CN110174590B - 一种电力电缆综合故障测试模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力电缆综合故障测试模拟系统及方法，系统中电力电缆为两根，一根电缆用于低阻故障、短路故障、断线故障测试，一根电缆用于高阻故障测试；电缆故障模拟器用于接收设置的故障命令，进行断线故障模拟、短路故障模拟、低阻故障模拟及高阻故障模拟；电缆接头接线柜用于固定电力电缆，便于在不拆除电缆接头的情况下，将电缆故障模拟器接入试验电缆中；电力电缆故障综合测试仪用于电力电缆的故障性质判断、故障测距、路径探测和精确定点；电缆测试高压信号发生器用于为电缆故障测距、定点提供高压信号源,与电力电缆故障综合测距仪配和使用。本发明有助于培训电力工作人员掌握电力电缆交接试验、电力电缆故障快速排查及定位等技能。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体是涉及一种电力电缆综合故障测试模拟系统及方法。
背景技术
电力电缆是传输和分配电能的重要载体，是输送电的重要项目，是信息传输的纽带，在电力工业中已经得到了十分广泛的应用，采用电力电缆输送和分配电能，能够提高供电的可靠性，改善环境的美观性，在大城市和供电密集场所，电力电缆具有无比的优越性。随着经济的发展和电力电缆应用范围的不断扩大以及电网对电力电缆的需求越来越大，制造电力电缆的新材料、新工艺不断出现，电缆的电压等级逐渐增高，功能不断增强和细分，电力电缆的品种越来越多，所以掌握电力电缆交接试验、电力电缆故障快速排查及定位等技能，对于从事电力电缆的铺设与运行维护工作的人员是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电力电缆综合故障测试模拟系统及方法，能够准确地判别故障类型和原因。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电力电缆综合故障测试模拟系统，包括电力电缆、电缆故障模拟器、电缆接头接线柜、电力电缆故障综合测试仪、电缆测试高压信号发生器、控制计算机和无线通讯设备，其中：
所述电力电缆为两根，一根电缆用于低阻故障、短路故障、断线故障测试，只进行路径探测、故障性质判断及故障测距，另一根电缆用于高阻故障测试，进行路径探测、故障性质判断、故障测距及故障精确定点；
所述电缆故障模拟器用于接收设置的故障命令，进行断线故障模拟、短路故障模拟、低阻故障模拟及高阻故障模拟；
所述电缆接头接线柜用于固定电力电缆，便于在不拆除电缆接头的情况下，将电缆故障模拟器接入试验电缆中；
所述电力电缆故障综合测试仪用于电力电缆的故障性质判断、故障测距、路径探测和精确定点；
所述电缆测试高压信号发生器用于为电缆故障测距、定点提供高压信号源,与电力电缆故障综合测距仪配和使用；
所述无线通讯设备用于实现控制计算机与电缆故障模拟器的信号交互；
所述控制计算机用于进行断线故障、短路故障、低阻故障和高阻故障设置。
作为一种具体实施方式，所述电力电缆为四芯动力电缆，其中有三根电缆线芯用于模拟高压三相(A相、B相、C相)电缆线芯，一根线芯用于模拟高压三相电缆的外壳。
作为一种具体实施方式，所述电缆故障模拟器包括故障控制箱和高阻故障模拟箱，其中故障控制箱包括供电单元、通讯控制单元和控制电路，所述供电单元用于为控制电路和通讯控制单元供电；所述通讯控制单元用于实现控制计算机与电缆故障模拟器的信号交互；所述控制电路包括控制继电器，通过组合控制继电器的线包，进行对应故障的模拟；所述高阻故障模拟箱用于控制高阻放电电压。
作为一种具体实施方式，所述控制电路包括直流电源、第一控制继电器、第二控制继电器、电动推杆电源接线端子，其中直流电源的正、负极分别接入第一控制继电器的两路继电器常开动触点上，由继电器的常开开触点接入第二控制继电器的两路继电器常闭动触点上，由继电器的一常开闭触点接入电动推杆电源接线端子。
