电力电缆故障探测技术05

第五章 电缆路径的探测与电缆的鉴别 在对电缆故障进行测距之后，要根据电缆的路径走向，找出故障点的大体方位来。

由于有些电缆是直埋式或埋设在沟道里，而图纸资料又不齐全，不能明确判断电缆路径，这就需要专用仪器测量电缆路径。

在地下管道中，往往是多条电缆并行排列，还需要从多条电缆中找出故障电缆。

下面我们首先对地下电缆的磁场进行简单地分析，然后分别介绍探测电缆路径以及识别电缆的方法。

§５－１ 地下电缆磁场分析目前，现场上主要是检测地下电缆上方地面上的磁场来探测电缆路径；对一些短路或电阻很低的电缆故障点来说，由于很难检测到故障点放电的声音，也主要是通过检测地面上磁场的变化来确定故障点位置。

为了便于读者理解利用磁场进行电缆路径探测及故障定点的原理，本节简单地分析地下电缆地面上磁场的产生及分布规律。

１．相地连接时电缆的磁场相地连接是指将信号源接到待测电缆的一相导体与电缆的金属护套外皮（简称外皮）之间，经电缆末端的短路环或故障点形成回路，如图５．１所示。

在相地连接时主要存在着两个电流回路，一个是导体与外皮形成的回路，再就是外皮与大地构成的回路，其等效电路如图５．２所示，两个回路之间有互感（Ｍ）产生的磁耦合以及互阻抗（外皮阻抗）造成的电耦合。

电源施加在导体与外皮之间的回路里，产生电流Ｉ；由于有电磁耦合，在外皮与地之间的回路产生电流Ｉ’，这样导７９８０体、外皮与大地中的电流分别是Ｉ、（Ｉ－Ｉ’）及Ｉ’。

电流Ｉ’的大小与信号的频率、电缆的材料及周围介质等因素有关，它是随着频率的增加而减少的；对一般的电力电缆来说，在数千赫兹的频率范围内，电流Ｉ’在１０％Ｉ的数量级上变化。

图５．１ 相地连接接线示意图图５．２ 相地连接等效电路电缆周围的磁场可以看成是由在导体与外皮之间流动的电流Ｉ产生的磁场以及金属外皮与大地之间的电流Ｉ’产生的磁场迭加形成的。

电缆的导体是包在环形金属外皮里边的，回路电流Ｉ在电缆上方地面上产生的磁场很小，地面上的磁场主要是在金属外皮与大地之间的回路电流Ｉ’产生的。

８１（ａ）（ｂ）（ａ）等效电路　（ｂ）磁场分布图５．３ 大地电流等效电路及其磁场分布 大地中返回电流的分布是比较复杂的，理论分析表明，在研究磁场的分布时，可用在电缆下距离为ｈ’的一载流导体来近似等效大地返回电流，ｈ’的大小取决于信号的频率、电缆的埋设深度及周围大地的电阻率等因素。

大地和地面上的空气导磁率均接近真空中的导磁率，电缆周围的磁场可以近似看成电流为Ｉ’的距离为ｈ’的上下平行的载流导体产生的合成磁场，其磁力线在与电缆垂直的横断面上从电缆的一侧上来越过电缆进入另一侧，如果电缆是与地面平行敷设的，在电缆的正上方磁力线与地面是平行的，磁场强度在电缆的正上方也达到最大值，如图５．３所示。

２．相相连接时电缆的磁场相相连接是指将信号源接到待测电缆的两相导体之间，两个相导体与电缆末端的短路环（路径探测时）或故障点（低阻故障时）形成回路，如图５．４所示。

图５．４ 相相连接接线示意图为了保证电缆三相阻抗参数的平衡，减少对外的电磁影响，电缆的三相导体实际上是沿电缆扭绞前进的，两个导体之间的相对位置是沿电缆变化的，因此造成了地面上的磁场也是沿电缆变化的，具体取决于导体所在平面与地面的相对位置。

下面介绍两种特殊情况下的磁场分布。

在两个通电导体所在的平面处于与地面垂直的位置上时，地面上的磁场分布与图５．３所示相地连接时的磁场类似，不过由于两个导体之间的距离很小，在电流相同的情况下，相相连接时地面上磁场强度要小的多。

