一條 10 千伏電纜接地跳閘,測距儀打出來的波形上,故障點的反射脈沖朝著與發射脈沖相反的方向跳一下,光標卡在那個拐點上,距離直接讀出來。換一條線路,同樣是接地跳閘,波形上卻只有發射脈沖和末端一個大反射,中間干干凈凈,什么也找不著。兩次故障的現象寫在調度記錄里幾乎一樣,落到波形上卻是兩種完全不同的東西。
差別不在儀器,也不在操作手法,而在故障點當時到底導不導通。波形判讀這件事,表面上是在量兩個拐點之間的時間差,往里看一層,其實是在判斷故障的性質。性質認錯了,方法便跟著選錯,量得再準也沒有意義。
現行行業標準 DL/T 849.1-2019 針對的是電纜故障閃測儀,它把這類儀器的原理概括為基于行波測距,主要用于電纜故障的粗測定位。附錄里給出的故障距離計算式很簡單:故障點與測試端的距離,等于脈沖傳輸波速度乘入射脈沖與反射脈沖的時間差,再除以二。
式子里的三個量,兩個從波形上讀,一個靠人去設。麻煩恰恰出在靠人去設的那一個。
時間差是從波形上量出來的,只要波頭認得準,這個數靠得住。真正讓人心里沒底的是波速度,即脈沖在這條電纜里跑得到底有多快。交聯聚乙烯絕緣的電纜,這個量大致在一百七十米每微秒上下,可它取決于絕緣材料的相對介電常數,而介電常數又跟著材料配方走,也跟著老化程度與敷設環境走。同一條線路的前后兩段,截面變了,絕緣配方變了,波速度也跟著變。
標準想到了這一層。附錄里緊接著給出反算的辦法:在知道電纜全長的前提下,用全長與入射脈沖、反射脈沖的傳輸時間差,把脈沖傳輸波速度反過來算出來,再拿這個波速度去算故障點。這一步在現場被跳過的次數,遠超它應當被跳過的次數。
難點不在量時間,也不在設波速,而在認出波形上那幾個拐點里,哪一個才是故障點的反射。中間接頭會反射,電纜換位的部位會反射,末端會反射,鄰近運行線路耦合進來的干擾也會堆在波形上。把這些統統當成故障點,開挖的時候便挖錯地方。這筆賬劃不來。
DL/T 849.1-2019 的附錄里寫得明白:通過識別反射脈沖的極性,可以判定故障的性質。低阻與短路故障的反射脈沖,極性與入射脈沖相反。開路故障的反射脈沖,極性則與入射脈沖相同。這兩句話是波形判讀里少有的成文依據,其余流傳的說法多是現場經驗的歸納,分量不一樣。
行波沿著電纜往前走,遇到阻抗突變的地方,便會有一部分折回來。故障點把導體和地、或者把兩相導體短接在一起,行波走到這里感受到的等效阻抗遠低于電纜本身的波阻抗,折回來的那一部分便翻了個方向。故障電阻越小,翻得越徹底,反射的幅度也越接近入射波。
金屬性短路把這種情形推到了頭。故障電阻接近零,入射波幾乎整個被翻過來送回測量端,波形上表現為一個幅度很高、方向相反、頂部平展的臺階,拐點銳利。低阻故障沒有這么干凈。故障電阻有幾十歐的時候,反射幅度明顯矮一截,拐點也不那么銳利,有時候帶一點圓角,后端還會拖出一小段起伏。
中間接頭的位置阻抗本來存在變化,波形上同樣會出現一個反射,形狀與低阻故障的反射很接近。分辨的辦法不在波形本身,而在資料:把反射位置與竣工圖上的接頭位置對一遍,對得上的多半是接頭,對不上的才值得懷疑。同一條電纜的完好相也可以拿來比對,完好相在同一位置有同樣的反射,那便是接頭的結構反射,不是故障。這一步省不得。
高阻故障用低壓脈沖法測,波形上常常是這樣一幅畫面:發射脈沖之后一路平靜,直到電纜末端才出現一個與入射同極性的反射,故障點該在的位置上什么也沒有。
原因不在儀器。低壓脈沖的發射電壓只有幾十伏,云長標的是三十伏,這點電壓加到故障點上,故障通道壓根建立不起來。絕緣受潮也好,碳化通道也好,放電間隙也好,在低電壓下都不導通,行波走到這里感受不到足夠的阻抗變化,自然沒有反射可看。
這幅波形不是白測的。末端反射的位置給出的是電纜全長,正好可以拿來核對檔案,也正好可以用來反算波速度。有經驗的班組在遇到高阻疑似的線路時,會先打一次低壓脈沖,目的不是為了找故障,而是為了把全長與波速度先落實下來。
