CN113820623B - 电缆屏蔽层接地故障的判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电缆屏蔽层接地故障的判断方法，所述屏蔽层具有由所述电缆引出并与大地连接的接地段，包括如下步骤：在所述屏蔽层的接地段外套设磁环和电流互感传感器，所述磁环设置在所述电流互感传感器与大地之间，向所述电流互感传感器发射高频脉冲电流，所述电流互感传感器用于感应所述高频脉冲电流并使得所述屏蔽层产生与所述高频脉冲电流对应的耦合电流，所述耦合电流在所述屏蔽层传输中遇到阻抗不匹配点时将发生反射，并形成反射脉冲信号，接收返回的反射脉冲信号并根据高频脉冲电流信号和反射脉冲信号的极性判断所述电缆屏蔽层中是否存在接地故障点，若存在故障点，则根据两个信号之间的时间差，得到故障点与测试端之间的距离。

Description

电缆屏蔽层接地故障的判断方法
技术领域
本发明属于核电厂电缆检测技术领域，具体涉及一种核电厂中压电缆屏蔽层多点接地故障的判断方法和定位方法。
背景技术
目前，核电厂中压电缆现场安装时均采用屏蔽线单端接地方式，即电缆一端屏蔽层接地，而另一端密封于电缆接头内部悬空。
如图1和2所示，以核电厂单芯中压电缆6为例，电缆由内至外分别为导体1、绝缘层2、半导电层3、屏蔽层4、外护套层5。核电厂中压电缆敷设距离较短，一般长度主要为200～300米，敷设环境包括室内桥架、廊道、露天桥架等，敷设时主要采用屏蔽单端接地方式，如图2所示。
随着电缆运行时间的延长，电缆外护套由于挤压、老化等因素引发外护套破损，破损处将出现屏蔽接地故障，此时运行电缆存在屏蔽层多点接地故障。如图3所示，中压电缆正常运行时，金属屏蔽层将产生感应电压，当屏蔽层存在多点接地时将产生感应电压差，电压差将通过大地或回流引发产生屏蔽环流，环流的出现造成电缆损耗发热，导致局部高温，加速主绝缘的老化，诱发电缆产生局部放电，对电缆安全运行造成巨大的安全隐患。
申请号为CN202110309860.3，名称为一种电缆故障测距方法及装置的中国发明专利中公开了一种针对电缆故障的定位方法，需要两个检测装置，两个检测装置需要使用GPS模块进行时钟同步；在已经通过在线监测装置的故障点h1的基础上进行再次故障定位，得到距离h2，在h2与h1距离差最小时即确定最终的故障点。其针对的是电缆主绝缘故障进行定位，且仍然需要在停电状态进行故障定位检测。
现有技术中针对电缆绝缘层的检测，在核电厂机组大修期间，通过将电缆屏蔽层与大地之间的连接断开，测量屏蔽层对地间的绝缘电阻，可以判断屏蔽是否存在接地故障；但测量工作受电缆隔离状态限制，时间窗口非常紧张，工作无法全面开展实施；而机组运行期间更是无法实施屏蔽对地间的绝缘电阻测量。因此需要一种快速的屏蔽接地故障查找方法，在不改变电缆运行状态的基础上实现带电巡检或停电检测。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种核电厂中压电缆屏蔽层接地故障的判断方法，能够在不改变电缆运行状态的基础上实现带电巡检或停电检测。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种电缆屏蔽层接地故障的判断方法，所述屏蔽层具有由所述电缆引出并与大地连接的接地段，所述判断方法包括如下步骤：在所述屏蔽层的接地段外套设磁环和电流互感传感器，所述磁环设置在所述电流互感传感器与大地之间，向所述电流互感传感器发射高频脉冲电流，所述电流互感传感器用于感应所述高频脉冲电流并通过电流互感传感器的耦合线圈使得所述屏蔽层产生与所述高频脉冲电流对应的耦合电流，所述耦合电流在所述屏蔽层传输中遇到阻抗不匹配点(如电缆的另一端或故障点)时将发生反射，并最终形成反射脉冲信号，接收返回的反射脉冲信号并根据高频脉冲电流信号和反射脉冲信号的极性判断所述电缆屏蔽层中是否存在接地故障点，若存在故障点，则根据两个信号之间的时间差，进而得到接地故障点与测试端之间的距离。