在两个导体所在的平面与地面平行时，地面上的磁场分布如图５．５所示，两个导体产生的磁场在电缆的正上方迭加使磁场强度达到最大值，而在稍偏离电缆正上方的位置上两个导体产生的磁场相抵消使磁场强度急剧下降。

磁力线在电缆的正上方进入地面。

８２８３图５．５ 平行导体地面上方磁场分布电缆金属护套外皮两端是接地的，外皮与大地构成了回路，电缆导体电流产生的磁场在这一回路里产生感应电流，外皮回路的感应电流产生的一部分磁场与导体回路的磁场相抵消（即屏蔽层发挥了作用），地面上的实际磁场强度比以上分析的要小。

金属外皮的屏蔽作用是随着频率的增加而增强的。

３．暂态脉冲电流的磁场以上关于电缆磁场的分析是针对正弦稳态电流的，而电缆故障点放电电流是一暂态脉冲电流。

在分析暂态脉冲电流产生的磁场时，可以把暂态脉冲电流看成许多个不同频率的正弦稳态电流的代数和，分别计算每一频率分量产生的磁场，然后把它们合成在一起。

实际应用中我们可近似地认为暂态电流的磁场与稳态电流磁场的变化规律是基本一致的。

应该指出，地下电缆的电流分布及磁场是很复杂的，以上只是粗略的分析。

不过在实际应用中，我们往往并不需要精确地知道地面上某一点磁场的具体数值，只是通过测量地面上不同点磁场的相对数值及方向的变化来达到探测电缆路径或故障定点的目的，通过本节的内容，我们基本上可以掌握电缆磁场的分布规律，对于８４分析解决实际工作中遇到的问题是十分有帮助的。

§５－２ 电缆路径的音频感应探测法 １．　测量原理 用信号发生器在电缆始端向被测电缆输入音频信号电流，利用接收线圈在地面上接收磁场信号，在线圈中产生出感生电动势，信号放大后，通过耳机、指针或其他方式进行监视。

随着接收线圈的移动，信号的大小发生变化，由此，可判断出电缆路径。

路径探测仪一般都是使用耳机监听信号的幅值，所以根据探测时音响曲线的不同，探测方法分为音谷法和音峰法。

下面针对相地接线方式分别介绍这两种测试方法，相地连接时地面上的磁场分布见图５．３。

（１）　音谷法如图５．６，使磁棒线圈轴线垂直于地面，慢慢移动，在线圈位于电缆正上方且垂直于电缆时，磁力线与线圈平面平行，没有磁力线穿过线圈，线圈内无感应电动势产生，耳机中听不到声响。

然后将磁棒先后向两侧移动，就有一部分磁力线穿过线圈，产生感生电动势，耳机中开始听到音频响声。

随着磁棒缓慢移动，声响逐步变大，当移动到某一距离时，响声最大，再往远处移动，响声又逐渐减弱。

在电缆附近，声响与其位置关系形成一马鞍形曲线，曲线谷点所对应的测试位置即电缆所经过的路径。

８５图５．６ 用音谷法探测电缆路径位置图５．７ 用音峰法探测电缆路径 （２）　音峰法如图５．７，使磁棒线圈轴线平行于地面，做慢慢移动，在线圈位于电缆正上方时，耳机中听到的声响最大。

此时穿过线圈的磁力线最多。

然后将磁棒先后向两侧慢慢移动，穿过线圈的磁力线逐渐减少，响声逐渐减弱。

在电缆附近，声响与其位置关系形成一钟形曲线，曲线的峰顶所对应的测试位置即电缆所经过的路径。

图５．８ 电缆埋设深度的探测 ２．电缆埋设深度的探测 如图５．８所示，在电缆的导体与地之间通入音频电流信号。

使电感线圈的磁棒垂直于地面，并放在被测电缆８６的正上方，找出耳机中声响最小（音谷）时线圈所处的位置，记下其所对应的地面位置Ａ；然后，将线圈磁棒倾斜，使之与地面成４５°角（垂直于电缆的走向）并沿电缆向左或向右移动，找到音谷点Ｂ和Ｂ’，在这两个位置上，线圈的轴线与磁力线垂直，穿过线圈的磁力线最少，耳机中听到的声音最小。