作为一种更具体实施方式，所述高阻故障模拟箱上部设置绝缘一排绝缘端子，底部对应位置设置一排电动推杆，每个电动推杆上方依次设置绝缘棒和放电端子，通过控制电路控制放电端子对的距离，进行高阻故障模拟。
作为一种具体实施方式，所述电缆故障模拟器安装在电缆井处，结构防护等级达到IP65，通讯方式采用无线通讯，在室外无遮拦的场地中，通信距离达到2000米。
作为一种具体实施方式，所述电缆接头接线柜包括柜体、绝缘端子、调节横梁和电缆母排，柜体内部设置上、中、下三层横梁，以及左、中、右三个电缆母排，其中，每个电缆母排上下两端分别固定一个绝缘端子，通过绝缘端子固定安装在上、中两层的调节横梁上，下层横梁用于固定从接线柜柜体底部电缆过孔穿入的试验电缆，试验电缆从电缆过孔中穿出固定在接线柜的下方横梁后，试验电缆的电缆线芯分别接入三相电缆母排。
作为一种具体实施方式，所述无线通讯模块采用加强型的ZigBee无线技术。
一种电力电缆综合故障测试方法，将两根电力电缆分别与故障控制箱和高阻故障模拟箱连接后，进行故障的模拟和测试，其特征在于，包括如下步骤：
控制计算机设置故障类型，包括断线故障、短路故障、低阻故障和高阻故障，通过无线通讯设备发送给电缆故障模拟器；
电缆故障模拟器接收故障类型参数，通过组合控制继电器的线包进行对应故障的模拟；
电力电缆故障综合测试仪判断电力电缆的故障性质后，配合电缆测试高压信号发生器进行故障测距、路径探测和精确定点。
作为一种具体实施方式，所述电力电缆故障综合测试仪利用兆欧表和/或万用表判断电缆的故障性质，然后选择不同的测距和定点方法，详细方法如表1所示：
表1综合故障测试方法
表中阴影部分表示脉冲电流测距和声磁同步定点需要配套使用高压冲击信号发生器；音频法定点低阻故障为备选方案，声磁同步不成功时选用，需配套使用路径探测信号发生器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明测试模拟系统和方法，有助于培训电力电缆的铺设与运维的工作人员掌握电力电缆交接试验、电力电缆故障快速排查及定位等技能。
附图说明
图1是本发明故障控制箱中控制电路的功能实现原理图。
图2是本发明故障控制箱中控制电路的电路图。
图3是本发明高阻故障模拟箱的结构示意图。
图4是本发明电缆接头接线柜的结构示意图。
图5是低压脉冲测距的原理图。
图6是断线故障的低压脉冲测距反射波形图。
图7是低阻/短路故障的低压脉冲测距反射波形图。
图8是高压信号发生器的测试接线示意图。
图9为本发明控制计算机的软件界面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
本发明电力电缆综合故障测试模拟系统，将具有一定长度的动力电力电缆铺设在电缆沟内，在电缆内部增加故障模拟装置，让学员通过使用常见的电缆故障测试仪器对其进行检测，从而根据测试的故障现象准确地对故障类型进行判别，同时通过相应的仪器仪表测量对故障原因进行确定，进而拿出排除故障的方法。下面对本发明系统进行详细介绍。
1、设计依据
GB-50150-2006《电气装置安装工程-电气设备交接试验标准》DL/T 448－2000电能计量装置技术管理规程
GB/T 3048.1-2007《电线电缆电性能试验方法第1部分:总则》
GB/T 16927.1-2011《高电压试验技术：一般定义及试验要求》
GB/T3048.4—2007电线电缆电性能试验方法第4部分
GB/T3048.8—2007电线电缆电性能试验方法
GB/T 16927.1-2011高电压试验技术：一般定义及试验要求
GB/T16927.1高电压试验技术第一部分：一般试验要求EQVIEC600600
GB/T16927.2高电压试验技术第二部分：测量系统EQV IEC 60060
GB/T 2900.5电工术语电气绝缘材料
GB/T 2900.19电工术语高电压试验技术和绝缘配合
GB4793-1984电子测量仪器安全要求
GB6587.7-1986电子测量仪器基本安全试验
GB6587.8-1986电子测量仪器质量检验规则