电流互感传感器采用高频电流耦合传感器，套设安装于电缆屏蔽接地线(接地段)外，可以实现双向电流耦合。当屏蔽接地线有脉冲电流经过时，电流互感传感器则感应产生对应的脉冲电流，主机通过同轴连接电缆接收感应脉冲电流；当主机发射高频脉冲电流时，屏蔽接地线通过电流互感传感器的耦合线圈产生耦合电流，此时屏蔽接地线即被主机注入一股高频脉冲电流。
根据本发明的一些优选实施方面，所述电流互感传感器通过连接电缆与主机连接，所述主机包括信号发射模块和信号接收模块，所述信号发射模块用于向所述电流互感传感器发射高频脉冲电流。
根据本发明的一些优选实施方面，所述信号接收模块用于接收所述屏蔽层远端或者故障点返回的反射脉冲信号。
根据本发明的一些优选实施方面，所述磁环用于在所述接地段中出现高频电流时，控制所述接地段与大地之间相当于开路或断路。所述磁环优选为镍锌高频磁环。磁环环套安装于屏蔽接地线外侧，距离靠近屏蔽接地端，即位于电流互感传感器与大地之间。当屏蔽接地线中有低频电流时，磁环表现为低阻，屏蔽线与大地之间相当于通路；当屏蔽接地线中有高频电流时，磁环表现为高阻，屏蔽线与大地之间相当于开路或断路，此时磁环对高频信号具有极强的阻碍作用。
根据本发明的一些优选实施方面，发射的高频脉冲电流的信号对应为入射波，所述反射脉冲信号对应为反射波，若所述入射波与反射波的极性相同，则判定电缆屏蔽层无故障接地点；若所述入射波与反射波的极性相反，则判定电缆屏蔽层有故障接地点。
根据本发明的一些优选实施方面，所述入射波与反射波的极性相同时，根据发射的高频脉冲电流的信号以及反射脉冲信号之间的时间差乘以电脉冲信号在屏蔽层中的传输速度再除以二，得到测试电缆的长度。
根据本发明的一些优选实施方面，所述入射波与反射波的极性相反时，根据发射的高频脉冲电流的信号以及反射脉冲信号之间的时间差乘以电脉冲信号在屏蔽层中的传输速度再除以二，得到故障接地点与测试端之间的距离。
即主机系统采用行波原理技术进行屏蔽线接地点故障判断以及故障点距离定位，当主机向电流互感传感器发射高频脉冲信号时，主机记录该脉冲信号为入射波；通过电流互感传感器，屏蔽线感生对应的电脉冲电流(耦合电流)，该电脉冲电流(耦合电流)对应的信号在屏蔽线传输中遇到阻抗不匹配点时将发生反射，如电缆的远端终端或故障接地点处脉冲反射。远端终端的反射波与入射波极性相同，故障接地点的反射波与入射波极性相反。通过两次脉冲信号的时间差，根据行波原理技术，即能够得到电缆的长度或故障点与测试端之间的距离。
根据本发明的一些优选实施方面，所述高频脉冲电流的频率大于或等于100MHz，通常选择高频脉冲频率为100MHz～200MHz。
根据本发明的一些优选实施方面，所述连接电缆为同轴电缆，优选采用50欧母屏蔽同轴电缆，用于传输主机发射和接收的高频脉冲电流，实现高频损耗小、屏蔽抗干扰能力强特点。
根据本发明的一些优选实施方面，所述主机上设置有增益调节旋钮，用于对接收反射脉冲信号的响应进行调节。
根据本发明的一些优选实施方面，所述主机上设置有信号调节旋钮，用于调节发射高频脉冲电流的大小。
根据本发明的一些优选实施方面，所述主机还具有显示器。主机优选采用STM32芯片作为主控制器，主要用于实现发射高频脉冲电流(大于100MHz)、接收感应电流、发射信号大小调节、接收信号增益大小调节以及驱动显示等功能。高频脉冲电流的发射与接收采用同一端子；增益调节旋钮用于对接收的反射脉冲信号响应的调节，实现对接收信号更好的屏幕显示；信号调节旋钮用于调节发射脉冲电流的大小，当由于电缆长度过长或接收到的信号损失较大时进行发射信号的大小调节，使发射信号具有更大的脉冲幅值，以便达到所接收到的脉冲信号具有更好的响应。