DL/T 849.1-2019 在概述里把分工講清楚了。閃測儀一般具有低壓脈沖法、脈沖電流法和弧反射法三種測量模式。低壓脈沖法測量模式下,可實現對開路、低阻、短路故障距離的探測。脈沖電流法和弧反射法測量模式下,閃測儀借助直流高壓電源,可實現對高阻故障距離的探測。
換成現場的話說,故障點不導通,便用高壓把它打通,在打通的那一瞬間再去看行波。
現場流傳著一個說法:故障電阻一百歐以下算低阻,以上算高阻。這個說法有用,卻要明白它的來歷。翻遍現行標準,找不到任何一處給出過這個數值,它是長期測尋實踐歸納出來的經驗參考。而且它并不嚴謹:同樣是一百歐的故障電阻,在波阻抗十幾歐的小截面電纜上與在波阻抗四十歐的大截面電纜上,反射行為并不相同。
更貼近實際的說法是這樣:用低壓脈沖法打一遍,波形上能清楚認出故障點反射的,走低壓脈沖這條路,認不出來便上高壓方法。這條判據不依賴任何一個具體數字,也不受電纜規格牽動。
同一個故障點,把發射脈沖的寬度調一調,波形能變個樣子。窄脈沖陡,兩個靠得很近的反射能分開,代價是能量小、跑不遠,末端反射常被噪聲蓋住。寬脈沖傳得遠,末端反射清清楚楚。代價是它占的時間長。故障點離測試端太近時,反射會整個埋進發射脈沖里,這一段便成了盲區。
儀器的發射脈沖寬度給一段可調范圍,用意正在這里。測短段、要分辨近處的東西,把寬度壓窄。測長線路、要找末端,把寬度放開。云長給出的范圍是從四十納秒一直到二十點五微秒,兩端差出五百多倍,覆蓋的正是這兩類需求。方向別搞反。盲區兩米這個指標,也是在窄脈沖那一端才有的條件。
閃絡性故障有個鮮明的特點。平常狀態下絕緣電阻很高,用兆歐表搖,讀數與完好電纜沒有區別。可一旦做耐壓試驗,電壓升到某個數值,監視泄漏電流的表計讀數突然往上沖,指針來回擺動,電壓稍往下降,這個現象便消失,絕緣又回到高阻狀態。
它同高阻泄漏性故障的差別,不在阻值高低,而在放電通道能不能維持。泄漏性故障的通道是穩定的,阻值雖高,卻是個定值。閃絡性故障沒有形成真正的電阻通道,只有放電間隙或者閃絡表面,擊穿是一瞬間的事,滅掉之后又恢復原狀。
常態下測,它的波形與開路故障幾乎沒有區別。中間沒有故障反射,末端一個同極性反射。只盯著這一條波形看,很容易得出電纜沒有問題的結論。這類誤判在現場并不少見,尤其是在故障后并未立刻停電、絕緣電阻已經自行恢復的線路上。
對付它要靠高壓。標準里的脈沖電壓法分作兩種,直流高壓閃絡測試法與沖擊高壓閃絡測試法,現場簡稱直閃法與沖閃法。直閃法靠調壓器把儲能電容器上的電壓一點點升上去,升到故障點擊穿為止,抓的是持續放電產生的行波,波形周期規整,重復性好。沖閃法是給一個沖擊,故障點擊穿一次,波形上頭一個波頭格外陡,后面拖著一段衰減振蕩。
標準里同時提到,脈沖電壓法由于儀器側與高壓電源部分有直接電氣連接,存在安全隱患,目前已逐步淘汰。所以現在的做法普遍是脈沖電流法,通過電流耦合器拾取信號,測量端與高壓隔開。
閃絡性故障有個麻煩:電弧維持不住。波形抓不全,測量便不穩定,同一條線路連打幾次,讀數能差出不少。這時候把沖擊能量加大、把儲能電容的容量調上去,讓擊穿更充分一些,往往比反復重測更有效。
施加高壓之后故障點擊穿,擊穿的瞬間故障點被電弧臨時短接,等效于在那里接入一個很低的阻抗。這個突變產生一個行波,沿著電纜往測量端跑,到了測量端再折回故障點,故障點的電弧此時還在,于是又折回來。行波便在測量端與故障點之間來回跑,每跑一個來回,波形上便多一個突跳。
測距要的是行波跑一個來回的時間,即相鄰兩個同極性突跳之間的間隔。這條規則看著簡單,出錯的人卻不少,常見的錯法是把擊穿的那一刻當成起點,量到頭一個突跳,認為那是一個來回。實際那只是半個來回,算出來的距離只有真實值的一半。