2、方案设计
2.1、设计组成
电力电缆综合故障测试模拟系统，包括电力电缆、电缆故障模拟器、电缆接头接线柜、电力电缆故障综合测试仪、电缆测试高压信号发生器、控制计算机和无线通讯设备，其中：
所述电力电缆为两根，其中一根电缆用于低阻故障、短路故障、断线故障测试，只进行路径探测、故障性质判断及故障测距，另一根电缆用于高阻故障测试，进行路径探测、故障性质判断、故障测距及故障精确定点；
所述电缆故障模拟器用于接收设置的故障命令，进行断线故障模拟、短路故障模拟、低阻故障模拟及高阻故障模拟；
所述电缆接头接线柜用于固定电力电缆，便于在不拆除电缆接头的情况下，将电缆故障模拟器接入试验电缆中；
所述电力电缆故障综合测试仪用于电力电缆的故障性质判断、故障测距、路径探测和精确定点；
所述电缆测试高压信号发生器用于为电缆故障测距、定点提供高压信号源,与电力电缆故障综合测距仪配和使用；
所述无线通讯设备用于实现控制计算机与电缆故障模拟器的信号交互；
所述控制计算机用于进行断线故障、短路故障、低阻故障和高阻故障设置。
2.2、模块介绍
(1)电力电缆
电力电缆使用四芯动力电缆(4×50mm2)，其中有三芯电缆线芯用于模拟高压三相(A相、B相、C相)电缆线芯，一根线芯用于模拟高压三相电缆的外壳(铠装层)。
根据电力电缆的故障性质，本发明采用两根电力电缆共同完成所有故障检测。每根电缆长度大约为130米左右，一根电缆用于低阻故障、短路故障、断线故障测试，只进行路径探测、故障性质判断及故障测距，不进行故障精确定点。另一根电缆用于高阻故障测试，可进行路径探测、故障性质判断、故障测距及故障精确定点。
(2)电缆故障模拟器
电缆故障模拟箱包含故障控制箱和高阻故障模拟箱两种，安装在电缆井处。由于电缆沟和电缆井位于室外，设计电缆故障模拟器时，结构防护等级达到IP65，通讯方式采用无线通讯，在室外无遮拦的场地中，通信距离达到2000米，满足实训要求。
a)故障控制箱中由供电单元、通讯控制单元与控制电路组成。控制电路功能原理如图1所示，具体结构如图2所示，由直流电源、两个控制继电器、电动推杆电源接线端子三部分组成，其中直流电源的正、负极分别接入第一个控制继电器的两路继电器常开动触点上，由继电器的常开开触点接入下一个控制继电器的两路继电器常闭动触点上，由继电器的一常开闭触点接入电动推杆电源接线端子。采用控制印制板经过三防处理后固定在故障控制箱中，通过专用接插头连接到对应的电力电缆上。接收到设置的故障命令后，通过组合控制继电器的线包进行对应故障的模拟，具体方法如下：
断线故障模拟：在距离电缆头合适位置处把电缆三相线芯全部截断，并将两段电缆相同线芯串行接入故障模拟箱的特定接口，由故障模拟箱控制板根据控制命令进行继电器触点的断、闭控制。
短路故障模拟：在距离电缆头合适位置处把电缆四相线芯进行外露处理，分别使用导线将电缆的四相线芯并行接入故障模拟箱的特定接口，由故障模拟箱控制板根据控制命令进行继电器触点的断、闭控制，实现电缆短路故障的任意组合。
低阻故障模拟：在距离电缆头合适位置处把电缆四相线芯进行外露处理，分别使用导线将电缆的四相线芯并行接入故障模拟箱的特定接口，由故障模拟箱控制板根据控制命令进行继电器触点的断、闭控制，并在继电器触点线路中串入100Ω的电阻，实现电缆低阻故障的任意组合。
高阻故障模拟：在距离电缆头合适位置处把电缆四相线芯进行外露处理，分别使用高压导线将电缆的四相线芯并行接入高压故障模拟箱的特定接口，由故障模拟控制箱的控制板根据控制命令进行继电器线包电源控制，由继电器触点控制高阻故障模拟箱中的电动推杆伸缩，实现电缆高阻故障的任意组合。