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的电缆屏蔽层接地故障的判断方法，通过采用磁环套在接地段的方式实现高频信号等效开路模式，同时通过电流互感传感器实现屏蔽层注入和接收高频信号，通过对发射和接收信号的处理分析可实现电缆屏蔽层是否存在多点接地故障识别以及接地点距离计算。本发明可应用于单端接地电缆屏蔽层多点接地故障查找与定位，机组运行期间可实现带电检查，机组大修期间更可对电缆屏蔽进行全面普查，大大提高工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为电缆的结构示意图；
图2为电缆屏蔽层单端接地的示意图；
图3为电缆屏蔽层存在接地故障点的示意图；
图4为本发明优选实施例中电缆屏蔽层接地故障的定位装置的结构示意图；
图5为本发明优选实施例中电缆屏蔽层接地故障检测时的示意图；
图6为屏蔽线无故障点时入射波与反射波的接收示意图；
图7为屏蔽线有故障点时入射波与反射波的接收示意图；
附图中，导体-1，绝缘层-2，半导电-3，屏蔽层-4，外护套层-5，电缆-6，故障点-7，磁环-8，电流互感传感器-9，连接电缆-10，主机-11，接头-12，显示器-13，信号调节旋钮-14，增益调节旋钮-15，高压端-HV，大地-GND。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1电缆屏蔽层接地故障的定位装置
如图1-3所示，以核电厂单芯中压电缆6为例，电缆6由内至外分别为导体1、绝缘层2、半导电层3、屏蔽层4、外护套层5，屏蔽层4具有由电缆6引出并与大地GND连接的接地段。
如图4-7所示，本实施例中的电缆屏蔽层4接地故障的定位装置，包括磁环8、电流互感传感器9、连接电缆10和主机11，磁环8和电流互感传感器9均套设在屏蔽层4的接地段，磁环8设置在电流互感传感器9与大地之间，连接电缆10连接在电流互感传感器9和主机11之间，主机11包括信号发射模块和信号接收模块，信号发射模块用于控制主机11向电流互感传感器9发射高频脉冲电流；电流互感传感器9用于感应高频脉冲电流并通过电流互感传感器9的耦合线圈使得屏蔽层4产生与高频脉冲电流对应的耦合电流。信号接收模块用于接收屏蔽层4远端或者故障点7返回的反射脉冲信号。高频脉冲电流的频率大于或等于100MHz，通常选择高频脉冲频率为100MHz～200MHz。
磁环8用于在接地段中出现高频电流时，控制接地段与大地之间相当于开路或断路。磁环8优选为镍锌高频磁环8。磁环8环套安装于屏蔽接地线外侧，距离靠近屏蔽接地端，即位于电流互感传感器9与大地之间。当屏蔽接地线中有低频电流时，磁环8表现为低阻，屏蔽线与大地之间相当于通路；当屏蔽接地线中有高频电流时，磁环8表现为高阻，屏蔽线与大地之间相当于开路或断路，此时磁环8对高频电流信号具有极强的阻碍作用。
电流互感传感器9采用高频电流耦合传感器，套设安装于电缆屏蔽接地线(接地段)外，可以实现双向电流耦合。当屏蔽接地线有脉冲电流经过时，电流互感传感器9则感应产生对应的脉冲电流，主机11通过同轴连接电缆10接收感应脉冲电流；当主机11发射高频脉冲电流时，屏蔽接地线通过电流互感传感器9的耦合线圈产生耦合电流，此时屏蔽接地线即被主机11注入一股高频脉冲电流。
