證電力系統的安全和穩定，特別適合在城市中使用。同時其檢測和維護工作能夠同時開展，具有更高的工作效率，而且成本低廉，適合推廣使用，便于對電纜進行維護管理，并為改進電纜的敷設方式起到一定的指導作用。

在實施的過程中，最理想的方式是在敷設電纜時即考慮到故障檢測的方便，同時記錄下電纜的空間模型，保存到專門的數據庫以供日后使用。這一系列操作需要一套行之有效的操作規范進行規范指導。

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