低壓脈沖反射法工作原理

    1. 應(yīng)用范圍

    低壓脈沖反射法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)脈沖法)用于測(cè)量電纜的低阻、短路與斷路故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)這類(lèi)故障約占電纜故障的10%左右。低壓脈沖法還可用于測(cè)量電纜的長(zhǎng)度、電磁波在電纜中的傳播速度，還可用于區(qū)分電纜的中間頭、T型接頭與終端頭等。

   2. 工作原理

   測(cè)試時(shí)，向電纜輸入一低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點(diǎn)，如短路點(diǎn)、故障點(diǎn)、中間接頭等，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測(cè)量點(diǎn)被儀器記錄下來(lái)，如圖1所示：

 
圖1   低壓脈沖反射原理圖

   圖1中，波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差△t，對(duì)應(yīng)脈沖在測(cè)量點(diǎn)與阻抗不匹配點(diǎn)往返一次的時(shí)間，已知脈沖在電纜中的波速度V，則阻抗不匹配點(diǎn)距離，可由下式計(jì)算。

                     L=V·△t/2 

   通過(guò)識(shí)別反射脈沖的極性，可以判定故障的性質(zhì)。斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同，而短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。

   由計(jì)算公式我們知道，脈沖在電纜中的波速度對(duì)于準(zhǔn)確地計(jì)算出故障距離很關(guān)鍵。在不清楚電纜的波速度值的情況下，可用如下方法測(cè)量。如已知被測(cè)電纜的長(zhǎng)度，根據(jù)發(fā)送脈沖與電纜終端反射脈沖之間的時(shí)間△t，可推算出

電纜中的波速度：

                    V=2·L/△t 

   3. 發(fā)射脈沖的選擇

  （1) 脈沖的形狀

  電纜故障測(cè)量?jī)x器使用的電壓脈沖一般有矩形、指數(shù)、鐘形（又叫升余弦）等。由于矩形脈沖形成比較容易，故應(yīng)用的比較多。

  （2) 脈沖的寬度

  脈沖總有一定的時(shí)間寬度，假定為τ，則在τ時(shí)刻以?xún)?nèi)到來(lái)的反射脈沖與發(fā)射脈沖相重迭，無(wú)法區(qū)分出來(lái)，因此就不能測(cè)出故障點(diǎn)距離，出現(xiàn)了測(cè)試盲區(qū)。假設(shè)脈沖發(fā)射寬度是0.2 μs，電纜波速度是160m / μs，其測(cè)量盲區(qū)就是16米，儀器發(fā)送脈沖愈寬，測(cè)量盲區(qū)愈大。從減小盲區(qū)的角度看，發(fā)送脈沖寬度窄一些好，但脈沖愈窄，它所包含的高頻成分愈豐富，而線(xiàn)路高頻損耗大，使反射脈沖幅值過(guò)小，畸變嚴(yán)重，影響遠(yuǎn)距離故障的測(cè)量效果。為解決這一問(wèn)題，脈沖反射儀器（也叫閃測(cè)儀）把脈沖寬度分成幾個(gè)范圍，根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近來(lái)選擇脈沖寬度，測(cè)量距離愈遠(yuǎn)，脈沖愈寬。
    目前市場(chǎng)上技術(shù)zui為成熟的單片機(jī)型電纜故障測(cè)試儀，采用的低壓脈沖寬度為0.2μs/2 μs兩檔，分別用于測(cè)量短電纜以及長(zhǎng)電纜。

   二、脈沖反射波形的分析理解

   1. 脈沖反射波形反映電纜故障相知與電纜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

   觀(guān)察電纜的低壓脈沖反射波形除，可以找出故障點(diǎn)的位置以及判別故障性質(zhì)，還有利于了解復(fù)雜電纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這一優(yōu)點(diǎn)是電橋法*的。而實(shí)際的測(cè)量波形往往變化較多，需要操作人員具有起碼的測(cè)試訓(xùn)練和一定的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)和技巧，能否正確地理解反射波形是準(zhǔn)確地測(cè)出故障距離及了解電纜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

   圖 2.a 給出了一個(gè)有低阻故障的電纜，中間有接頭J，圖2.b給出了向電纜注入一低壓脈沖測(cè)得的脈沖反射波形。類(lèi)似于用的X光片，被測(cè)電纜結(jié)構(gòu)（狀態(tài)）以波形的形式直觀(guān)地呈現(xiàn)在儀器的屏幕上。

                圖2   中間有接頭的電纜脈沖反射波形

   把波形上任一點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)乘以二分之一的波速度，換算成距離，則電纜上所有的阻抗不匹配點(diǎn)，如中間接頭J、故障點(diǎn)F、電纜的開(kāi)路終端B，均按實(shí)