主机11系统采用行波原理技术进行屏蔽线接地点故障判断以及故障点7距离定位，当主机11向电流互感传感器9发射高频脉冲信号时，主机11记录该高频脉冲信号为入射波；通过电流互感传感器9，屏蔽线感生对应的电脉冲电流(耦合电流)，该电脉冲电流(耦合电流)对应的信号在屏蔽线传输中遇到阻抗不匹配点时将发生反射，如远端终端或故障接地点处脉冲反射。远端终端的反射波与入射波极性相同，故障接地点的反射波与入射波极性相反。通过两次脉冲信号的时间差，根据行波原理技术，即能够得到电缆的长度或故障点7与测试端之间的距离。
连接电缆10为同轴电缆，优选采用50欧母屏蔽同轴电缆，用于传输主机11发射和接收的高频脉冲电流，实现高频损耗小、屏蔽抗干扰能力强特点。
主机11上设置有用于对接收反射脉冲信号的响应进行调节的增益调节旋钮15、用于调节发射高频脉冲电流大小的信号调节旋钮14和显示器13。主机11优选采用STM32芯片作为主控制器，主要用于实现发射高频脉冲电流(大于100MHz)、接收感应电流、发射信号大小调节、接收信号增益大小调节以及驱动显示等功能。高频脉冲电流的发射与接收采用同一端子；增益调节旋钮15用于对接收的反射脉冲信号响应的调节，实现对接收信号更好的屏幕显示；信号调节旋钮14用于调节发射脉冲电流的大小，当由于电缆长度过长或接收到的信号损失较大时进行发射信号的大小调节，使发射信号具有更大的脉冲幅值，以便达到所接收到的脉冲信号具有更好的响应。
实施例2电缆屏蔽层4接地故障的判断方法和定位方法
如图4-7所示，本实施例提供一种基于实施例1的定位装置对电缆屏蔽层4中是否有接地故障的判断方法，并能够在存在接地故障的时候对故障点7进行定位的方法，具体包括如下步骤：
1)安装
在屏蔽层4的接地段外套设磁环8和电流互感传感器9，磁环8设置在电流互感传感器9与大地之间，将连接电缆10的一端通过接头12与电流互感传感器9连接，另一端与主机11连接。
2)发生高频脉冲电流
通过主机11向电流互感传感器9发射高频脉冲电流，电流互感传感器9感应高频脉冲电流并通过电流互感传感器9的耦合线圈使得屏蔽层4产生与高频脉冲电流对应的耦合电流。
由于磁环8的存在，当屏蔽接地线中有低频电流时，磁环8表现为低阻，屏蔽线与大地之间相当于通路；当屏蔽接地线中有高频电流时，磁环8表现为高阻，屏蔽线与大地之间相当于开路或断路，此时磁环8对高频信号具有极强的阻碍作用。
3)接收返回信号并进行判断和定位
耦合电流在屏蔽层4传输中遇到阻抗不匹配点(如电缆的另一端或故障点7)时将发生反射，并最终形成反射脉冲信号，主机11记录一开始发射的高频脉冲电流信号以及反射脉冲信号并根据二者的极性判断电缆屏蔽层4中是否存在接地故障点7，若存在故障点7，则根据两个信号之间的时间差，进而得到接地故障点7与测试端之间的距离。
具体如下：一开始发射的高频脉冲电流的信号对应为入射波，反射脉冲信号对应为反射波，若入射波与反射波的极性相同，则判定电缆屏蔽层4无故障接地点，如图6所示；若入射波与反射波的极性相反，则判定电缆屏蔽层4有故障接地点，如图7所示。
设电缆总长度为L，接地故障点7距离测试端的长度为x，电脉冲在屏蔽线中的传播速度为v(电脉冲信号在屏蔽线中速度v为光速的0.68倍，即172m/us)。主机11发射高频脉冲信号时间为t1，主机11收到反射电脉冲信号时间为t2，则主机11收到两次脉冲信号的时间差为Δt＝t2-t1。
A.当入射波与反射波的极性相同时，则电缆屏蔽线无故障接地点，根据一开始发射的高频脉冲电流的信号以及反射脉冲信号之间的时间差乘以电脉冲信号在屏蔽层4中的传输速度再除以二，得到测试电缆的长度：
B.当入射波与反射波的极性相反时，则电缆屏蔽线存在接地故障点7，根据返回的脉冲电流的信号以及反射脉冲信号之间的时间差乘以电脉冲信号在屏蔽层4中的传输速度再除以二，得到故障接地点与测试端之间的距离：