两个音谷点Ｂ或Ｂ’与电缆所在点Ｏ之间的连线ＢＯ和Ｂ，Ｏ与直线ＡＯ之间的夹角为４５０，三角形ＡＯＢ和ＡＯＢ’为等腰三角形，ＡＢ＝ＡＢ’＝ＡＯ。

因此，电缆正上方音谷点Ａ与另外两个音谷点Ｂ或Ｂ’之间的距离即等于电缆的埋设深度。

（ａ）探头竖放：音峰法 （ｂ）探头横放：音谷法图５．９ 导体与地面平行时的路径探测 ３．　相相连接时电缆路径的探测８７如图５．９所示，相相连接时电缆路径探测的原理与相地连接时是类似的。

由于电缆导体的扭绞，地面上磁场的分布沿电缆的路径是变化的，音峰法与音谷法的应用有所区别。

当两个通电导体所在的平面与地面垂直时，磁场的分布规律与相地连接时是一致的，以上介绍的音谷法和音峰法同样适用。

在两个导体所在的平面与地面平行时，其地面上磁场分布规律如图５．５所示，由于磁力线在电缆的正上方进入地面，造成音峰及音谷的出现与相地连接时情况相反。

在线圈与地面垂直放置时，在电缆正上方穿过线圈的磁力线最多，听到的音响最大，出现音峰；而在在线圈与地面平行放置时，在电缆正上方穿过线圈的磁力线最少，听到的音响最小，出现音谷。

图５．１０ 音响随电缆扭距变化曲线相相连接时，当在电缆的正上方把线圈与地面平行或垂直放置并沿电缆的路径移动时，监听到的音响是随电缆的扭距变化的（图５．１０）。

在应用音峰法或音谷法时应注意。

由于电缆的两相导体靠的很近，以及外皮对电磁场的屏蔽作用，相相连接时，地面上磁场强度小，线圈接收到的信号较弱，抗外界干扰的能力差。

相相连接时地面的磁场变化比相地连接时来得快。

当把线圈与地面垂直放置，沿与电缆径向垂直的方向移动探头时，听到的音响变化比较明显。

在外界干扰较小的情况下，可以使用相相连接方式。

８８ ４．电缆接头的识别很多电缆的故障点发生在电缆的中间接头上，识别出电缆中间头位置有利于尽快地找到故障点。

在４．４节介绍过，有些发生在中间头的故障，很难使用冲击高压使故障点放电，只有尝试挖开电缆中间接头，进行仔细地观察分析。

在应用相相连接方式探测电缆路径时，电缆在中间接头处会出现声响的异常现象。

由于电缆在此不扭绞，听到的声响不再有规律地变化，并且视三个导体排列的位置、接头有无铁磁屏蔽及探测方式的不同声音往往会增大或者是变小。

据此便可以测定电缆中间接头的位置。

图５．１１间接式连线接图 ５．　间接式连接间接式连接是将信号源的输出线绕在待测电缆的铅皮周围，如图５．１１，一般耦合圈数为５～７圈。

通过耦合线圈向电缆发射信号，电缆可视作一电感，产生感生电动势和感生电流，通过电缆向周围发射电磁波。

间接式连接方式，可以在不停电的情况下进行路径测试，在某些不允许停电的电缆需要测试路径时，可以用此连接方式。

这种方式的缺点是电磁波在向前传播的过程中损耗大造成测寻距离不远，一般在一公里以内。

６．应用中注意的问题注入信号的频率一般选在１千赫至１５千赫之间。

频率过低时，线圈的感应电动势小；频率过高时，电缆的屏蔽作用也增加使相相连接时地面上的磁场更弱，影响探测。

注入的信号电流一般在１～１０安培，信号频率小时电流要大一些，反之，电流要小一些。

探测时一般在电缆的另一端把电缆的两个通电导体或通电导体与地连接起来。

在信号发生器频率较高时（如１５ＫＨｚ），可以不用在远端短接，直接利用导体对地或导体之间的分布电容产生电流信号。

相相连接时音响变化比较明显，但信号较弱；相地连接时，线圈接收到的信号较强，但音响范围过宽，不易听出声响的明显变化。

在被测电缆与运行电缆平行敷设时，运行电缆的零序电流或高次谐波会产生较大的干扰，影响探测工作的正常进行。

可以使用间断的注入信号，使信号有规律地出现，以此来区别某些干扰信号。