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低壓脈沖反射法工作原理

    1. 應用范圍

    低壓脈沖反射法(以下簡稱脈沖法)用于測量電纜的低阻、短路與斷路故障。據(jù)統(tǒng)計這類故障約占電纜故障的10%左右。低壓脈沖法還可用于測量電纜的長度、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

   測試時，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，如短路點、故障點、中間接頭等，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測量點被儀器記錄下來，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間差△t，對應脈沖在測量點與阻抗不匹配點往返一次的時間，已知脈沖在電纜中的波速度V，則阻抗不匹配點距離，可由下式計算。

                     L=V·△t/2 

   通過識別反射脈沖的極性，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。

   由計算公式我們知道，脈沖在電纜中的波速度對于準確地計算出故障距離很關鍵。在不清楚電纜的波速度值的情況下，可用如下方法測量。如已知被測電纜的長度，根據(jù)發(fā)送脈沖與電纜終端反射脈沖之間的時間△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

  電纜故障測量儀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，故應用的比較多。

  （2) 脈沖的寬度

  脈沖總有一定的時間寬度，假定為τ，則在τ時刻以內(nèi)到來的反射脈沖與發(fā)射脈沖相重迭，無法區(qū)分出來，因此就不能測出故障點距離，出現(xiàn)了測試盲區(qū)。假設脈沖發(fā)射寬度是0.2 μs，電纜波速度是160m / μs，其測量盲區(qū)就是16米，儀器發(fā)送脈沖愈寬，測量盲區(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，而線路高頻損耗大，使反射脈沖幅值過小，畸變嚴重，影響遠距離故障的測量效果。為解決這一問題，脈沖反射儀器（也叫閃測儀）把脈沖寬度分成幾個范圍，根據(jù)測量距離的遠近來選擇脈沖寬度，測量距離愈遠，脈沖愈寬。
    目前市場上技術zui為成熟的單片機型電纜故障測試儀，采用的低壓脈沖寬度為0.2μs/2 μs兩檔，分別用于測量短電纜以及長電纜。

   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構特點

   觀察電纜的低壓脈沖反射波形除，可以找出故障點的位置以及判別故障性質(zhì)，還有利于了解復雜電纜的結構特點，這一優(yōu)點是電橋法*的。而實際的測量波形往往變化較多，需要操作人員具有起碼的測試訓練和一定的測量經(jīng)驗和技巧，能否正確地理解反射波形是準確地測出故障距離及了解電纜結構的關鍵。

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

                圖2   中間有接頭的電纜脈沖反射波形

   把波形上任一點的時間坐標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，如中間接頭J、故障點F、電纜的開路終端B，均按實

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)（例如低阻還是開路）與嚴重程度。一般來說，開路與短路故障反射比較強，而中間接頭反射較弱。低阻故障電阻值愈小，反射愈強烈。
   需要說明的是，中間接頭的反射，不一定一定是正反射，有可能是負反射，或者沒有反射，這個*與接頭處特性阻抗有關，與絕緣電阻無關。接頭點反射大小，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測波形（祥見培訓教程－波形分析實例7）：

 
 
 圖3    低壓脈沖法測試波形

    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*個故障點反射脈沖之后，還有若干個相距仍然是故障距離的反射脈沖，這是由于脈沖在測量端與故障點之間多次來回反射的結果。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愈緩慢。

   實際上有用的是*個反射脈沖，注意不要把后續(xù)反射脈沖誤認為是其它故障點的反射脈沖。

   (2) 短路故障

   脈沖在短路點產(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。波形上一個故障點反射脈沖之后的脈沖極性出現(xiàn)一正一負的交替變化，這是由于脈沖在故障點反射系數(shù)為-1，而在測

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，故障點電壓反射系數(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值的變化關系，可見K>10，即故障電阻大于波阻抗值的10倍時，脈沖反射系數(shù)幅值小于5%，故障點反射脈沖較難以識別，故低壓脈沖法不適用測量這類故障的距離。

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

    圖7.c給出了故障點在電纜中點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產(chǎn)生反射脈沖，t1時刻回到測量端，該脈沖從測量端返回，在故障點又被再次反射，t2時刻又一次回到測量端。第二個故障點反射脈沖在波形上與*個故障點反射脈沖之間的距離為故障距離，在實際應用中，應注意不要把它誤以為新的故障點或接頭反射。穿過故障點脈沖在電纜的端點被反射，t3時刻回到測量端。
 電纜中點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 電纜中點之前的低阻故障脈沖反射波形

             圖8 電纜中點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

   一般的低壓脈沖反射儀器依靠操作人員移動標尺或電子光標，來測量故障距離。實際測試時，人們往往沒有把握應該把光標定在何處來標定反射脈沖的起始點。

    根據(jù)脈沖反射原理，故障點愈遠，反射脈沖上升愈圓滑，標定愈困難。

    在實際測試時，應選波形上反射脈沖造成的拐點作為反射脈沖的起始點，如圖9a虛線所標定處，亦可從反射脈沖前沿作一切線，與波形水平線相交點，可作為反射脈沖起始點，如圖 9b所示。

                  圖9    反射脈沖起始點的標定

   圖10是現(xiàn)場測試的低壓脈沖法測試波形，以及光標起點、終點確定的位置分析圖。

 
 圖10   低壓脈沖法測試高阻故障測試波形