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脈沖反射法（雷達反射）基礎理論介紹 ：

 

    目前，現場(chǎng)上主要是通過(guò)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(xiàn)路里的傳播過(guò)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(cháng)線(xiàn)的基本概念以及等效電路

      電力電纜是傳輸線(xiàn)的一種。傳輸線(xiàn)本身的長(cháng)度與它所傳播的信號波長(cháng)相比擬時(shí)，稱(chēng)為長(cháng)線(xiàn)。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)間內的傳播距離僅二百米左右，所以有必要把電纜線(xiàn)路看成長(cháng)線(xiàn)，來(lái)研究電壓、電流波的傳播過(guò)程。

      電纜線(xiàn)路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電纜）可看成由許許多多電阻R、電導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(chēng)為電纜的分布參數。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

       當信號電流流過(guò)每一段電路上的串聯(lián)電阻R與電感L時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生電壓降，信號電流在每一段線(xiàn)路上還會(huì )通過(guò)電容C與電導G從中途返回。如果忽略線(xiàn)路的傳播損耗，即令R=G=0，則線(xiàn)路稱(chēng)為無(wú)損耗線(xiàn)路，其單位長(cháng)度上電容、電感值分別用C0與L0表示。除特殊說(shuō)明外，本文討論的線(xiàn)路均指的是這種無(wú)損耗線(xiàn)路。

     分布參數線(xiàn)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、電流波數值的代數和。這些電壓、電流波以一定的速度運動(dòng)，因此稱(chēng)為行波。我們把運動(dòng)方向與規定方向一致的行波，叫正向行波，而把運動(dòng)方向與規定方向相反的行波叫反向行波。

     假定有一電纜線(xiàn)路MN如圖2所示，規定距離坐標X的方向從M端到N端，則線(xiàn)路上向著(zhù)N端運動(dòng)的波叫正向行波，而向著(zhù)M端運動(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(cháng)線(xiàn)來(lái)分析，在長(cháng)線(xiàn)上，沿長(cháng)線(xiàn)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(xiàn)上，各點(diǎn)的電壓、電流大小可以近似的認為是相同的。

脈沖電磁波總有一定的寬度，若在一定的時(shí)間內，發(fā)射脈沖和反射脈沖相互重疊，就無(wú)法區分開(kāi)來(lái)，因此就無(wú)法形成長(cháng)線(xiàn)傳輸，就不能測試距離，所以，根據脈沖反射原理研制的電纜故障閃絡(luò )測試儀（簡(jiǎn)稱(chēng)閃測儀），就有一定的測試盲區。

    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(cháng)度與傳播時(shí)間之比，稱(chēng)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(xiàn)周?chē)橘|(zhì)的相對導磁系數；

        ε為電纜芯線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)的相對介電系數。

    可見(jiàn)，電纜中波速度只與電纜的絕緣介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，而與導體芯線(xiàn)的材料與截面積無(wú)關(guān)。對于由不同導體材料制成的電纜，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，因為不少人想當然地認為電纜的波速度受芯線(xiàn)的材料與截面積影響。

   經(jīng)過(guò)大量測量試驗，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，為最高傳輸速度。

   但必須注意，電纜的傳輸速度是隨電纜運行時(shí)間的變化有一定的變化，特別是新型號的交聯(lián)電纜，因為絕緣材料配方的差異，傳輸速度就會(huì )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，傳輸速度最小的可達100 m/微秒左右；兩根以上的地埋電線(xiàn)，傳輸速度一般為110 m/微秒左右（與當地土壤有關(guān)）。總之，當有條件知道電纜長(cháng)度時(shí)，故障測試前最好先驗證測試一下該電纜的傳輸速度，以便測試的數據更準確。

    2. 波阻抗

   電纜中的電壓波在向前運動(dòng)時(shí)，對分布電容不斷充電產(chǎn)生伴隨的向前運動(dòng)的電流波，一對電壓、電流波之間的關(guān)系，用波阻抗（也稱(chēng)特性阻抗）Z0來(lái)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、介電系數與導磁系數有關(guān)外，還與電纜芯線(xiàn)的截面積和芯線(xiàn)與外皮之間的距離有關(guān)。所以，不同規格和種類(lèi)的電纜，其波阻抗也不同。電纜芯線(xiàn)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(xiàn)，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

  電波在電纜中傳輸時(shí)，遇到阻抗不匹配的地方，就會(huì )發(fā)生反射，反射波形的幅度大小與正負，與反射系數P有關(guān)。所謂反射系數P，是指傳輸線(xiàn)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(guò)推導后，得出反射系數的計算公式為  

式中，RL為傳輸線(xiàn)故障點(diǎn)的阻抗；

      R0為傳輸線(xiàn)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(kāi)路情況

電纜終端開(kāi)路，即負載電阻為無(wú)窮大，RL＝∞ ，代入公式計算，R0可以忽略不計，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(shuō)明書(shū)圖8.1）。

2、電纜終端短路情況

終端短路，即負載電阻為零，RL＝0 ，代入公式計算，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，一次反射波形為負向波形，二次反射波形又為正向波形，依此類(lèi)推（波形參考說(shuō)明書(shū)圖8.2）。

3、電纜有故障的情況

這種情況分為兩種情況：

（1）、當RL> R0時(shí)，則反射系數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小（波形參考說(shuō)明書(shū)圖8.1）。

（2）、當RL< R0時(shí)，則反射系數-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小（波形參考說(shuō)明書(shū)圖8.2）。

需要說(shuō)明的是：有關(guān)不同的反射系數的波形反射情況，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)要加以區別。

電力電纜故障探測基礎理論（3）

電纜故障測試理論

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