一种沟通电气距离与实际地理距离的电缆故障检测方法与检测系统

雒瑞森 朱颜 任品 孙天然

摘要：电缆故障检测是找出受损电缆，维护电路良好工作，保证市民、企业等用电群体正常工作与生活的重要手段。在介绍目前主流电缆故障检测方法的基础上，阐述了一种新的电缆故障检测方法及电缆故障检测系统，包括其实施方式、实际优势以及效果说明。方法包括确定电缆的空间走向，以及根据空间走向确定故障点；系统包括控制机构、定位机构和检测机构。该方法及系统可更方便、高效、准确地进行电缆的故障定位和修复，特别适用于地下电缆的故障和修复。

关键词：电缆；故障检测；空间模型；电缆敷设；地理信息系统；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

直接地找到地下电缆的故障点，提前采取措施应对，以较低的经济成本保障线路正常工作状态具有非常重要的实践意义[1-2]。因此，研究适合电缆（特别是地下电缆）绝缘老化检测的方法是减少非计划停电事故以及其他电力事故的有效且急需的手段。本文提供一种电缆故障检测方法和一种电缆故障检测系统，其能够方便地找到电缆的故障点，准确度高，操作简单，适合各种电缆（特别是地下电缆）的故障检测；其能够准确反映电缆的老化及故障情况，便于提前采取措施进行应对和处理，减少电力事故的发生，保证电力系统的安全和稳定；其成本低廉，适合推广使用，便于对电缆进行维护管理，并为改进电缆的敷设方式起到一定的指导作用。

1 当前主要电缆故障检测方法简介

目前，地下电缆系统故障定位主要分为预定位（即测距）和精确定位（即定点）两个步骤[3]。

预定位主要采用阻抗法或行波法，得到故障点到检测点的电气距离，以此得到故障点的大致方位。阻抗法包括电桥法和分布参数计算高阻故障法，而行波法则包括驻波法、低压脉冲反射法、高压脉冲电压法和二次脉冲法。精确定位主要采用声测法、声磁同步法、音频感应法等方法，通过对地下电缆发送信号，再在地面上检测所需信号的方式进行定位。

以声测法为例，在测寻电缆故障时，有故障的电缆在加上一个幅度足够高的冲击电压的情况下，故障点会产生闪络放电，还会有巨大的放电声产生，而这种声音能够传达到地球表面，通过这个现象来测寻到故障点。此方法所用的定位仪采用高灵敏度的声电转换器，先将地面微弱的地震波转变成电信号，然后利用电晶体放大器将所接收到的电信号进行一定的放大，再利用耳機还原成声音。但由于环境噪声的干扰，在实际测寻时增加了辨别的困难。

以声磁同步法为例，当故障点放电时，利用电磁波和声波的接收是否同步可以对信号可信度进行判断。若能检测到故障点放电电磁波，又能听到地震波，则放电声波正在工作。若地震波信号和电磁波同步，则证明所听到的地震波是可靠的，即可以按照相应的信号来确定故障点的具体位置[4-8]。但是，以上精确定位的方法很容易受外界环境的干扰，尤其是在城市中，声音与电磁噪声极大，对测量工作极易产生干扰，很难测得地下发出的微小信号。

此外，越是功能强大的信号检测装置价格越昂贵，操作越复杂，不利于大面积推广，而且一旦测寻人员操作仪器的经验不足，测寻方法不妥，造成故障点误判或者是长时间找不到故障点，故障维修的时间延迟所造成的经济损失和社会成本将难以估计。

特别是在具有城市化背景的今天，在城市中进行电缆（特别是地下电缆）的故障检测十分不方便。而且碍于市民的正常生活，检测工作的进度经常被拖得很慢，对维护电力系统的安全稳定造成了相当大的阻碍，所需要投入的时间成本也非常高。并且在城市中进行电缆故障点的预定位和精确定位操作难度非常大，且碍于城市本身存在大量的电磁噪声及震动噪声，使得现有的检测技术难以实施。但是，城市一旦发生大面积电力事故，造成的损失又是不可估计的，这一系列的矛盾使得目前的电缆检测、检修工作的开展十分焦灼。