本发明中的定位装置和定位方法引入磁环和电流互感传感器，将两种技术结合使用在电缆屏蔽接地线中，磁环对于工频信号表现为低阻，因此对于电缆工频运行不产生性能影响。而当通过电流互感传感器进行高频脉冲电流耦合时，磁环对于高频信号表现为高阻，等效为开路，因此此时如果屏蔽线没有接地故障点，屏蔽线可等效为两端悬空，如果屏蔽线存在接地故障点，屏蔽线可等效为两端悬空、中间接地点故障。无需改动核电现场中压电缆接线方式，极大便利的实现了机组不停机、电缆不断电的方式下进行屏蔽线接地故障的判断。本发明的方法通过对入射波和反射波极性的判断可得出电缆是否存在接地故障点，同时通过行波原理实现对接地故障点距离的计算，解决了现场电缆故障点沿线排查的难点，极大的方便了现场检修人员施工查找。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电缆屏蔽层接地故障的判断方法，所述屏蔽层具有由所述电缆引出并与大地连接的接地段，所述电缆一端屏蔽层接地，另一端密封于电缆接头内部悬空，其特征在于，所述判断方法包括如下步骤：在所述屏蔽层的接地段外套设磁环和电流互感传感器，所述磁环设置在所述电流互感传感器与大地之间，向所述电流互感传感器发射高频脉冲电流，所述电流互感传感器用于使所述屏蔽层产生与所述高频脉冲电流对应的耦合电流，当屏蔽层有脉冲电流经过时，所述电流互感传感器感应产生对应的脉冲电流，主机通过同轴连接电缆接收感应脉冲电流；当主机发射高频脉冲电流时，屏蔽层通过电流互感传感器的耦合线圈产生耦合电流，此时屏蔽层被主机注入一股高频脉冲电流；
所述耦合电流在所述屏蔽层传输中遇到阻抗不匹配点时将发生反射，并最终形成反射脉冲信号，接收返回的反射脉冲信号并根据高频脉冲电流信号和反射脉冲信号的极性判断所述电缆屏蔽层中是否存在接地故障点；
所述电流互感传感器通过连接电缆与主机连接，所述主机包括信号发射模块和信号接收模块，所述信号发射模块用于向所述电流互感传感器发射高频脉冲电流；
所述磁环用于在所述接地段中出现高频电流时，控制所述接地段与大地之间相当于开路或断路；
发射的高频脉冲电流的信号对应为入射波，所述反射脉冲信号对应为反射波，若所述入射波与反射波的极性相同，则判定电缆屏蔽层无故障接地点；若所述入射波与反射波的极性相反，则判定电缆屏蔽层有故障接地点。
2.根据权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述信号接收模块用于接收所述屏蔽层远端或者故障点返回的反射脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述入射波与反射波的极性相同时，根据发射的高频脉冲电流的信号以及反射脉冲信号之间的时间差乘以电脉冲信号在屏蔽层中的传输速度再除以二，得到测试电缆的长度。
4.根据权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述入射波与反射波的极性相反时，根据发射的高频脉冲电流的信号以及反射脉冲信号之间的时间差乘以电脉冲信号在屏蔽层中的传输速度再除以二，得到故障接地点与测试端之间的距离。
5.根据权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述高频脉冲电流的频率大于或等于100MHz。
6.根据权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述主机上设置有增益调节旋钮，用于对接收反射脉冲信号的响应进行调节。
7.根据权利要求1所述的判断方法，其特征在于，所述主机上设置有信号调节旋钮，用于调节发射高频脉冲电流的大小。
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