b)高阻故障模拟箱如图3所示，高阻故障模拟箱设计电动推杆安装固定板与放电端子固定板，其中放电端子固定板位于模拟箱上方，每个端子正下方均对应一个电动推杆，当电动推杆电源接入正向直流电源后，电动推杆杆臂向外伸出接近上端的放电端子；当电动推杆电源接入反向直流电源后，电动推杆杆臂向内缩回远离上端的放电端子。电动推杆上端的放电端子与推杆杆臂之间使用绝缘棒进行绝缘隔离，每个放电端子均可方便拆卸。高阻故障模拟使用电动推杆进行放电距离的控制，当电动推杆的放电距离为0～5mm，则高压升至4～10kV即可出现高阻故障放电现象；当电动推杆的放电距离为5～10mm，则高压则需升至10～35kV，有可能出现高阻故障放电现象；当电动推杆的放电距离足够远时，则无高阻故障。具体的高阻放电电压不是定值，会根据空气的湿度进行改变。
(3)电缆接头接线柜电缆接头接线柜是为了实训者方便对试验电缆进行测试，可以在不拆除电缆接头的情况下，直接将试验仪器接入试验电缆中。如图4所示，电缆接头接线柜：包括柜体、绝缘端子、调节横梁和电缆母排，柜体内部设置上、中、下三层横梁，以及左、中、右三个电缆母排，其中，每个电缆母排上下两端分别固定一个绝缘端子，通过绝缘端子固定安装在上、中两层的调节横梁上，下层横梁用于固定从接线柜底部电缆过孔出穿入的试验电缆。试验电缆从电缆沟中经电缆接头接线柜底部的电缆过孔中穿出，固定在接线柜中的下方横梁后，试验电缆的电缆线芯分别接入三相电缆母排。
(4)电力电缆故障综合测试仪
电力电缆故障综合测试仪，用于电力电缆的故障测试，是一套集成化设备。
a)基本测试步骤：
故障性质判断→故障测距→路径探测→精确定点。
b)故障性质的诊断和测试方法的选择：
在电缆发生故障后，首先判断电缆的故障性质。先用兆欧表在电缆的一端测量各相对地及相间的绝缘电阻，如果测量值为零，则可能还有零到上百kΩ的电阻，改用万用表测量；如各相对地及相间绝缘电阻很高，绝缘正常，则应测试导体是否断线：在电缆的一端将三相短接并对地短路，在另一端重复测量，判断是否断线。明确故障性质后，需选择不同的测距和定点方法。
表1综合故障诊断方法
说明：(1)表中阴影部分表示：脉冲电流测距和声磁同步定点需要配套使用高压冲击信号发生器。(2)音频法定点低阻故障为备选方案，声磁同步不成功时选用，需配套使用路径探测信号发生器。
c)低压脉冲测距工作原理
低压脉冲法使用时域反射法(TDR)原理，又叫脉冲反射法。测试时向电缆注入一低压脉冲，脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，回送到测量点被仪器记录下来,如图5所示。
从仪器发射脉冲开始计时，到接收到故障点的反射脉冲共需时；脉冲行波传播速度为V，则故障点距离Lx为：不匹配点的反射系数ρ为：/>其中Zi为故障点的输入阻抗，Zc为线路的特性阻抗。
断线故障反射脉冲与发射脉冲极性相同；而短路(混线)故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反，如图6-7所示。因此通过识别反射脉冲的极性，可以判定故障的性质。
(5)电力电缆故障综合测试仪
电缆测试高压信号发生器，为电缆故障测距、定点提供高压信号源,与电力电缆故障综合测距仪配和使用。能够进行10kV以下的电缆故障的测试和大部分35kV、110kV电缆的低阻故障的测试。高压信号发生器的测试接线方法如图8所示。
(6)无线通讯设备
根据实训场地的特点，项目中使用的故障控制器与PC程序之间采用“一问一答”形式的无线通讯方式进行命令控制。
无线通讯模块采用加强型的ZigBee无线技术，符合工业标准应用的无线数据通信设备，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输，最大视距传输距离2000米。采用计算机USB端口供电，最大电流300mA,上行传输速率最大42.8Kbps，下行传输速率最大85.6Kbps；通讯可靠性≥99％。
(7)控制计算机
控制软件安装在控制计算机上，通过无线通讯设备生成的串口进行控制/应答命令的收发。控制软件对电缆的故障设置内容有：
断线故障设置：无、A相线芯、B相线芯、C相线芯
短路/低阻/高阻故障设置：无、A相线芯对地(外壳)、B相线芯对地(外壳)、C相线芯对地(外壳)、A相线芯对B相线芯、A相线芯对C相线芯、B相线芯对C相线芯。