2 一种新的电缆故障检测方法及系统

2.1 实施方式

该方法包括以下步骤：确定电缆的空间走向；检测故障点与检测点之间的电气距离；以及根据空间走向确定故障点。其中，沿空间走向，故障点同检测点之间的距离等于电气距离，即以检测点为起点，沿着电缆行走一个电气距离长度后到达终点，而这个重点就是我们所找的故障点。

进一步地，确定电缆的空间走向包括：确定电缆的空间模型和空间模型的模型比例。根据空间走向确定故障点包括：确定检测点在空间模型中所对应的模型检测点。根据空间模型确定模型故障点，沿空间模型的走向，模型故障点同模型检测点之间的距离等于电气距离同模型比例的乘积。确定模型故障点相对模型检测点的方位以及模型地面距离。故障点相对检测点的地面距离为模型地面距离同模型比例的比值。

需要说明的是，电缆的空间模型根据实际情况可以是二维模型或三维模型，也可以是结合敷设时的图纸信息得到的电缆分布信息。例如：可以在电缆的缆敷设过程中同时采集得到，也可以后续利用路径仪等探测仪器补充得到。

电缆故障检测方法在检测得到电气距离之后，把故障点的精确定位放到了电缆的空间模型上进行，以电缆的空间模型上的电缆距离（或长度）来反映故障点的位置，通过模型比例进行换算，进而得到故障点的实际位置，从而便于维护人员进行精确维护。相比于传统方法而言，电缆故障检测方法在进行故障点的精确定位时，是以电缆的空间模型为媒介进行确定，这个过程本身不会受到来自于外界的噪声的干扰，从而能够保证具有较高的准确性，有助于维护人员进行精确施工，避免施工和检修的盲目性。

进一步地，确定电缆的空间走向还可以是包括：确定电缆的空间模型、空间模型的模型比例、以及空间模型所对应的经纬度信息。相应地，根据空间走向确定故障点还可以是包括：确定检测点在空间模型中所对应的模型检测点。根据空间模型确定模型故障点，沿空间模型的走向，模型故障点同模型检测点之间的距离等于电气距离同模型比例的乘积。确定模型故障点所对应的经纬度，按经纬度直接准确地确定故障点。

需要说明的是，空间模型所对应的经纬度信息是指电缆的实际经纬度位置。

通过以上设计，通过在建立空间模型的同时将电缆的经纬度分布情况同空间模型对应起来，通过从空间模型确定模型故障点之后，利用模型故障点所对应的经纬度信息来找到电缆故障点的实际位置，以便于维护人员准确施工，使寻找故障点更加直接、方便。

进一步地，根据空间走向确定故障点还包括：利用定位装置结合经纬度找出故障点。定位装置可以是GPS定位装置或北斗星定位装置等。而且还可以为定位装置匹配导航装置，利用导航装置自动寻路并引导检修人员前往故障点，这大大提高了寻找故障点的准确性和便利性。

进一步地，考虑到地下电缆具有一定的纵深和敷设深度，确定电缆的空间走向还包括：确定空间模型所对应的深度信息。相应的，根据空间走向确定故障点还包括：确定模型故障点所对应的深度，按经纬度和深度确定故障点。

通过同时将地下电缆的实际深度同空间模型匹配起来，使得在确定模型故障点之后能够同时得到模型故障点所对应的深度信息，从而使得维护人员能够在到达故障地点之后挖掘相应的深度，以准确地对地下电缆进行维护，进一步提高施工的准确性。同时，该方式还能够避免出现在同一经纬度位置的不同深度具有多跟电缆而导致无法确定故障点位于哪根电缆的问题，确保了施工的准确性，并且大大减少了维护人员寻找故障点的所需的时间。特别适合地下电缆的的维护。

进一步地，对于电缆的低阻故障和短线故障，可以采用低压脉冲反射法确定检测点与故障点之间的电气距离。对于电缆的高阻故障，可以采用高压脉冲电流法、高压脉冲电压法或二次脉冲法中的至少一者确定检测点与故障点之间的电气距离。

具体地，对于低压脉冲反射法，一般是向故障电缆注入一个低压脉冲使其在电缆中传播，记录发射脉冲和故障点反射脉冲之间的时间差△t，已知脉冲在电缆中的波速度为v，则检测点到故障点的电气距离就等于v△t/2。