際的距離以脈沖的形式出現(xiàn)在波形上。根據(jù)脈沖的極性與大小可判別阻抗不匹配的性質(zhì)（例如低阻還是開(kāi)路）與嚴(yán)重程度。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)路與短路故障反射比較強(qiáng)，而中間接頭反射較弱。低阻故障電阻值愈小，反射愈強(qiáng)烈。
   需要說(shuō)明的是，中間接頭的反射，不一定一定是正反射，有可能是負(fù)反射，或者沒(méi)有反射，這個(gè)*與接頭處特性阻抗有關(guān)，與絕緣電阻無(wú)關(guān)。接頭點(diǎn)反射大小，不一定代表該接頭有故障，要綜合分析判斷。
    圖3是同一多芯低壓控制電纜的兩種低壓脈沖法實(shí)測(cè)波形（祥見(jiàn)培訓(xùn)教程－波形分析實(shí)例7）：

 
 
 圖3    低壓脈沖法測(cè)試波形

    下面介紹幾種典型故障的脈沖反射波形。

    (1) 斷路故障

    脈沖在斷路點(diǎn)產(chǎn)生全反射，反射脈沖與發(fā)送脈沖同極性。

                  圖4   斷路故障脈沖反射波形

   圖4給出了斷路故障脈沖反射波形。波形上*個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之后，還有若干個(gè)相距仍然是故障距離的反射脈沖，這是由于脈沖在測(cè)量端與故障點(diǎn)之間多次來(lái)回反射的結(jié)果。由于脈沖在電纜中傳輸存在損耗，脈沖幅值逐漸減小，并且波頭上升變得愈來(lái)愈緩慢。

   實(shí)際上有用的是*個(gè)反射脈沖，注意不要把后續(xù)反射脈沖誤認(rèn)為是其它故障點(diǎn)的反射脈沖。

   (2) 短路故障

   脈沖在短路點(diǎn)產(chǎn)生全反射，反射脈沖與發(fā)送脈沖極性相反。圖5給出了電纜短路故障脈沖反射波形。波形上一個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之后的脈沖極性出現(xiàn)一正一負(fù)的交替變化，這是由于脈沖在故障點(diǎn)反射系數(shù)為-1，而在測(cè)

量端反射為正的緣故。

                   圖5      短路故障脈沖反射波形

   (3) 低阻故障脈沖反射波形

   電纜中出現(xiàn)低電阻故障時(shí)，故障點(diǎn)電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)由式ρu=-1/(1+2K)與γ=2K/(1+2K)給出，其中K=Rf/Z0是故障電阻與電纜波阻抗的比。圖6給出了電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)隨K值的變化關(guān)系，可見(jiàn)K>10，即故障電阻大于波阻抗值的10倍時(shí)，脈沖反射系數(shù)幅值小于5%，故障點(diǎn)反射脈沖較難以識(shí)別，故低壓脈沖法不適用測(cè)量這類(lèi)故障的距離。

       圖6   低電阻故障點(diǎn)電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)變化規(guī)律

    圖7.c給出了故障點(diǎn)在電纜中點(diǎn)之前的低阻故障脈沖反射波形。由脈沖傳播網(wǎng)格圖（圖7.b）看出，注入的脈沖在故障點(diǎn)產(chǎn)生反射脈沖，t1時(shí)刻回到測(cè)量端，該脈沖從測(cè)量端返回，在故障點(diǎn)又被再次反射，t2時(shí)刻又一次回到測(cè)量端。第二個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖在波形上與*個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之間的距離為故障距離，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意不要把它誤以為新的故障點(diǎn)或接頭反射。穿過(guò)故障點(diǎn)脈沖在電纜的端點(diǎn)被反射，t3時(shí)刻回到測(cè)量端。
 電纜中點(diǎn)之后低阻故障的脈沖反射波形如圖8所示，這里不再詳述。

             圖7 電纜中點(diǎn)之前的低阻故障脈沖反射波形

             圖8 電纜中點(diǎn)之后的低阻故障脈沖反射波形

   2. 怎樣確定反射脈沖的起始點(diǎn)

   一般的低壓脈沖反射儀器依靠操作人員移動(dòng)標(biāo)尺或電子光標(biāo)，來(lái)測(cè)量故障距離。實(shí)際測(cè)試時(shí)，人們往往沒(méi)有把握應(yīng)該把光標(biāo)定在何處來(lái)標(biāo)定反射脈沖的起始點(diǎn)。

    根據(jù)脈沖反射原理，故障點(diǎn)愈遠(yuǎn)，反射脈沖上升愈圓滑，標(biāo)定愈困難。

    在實(shí)際測(cè)試時(shí)，應(yīng)選波形上反射脈沖造成的拐點(diǎn)作為反射脈沖的起始點(diǎn)，如圖9a虛線(xiàn)所標(biāo)定處，亦可從反射脈沖前沿作一切線(xiàn)，與波形水平線(xiàn)相交點(diǎn)，可作為反射脈沖起始點(diǎn)，如圖 9b所示。

                  圖9    反射脈沖起始點(diǎn)的標(biāo)定

   圖10是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的低壓脈沖法測(cè)試波形，以及光標(biāo)起點(diǎn)、終點(diǎn)確定的位置分析圖。

 
 圖10   低壓脈沖法測(cè)試高阻故障測(cè)試波形