控制界面如9所示，每种故障同时只能设置一个，不能同时设置多个故障。故障分为近端故障和远端故障两种，在点击【设置】或【恢复】按钮时进行远近端的选择。
Claims (6)
1.一种电力电缆综合故障测试模拟系统，其特征在于，包括电力电缆、电缆故障模拟器、电缆接头接线柜、电力电缆故障综合测试仪、电缆测试高压信号发生器、控制计算机和无线通讯设备，其中：
所述电力电缆为两根，一根电缆用于低阻故障、短路故障、断线故障测试，只进行路径探测、故障性质判断及故障测距，另一根电缆用于高阻故障测试，进行路径探测、故障性质判断、故障测距及故障精确定点；
所述电缆故障模拟器，用于接收设置的故障命令，进行断线故障模拟、短路故障模拟、低阻故障模拟及高阻故障模拟；
所述电缆接头接线柜用于固定电力电缆，便于在不拆除电缆接头的情况下，将电缆故障模拟器接入试验电缆中；
所述电力电缆故障综合测试仪用于电力电缆的故障性质判断、故障测距、路径探测和精确定点；
所述电缆测试高压信号发生器用于为电缆故障测距、定点提供高压信号源,与电力电缆故障综合测距仪配和使用；
所述无线通讯设备用于实现控制计算机与电缆故障模拟器的信号交互；
所述控制计算机用于进行断线故障、短路故障、低阻故障和高阻故障设置；
所述电缆故障模拟器包括故障控制箱和高阻故障模拟箱，其中故障控制箱包括供电单元、通讯控制单元和控制电路，所述供电单元用于为控制电路和通讯控制单元供电；所述通讯控制单元用于实现控制计算机与电缆故障模拟器的信号交互；所述控制电路包括控制继电器，通过组合控制继电器的线包，进行对应故障的模拟；所述高阻故障模拟箱用于控制高阻放电电压；
所述控制电路包括直流电源、第一控制继电器、第二控制继电器、电动推杆电源接线端子，其中直流电源的正、负极分别接入第一控制继电器的两路继电器常开动触点上，由继电器的常开触点接入第二控制继电器的两路继电器常闭动触点上，由继电器的一常开闭触点接入电动推杆电源接线端子；
所述高阻故障模拟箱上部设置绝缘一排绝缘端子，底部对应位置设置一排电动推杆，每个电动推杆上方依次设置绝缘棒和放电端子，通过控制电路控制放电端子对的距离，控制高阻放电电压。
2.根据权利要求1所述的电力电缆综合故障测试模拟系统，其特征在于，所述电力电缆为四芯动力电缆，其中有三根电缆线芯用于模拟高压三相电缆线芯，一根线芯用于模拟高压三相电缆的外壳。
3.根据权利要求1所述的电力电缆综合故障测试模拟系统，其特征在于，所述电缆故障模拟器安装在电缆井处，结构防护等级达到IP65，通讯方式采用无线通讯，在室外无遮拦的场地中，通信距离达到2000米。
4.根据权利要求1所述的电力电缆综合故障测试模拟系统，其特征在于，所述电缆接头接线柜包括柜体、绝缘端子、调节横梁和电缆母排，柜体内部设置上、中、下三层横梁，以及左、中、右三个电缆母排，其中，每个电缆母排上下两端分别固定一个绝缘端子，通过绝缘端子固定安装在上、中两层的调节横梁上，下层横梁用于固定从接线柜柜体底部电缆过孔穿入的试验电缆，试验电缆从电缆过孔中穿出固定在接线柜的下方横梁后，试验电缆的电缆线芯分别接入三相电缆母排。
5.根据权利要求1所述的电力电缆综合故障测试模拟系统，其特征在于，所述无线通讯设备采用加强型的ZigBee无线技术。
6.一种电力电缆综合故障测试模拟方法，将两根电力电缆分别与故障控制箱和高阻故障模拟箱连接后，进行故障的模拟和测试，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的电力电缆综合故障测试模拟系统实现，包括如下步骤：
控制计算机设置故障类型，包括断线故障、短路故障、低阻故障和高阻故障，通过无线通讯设备发送给电缆故障模拟器；
电缆故障模拟器接收故障类型参数，通过组合控制继电器的线包进行对应故障的模拟；
电力电缆故障综合测试仪判断电力电缆的故障性质后，配合电缆测试高压信号发生器进行故障测距、路径探测和精确定点。
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