对于高压脉冲电压法，一般是由直流高压或脉冲高压信号击穿电缆故障点，利用放电电压脉冲在检测点与故障点之间往返一次的时间来测量电气距离。

对于高压脉冲电流法，一般是采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号，将电缆故障点用高压电击穿，使用仪器采集并记录击穿故障点所产生的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号在检测点与故障点往返一次所需的时间来计算电气距离。

对于二次脉冲法，一般是通过高压发生器向发生了高阻故障的电力电缆系统施加高压脉冲，使故障点出现弧光放电而呈低阻特性。此时通过耦合装置向电缆中注入一个低压脉冲信号，记录此时的低压脉冲反射波形（称为带电弧波形）。在电弧熄灭后，再注入一个低压脉冲信号，记录此时的低压脉冲反射波形（称为无电弧波形）。将带电弧波形和无电弧波形进行比较，两个波形在相应的故障点位置上将明显不同，波形的明显分歧点就是故障点的反射波形点[9]。从而依据反射波形点计算电气距离。

需要说明的是，在测量电气距离之前，要先确定电缆的故障性质。确定故障性质采用的一般方法是：用绝缘电阻表分别测量线芯对地绝缘电阻和相间绝缘电阻或在电缆远端将三相短路，在近端用万用表测量相间导电电阻。从而判断故障的性质是接地、短路、断线，还是它们的混合；是单相、两相，还是三相故障；是高阻、低阻、还是闪络性故障[10]。

本文還提供一种电缆故障检测系统，其包括：控制机构、定位机构和检测机构。定位机构和检测机构均与控制机构通讯连接。检测机构用于检测故障点与检测点之间的电气距离并将电气距离反馈至控制机构。控制机构用于根据电缆的空间走向确定故障点并将故障点的位置信息反馈至定位机构。定位机构用于根据位置信息确定故障点的实际地理位置。其中，沿空间走向，故障点同检测点之间的距离等于电气距离。

电缆故障检测系统利用检测机构来检测故障点与检测点之间的电气距离并将电气距离反馈至控制机构；利用控制机构根据电缆的空间走向找出同检测点的距离等于电气距离的故障点，并将故障点的位置信息发送至定位机构，用于根据位置信息确定故障点的实际地理位置，以便于检修人员进行准确施工。

电缆故障检测系统能够实现电力系统监测工作的明确分工，检测人员利用检测机构确定故障点与检测点之间的电气距离，经控制机构处理反馈后，检修人员则利用定位机构来找到故障点的具体位置开展检修工作。这样大大提高了检测和检修之间的协调性，使得检测和检修能够同时开展，大大提高了电力系统维护的工作效率，能够更加迅速地对电缆故障进行应对和处理。

电缆故障检测系统在进行故障点确认时，不会受到城市中的震动噪声和电磁噪声的干扰，所确定的故障点具有更高的准确性，便于维护工作的准确、顺利进行。此外，电缆故障检测系统无需使用现有技术中的精确定位装置和设备，节约了实施成本。

需要说明的是，检测机构可以是能够利用低压脉冲反射法来检测检测点与故障点之间电气距离的装置，也可以是能够利用高压脉冲电流法、高压脉冲电压法或二次脉冲法来检测检测点与故障点之间电气距离的装置。

进一步地，控制机构可以用于储存电缆的空间模型、空间模型的模型比例、空间模型所对应的经纬度信息和空间模型所对应的深度信息，并利用由检测机构检测到的电气距离沿空间模型找出故障点所对应的经纬度信息和深度信息，然后把故障点所对应的经纬度信息和深度信息反馈给定位机构。控制机构则可以是POC系统或其他能够实现。

定位机构可以是GPS定位装置或北斗星定位装置，并可以匹配一个导航装置。定位机构接收到由控制机构反馈的故障点的经纬度信息和深度信息之后，利用导航装置自动寻路并引导检修人员前往故障点，到达故障点后，检修人员便可依据深度信息对相应深度的电缆进行检修维护。这大大提高了寻找故障点的准确性和便利性。