直閃法要求故障點在直流電壓下能持續放電,泄漏性故障對得上這個條件,波形也規整,讀數穩定。沖閃法不挑故障類型,應用面寬得多,代價是波形帶衰減振蕩,緊隨其后的幾個波頭容易被振蕩淹沒,數錯的概率上升。
儀器給出的增益調節范圍只是可用余地。余量不是目標。增益開過頭,背景噪聲一起被放大,噪聲頂上的毛刺看著也像波頭,光標卡上去,讀數便偏了。穩一點的做法是這樣:先壓增益,看清起始那一段波頭,再往回退一點。
弧反射法在標準里的定義是這樣的:向電纜施加直流高壓,使故障點出現弧光接地,在燃弧時和電弧熄滅后,分別注入低壓脈沖信號,通過比較測試波形得出故障距離。它又叫二次脈沖法或者多次脈沖法。
這個方法對判讀的友好之處在于,它不要求你去數波頭。屏幕上留下兩條波形:燃弧期間打的那一條,故障點被電弧短接,波形呈低阻故障的特征,反射與入射極性相反。電弧熄滅后打的那一條,故障通道重新斷開,波形上沒有故障反射。兩條波形從某一點開始分開,那個分叉點的位置,便是故障點。
分叉點再清楚,也得先抓到燃弧的那一刻。閃絡性故障的電弧維持時間很短,往往低壓脈沖還沒打完,弧已經滅了,抓到的兩條波形幾乎重合,分叉點看不出來。這類情形下,脈沖電流法反而更可靠。
有些儀器支持把幾次測量存下來的波形同屏比對,這個功能看著不起眼,判讀的時候卻能省不少事。同一個故障點在不同方法下給出的位置對不對得上,比一比便知道。對不上,說明至少有一次判讀出了問題,值得回頭重來。
同樣是行波跑完一個來回的時間差,波速度設成一百五十與設成一百八十,算出來的距離便差出百分之二十。一條一千米的線路上,這便是兩百米的差距,足夠讓開挖隊伍挖錯兩個工井。
這個量不是一個可以憑手感填的數,它由絕緣材料的相對介電常數決定,等于光速除以介電常數開方。交聯聚乙烯的介電常數在二點三到二點五之間,算出來的波速度便落在一百七十米每微秒附近。油紙絕緣的介電常數更高,波速度反而更低。敷設年頭久的電纜,絕緣老化會改變介電常數,拿新電纜的波速度去套老線路,本身便帶著偏差。
前文提到的那條反算式,操作起來并不復雜。先在完好相或者同型號的健康電纜上打一次低壓脈沖,用已知長度與末端反射的時間差把波速度算出來,再拿這個波速度去測故障相。多花五分鐘,省掉的是后面幾十米的反復。
一條線路里如果既有電纜又有架空,或者前后兩段截面不同,一個波速度便不能覆蓋全程。這時候分段反算更穩妥,先把每一段的長度與波速度分別落實,再按段去折算故障點落在哪一段。省掉這一步,誤差會在長線路上被放大。別圖省事。
測距儀上通常給出一段可設定的波速度區間,覆蓋范圍比實際可能用到的寬。設定之前先算一個值,比在區間內來回試更省時間,也更容易在報告里交代清楚這個數是怎么來的。
DL/T 849.1-2019 對閃測儀的計量性能有明確規定。單端測距的故障測試區間不小于二十公里,測距盲區不大于二十米,故障距離的測量誤差不超過 ±(0.5%·L+1 m),光標移動步長也有相應要求。這幾條是選型時可以直接拿來對的參數。它同時規定了工作環境條件為負二十五攝氏度到正五十攝氏度、相對濕度不大于百分之九十,以及電池供電時持續工作時間不少于四小時。
JJF 2407.1-2026《電纜故障測試儀校準規范 閃測儀》于 2026 年 6 月 25 日發布,2026 年 12 月 25 日實施,適用于電纜故障閃測儀的校準,引用 DL/T 849.1-2019 作為計量特性依據。它目前處于已發布待實施的狀態,談校準溯源時可以作為依據,談當下在用的檢定要求時,還得看主管部門的安排。
這份校準規范的附錄里還有一種有意思的裝置,電纜故障模擬裝置。它由電容、電感與電阻這些集中參數器件組成 π 型網絡,用來模擬實物電纜的分布參數,能模擬出開路、低阻、高阻與短路接地這幾類常見故障。有了它,訓練不必等真故障上門。波形判讀這門手藝,因此有了可復現的練習對象。