2.2 举例说明

为了更清楚地说明该种技术方案，下面将结合图像对该方案作简单的介绍。

如图1所示，A点为电缆的模型检测点，其对应的模型地面点为a点。模型比例为Y。

检测到的检测点和故障点之间的电气距离为L，在图1中的空间模型中确定检测点所对应的模型检测点A之后，以A为起点，沿着空间模型中的电缆向前移动L1长度，其中，L1=L·Y。移动上述距离之后到达B点，B点即为模型故障点，其对应的模型地面点为b点。

此时在图1中的空间模型中检测b相对于a的方位和模型地面距离。其中，角P为20°。那么，b则位于a的东偏南20°的方向，且a和b的模型地面距离为L2。

由此可以得出，实际故障点位于实际检测点的东偏南20°方向，且实际故障点与实际检测点之间的地面直线距离为L2/Y。至此，便确定了实际故障点相对实际检测点的具体位置。此时，利用该位置信息便可直接找到故障点进行维护。

2.3 研究价值

此种电缆故障检测方法能够较好地解决目前的电缆故障检测方法中存在的问题，本方法以电缆的空间走向为“桥梁”，通过按照电缆的空间走向来找出同检测点的距离等于电气距离的故障点。利用本方法进行故障点定位时，只需检测出故障点同检测点之间的电气距离（即预定位），无需进行现有技术中的精确定位操作，本方法中的精确定位的具体操作是：按照电缆的空间走向，确定同检测点的距离等于电气距离的目标点，而这个目标点就是故障点。与现有技术相比，本方法无需进行现有技术中的精确定位操作，节约了相应的设备成本。同时本方法是以电缆的空间走向为“桥梁”，不会受到城市中的震动噪声和电磁噪声的干扰，相比于现有技术，本方法具有更高的准确性。此外，本方法进行精确定位时，不会受到场地、市民正常生活的干扰，大大提高了可操作性。电缆故障检测方法能够大大提高对电缆故障检测的效率，便于快速确定电力系统的故障点，以便于及时处理，防止发生电力事故。同时也便于快速掌握整个电力系统的“健康状况”，便于为后续管理提供参照和指导。电缆故障检测方法以更加便捷、低廉的方式实现了对电力系统快速、准确的检测和管理，对于城市的电力系统维护工作而言具有重要意义。

此种电缆故障检测系统利用检测机构来检测故障点与检测点之间的电气距离并将电气距离反馈至控制机构；利用控制机构根据电缆的空间走向找出同检测点的距离等于电气距离的故障点并将故障点的位置信息反馈至定位机构；而定位机构则用于根据位置信息确定故障点的实际地理位置，以便于检修人员进行准确施工。

电缆故障检测系统能够实现电力系统监测工作的明确分工，检测人员利用检测机构确定故障点与检测点之间的电气距离，经控制机构处理反馈后，检修人员则利用定位机构来找到故障点的具体位置开展检修工作。这样大大提高了检测和检修之间的协调性，使得检测和检修能够同时开展，大大提高了电力系统维护的工作效率，能够更加迅速地对电缆故障进行应对和处理。

电缆故障检测系统在进行故障点确认时，不会受到城市中的震动噪声和电磁噪声的干扰，所确定的故障点具有更高的准确性，便于维护工作的准确、顺利进行。此外，电缆故障检测系统无需使用现有技术中的精确定位装置和设备，节约了实施成本。

3 总结与展望

总体而言，此种电缆故障检测系统能够方便地找到电缆的故障点，准确度高，操作简单， 适合各种电缆（特别是地下电缆）的故障检测。其抗干扰性好，能够准确反映电缆的老化及故障情况，便于提前采取措施进行应对和处理，减少电力事故的发生，保证电力系统的安全和稳定，特别适合在城市中使用。同时其检测和维护工作能够同时开展，具有更高的工作效率，而且成本低廉，适合推广使用，便于对电缆进行维护管理，并为改进电缆的敷设方式起到一定的指导作用。

在实施的过程中，最理想的方式是在敷设电缆时即考虑到故障检测的方便，同时记录下电缆的空间模型，保存到专门的数据库以供日后使用。这一系列操作需要一套行之有效的操作规范进行规范指导。

参考文献：

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