北京康高特(KGT)自研的云長高精度電纜故障測距儀,測距范圍一百公里,測距盲區兩米,故障距離測量誤差為 ±(0.5%·L+1 m),適用范圍標注為 L 不小于二十米。與產品標準對照,前兩項都優于標準給出的要求,誤差一項與標準一致。波形采樣率為 400 MHz 實時采樣,低壓脈沖發射脈沖寬度 40 ns 至 20.5 微秒可調,波速度設定范圍覆蓋 100 m/μs 至 300 m/μs,信號增益調節范圍 70 dB,低壓脈沖發射電壓 30 V,波形可存一百條。
它列出的測量方法有四種:低壓脈沖法、脈沖電流法(配合高壓脈沖電源)、多次脈沖法、衰減法。適用的故障類型覆蓋低阻短路、低阻接地、斷路、閃絡性、泄漏性這幾類,間歇性故障也在其列,適用電壓等級從 380 伏一直到 220 千伏。低壓脈沖法下有一鍵自動測試,儀器自己挑選合適的范圍與增益,直接給出故障距離,判讀的門檻由此低了不少。
±(0.5%·L+1 m) 里的 1 m 是固定項,與長度無關。一千米的線路上,誤差限是五米加一米共六米,固定項占六分之一。一百米的短段上,誤差限是零點五米加一米共一點五米,固定項占到三分之二。短電纜測距的相對誤差偏大,根源便在這里。這不算毛病。
某條 10 千伏電纜線路單相接地跳閘,先在變電站側打低壓脈沖,波形上看到一個與入射反極性的反射,光標卡在二百八十五米。翻竣工圖,距離起點二百八十三米處有一個中間接頭。兩個數字差兩米,落在誤差限以內,判斷為接頭內部故障。開挖后確認,接頭進水碳化,故障電阻測出來二十幾歐,屬低阻。
這一次判讀的關鍵不是量得準,而是把反射位置與接頭臺賬對了一遍。若直接按二百八十五米開挖,也在同一個工井附近,結論不會錯。若把接頭反射當成干擾忽略掉,反而會漏掉真正的故障點。
另一條線路在做預防性耐壓試驗時擊穿,事后復測絕緣電阻恢復正常。低壓脈沖打出來,中間干干凈凈,末端反射對應全長一千二百四十米,與檔案一致。改用脈沖電流法,配合沖擊高壓讓故障點擊穿,抓到一組周期規整的放電行波,取相鄰同極性突跳的間隔,算出故障點在八百六十二米。開挖是終端應力錐處的閃絡痕跡。
回頭看,低壓脈沖那一次并沒有白做。它給出的全長與波速度,是后面算距離的基礎。跳過這一步,讀出來的數便少了一個校驗基準。
多半不是。先看末端反射在不在,若在,說明儀器與接線都正常,只是故障點在當前電壓下不導通,需要換高壓方法。若連末端反射都沒有,先查接線與接地,再看發射脈沖寬度是否設得過窄、增益是否壓得過低。
先核對波速度。波速度差百分之十,一千米的線路便差出一百米。再核對全長,末端反射對應的長度與檔案差太多,說明波速度或者線路走向有問題。兩項都對上還差得遠,再考慮是不是把中間接頭的反射當成了故障。
先看每次抓到的波頭是不是同一個。沖閃法的衰減振蕩會把緊跟著的那一個波頭淹沒,誤把更后面的當成它,距離便成倍往上走。穩一點的做法是固定一個增益、固定一個觸發電平,多打幾次,取重復性好的那幾組。
故障點維持不住電弧是常見原因。可以把沖擊能量往上提,讓擊穿更充分,也可以在燃弧與熄弧之間把延時調短。若這兩招都不見效,說明這個故障不適合走弧反射法,換脈沖電流法更省事。
不要憑經驗填一個數。先在完好相或者同型號的健康電纜上反算一次,把值定下來再測故障相。多段線路分段反算。實在沒有條件,也應當把設定值與反算值的差別記進報告,讓后面接手的人知道這個讀數帶著多大的不確定度。
結語
波形判讀這件事,拆開看是三件活:先認出故障反射,再數準時間差,末了把波速度定下來。三件里,頭一件出岔子的概率明顯更大,因為它要求你先判斷故障的性質。低阻在低壓脈沖下反著跳,高阻在低壓脈沖下不吭聲,閃絡性要到高電壓下才肯露面。性質認對了,方法與波形便對得上。性質認錯了,量得再細也白費。現場把這三件活拆開來練,比指望一次測出結果靠譜得多。