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电力电缆故障探测技术的应用研究 摘要 随着电力电缆的广泛应用，电缆故障难以查找这一与生俱来的特 点影响了电网的安全运行，也严重影响了人民生活。电缆故障测试现 场环境恶劣，杂音大，传统的精确定点法很难迅速找到故障点，应用 声磁同步法有利快速找到故障点。本文详细介绍了发生电缆故障的原 因及故障类型并对目前进行故障探测所应用的低压脉冲法及脉冲电 压法的原理进行了详细说明。在此基础上，本文阐述了基于上述两种 方法所发展的二次脉冲法的基本原理，并以实例详细介绍了二次脉冲 法的实际应用。 关键词：电缆故障二次脉冲法精确定点 a b s t r a c t w i t l lt h ee x t e n s i v eu s eo f p o w e r c a b l e t h eo r i g i n a lf e a t u r et h a th a r dt o s e e kc a b l ef a u l ti n f l u e n c e dt h ee l e c t r i f i e dw i r en e t t i n gs a f eo p e r a t i o na n d t h ep e o p l e sl i v h a g t h ee n v i r o n m e n to fc a b l ef a u l tt e s t ss o b a d l y , t h e s t a t i ci ss ob i gt h a th a r dt or a p i d l yt of i n dt h eb r e a k d o w ns p o tu s e do f t r a d i t i o n a lp r e c i s em e t h o do ff i x e dp o i n t s b u t ，u s i n gt h ea p p l i c a t i o n s o u n dm a g n e t i c s y n c h r ol a wi sa d v a n t a g e o u st of o u n dt h eb r e a k d o w ns p o t q u i c k l y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec a u s a t i o n so fc a b l ef a u l ta n dt h et y p e s o ff a u l t ，g i v e sad e t a i l e de x p l a n a t i o no fl o wv o l t a g ei m p u l s em e t h o da n d i m p u l s ep r e s s u r em e t h o dw h i c ha r eu s e df o rd e t e c t i n gf a u l t s b a s e do nt h e d e t a i l e de x p l a n a t i o n ，i ta l s oe x p a t i a t e sw h a ti sa n dh o wt oo p e r a t et h e f u n d a m e n t a lt h e o r i e so f s e c o n d - i m p u l s em e t h o d k e y w o r d s ：c a b l e f a u l t , s e c o n d - i m p u l s em e t h o d e x a c tl o c a t i o n 广r 大掌工程司i 士掌位能文电力电羽c 故障搁i 涮技术的应用习院 第一章绪论 一、立论依据 1 1 项目研究的意义 随着社会经济的发展和现代化建设步伐的加快，工农业生产及人民生活的用电 量日益增加，对电力的需求量越来越大，要求电网的安全运行也越来越高。而作为 连接各种电气设备、传输和分配电能的电力电缆，以其安全、维护工作量少，稳定 性高，有利于提高电能的质量并且美化城市等优点，已经得到越来越广泛的应用。 在城市市区2 2 0 k v 、l l o k v 、l o k v 电网建设中有逐渐取代了架空线的趋势。在我国 一些经济发达地区，如广州、深圳，城市l o k v 配网电缆化率已高达9 5 以上。即便 象在南宁这样的经济欠发达地区，已投入运行了1 i o k v x l p e ( 交联聚乙烯) 电缆2 0 k m ， l o k v 电缆5 7 0 k m ，l o k v 城市配网电缆化率也达到了5 5 的水平。由此可见，电力电 缆的可靠运行直接关系到社会的稳定、经济的发展和人们的生活水平。 电力电缆线路故障和多数电力设备一样，投入运行初期( i 5 年内) 容易发生 运行故障，主要原因是电缆及附件产品质量和电缆敷设安装质量问题；运行中期 ( 5 2 5 年内) ，电缆本体和附件基本进入稳定时期，线路运行故障率较低，故障 主要原因是电缆本体绝缘树枝状老化击穿和附件呼吸效应进潮而发生沿面放电；运 行后期( 2 5 年后) ，电缆本体绝缘树枝状老化、电热老化以及附件材料老化加剧， 电力电缆运行故障率大幅上升。随着时日j 的推移，如今运行的1 1 0 k v 及以上高压的x l p e 电缆，有些己逐渐进入电缆及其附件预期寿命的“中年期”。电缆系统在实际使用状况 下，能够继续长时期可靠工作或因绝缘老化加速而缩减使用寿命是运行管理部门十分关 注的问题。 1 1 1 电力电缆的优越性 目前我国电力系统中主要采用两种传输线路即：架空线和电力电缆。架空线是裸 导线或绝缘导线架空敷设，靠绝缘子实现电气绝缘和机械固定。电力电缆的结构比架 空线复杂，其基本结构归纳起来共有四部分：线芯( 又称导体) 、绝缘层、屏蔽层、保 1 广冒r 大掌工程硕士掌位论文 电力电缆故障挥测技术的苴l 用研究 护层，这四部分的结构上的差异就形成了不同的电缆种类。电力电缆与架空线相比， 具有如下优点： 1 占地少：电缆敷设在地下，不占地面，空间，同一地下电缆通道，可以容纳多 回线路。如一个1 1 0 k v 及以上进线的普通变电站常有四五十条l o k v 出线，如果采用 架空线路出线的话，考虑安全与检修方便就不能过多的进行同杆架设，这样多的架空 线路走廊需占地简直是无法想象的，而用电缆线路只要建筑一条2 m x 2 m 的隧道就能 将全部出线容纳。 在城市道路和大型工厂，用电力电缆供电，有利于市容，厂容整齐美观。机场、 港口等无法用架空线路的地方，只能用电缆来供电。且电缆线路具有可密性。 2 供电可靠：架空线路易受台风、暴雨、雷电、交能事故、放风筝、外力破坏和 鸟等自然和人为的外界影响，造成断电、停电或其它故障。而电缆线路除了露出地面 的户外终端部分外，受自然环境和人为损坏的影响减少到很小程度，因此可靠性好。 3 电缆隐蔽在地下，无论发生何种故障，由于带电部分在接地屏蔽内，只会造成 跳闸，对人体比较安全，供电可靠性高。 4 有利于提高电力系统的功率因数：一条i k m 长，l o k v 三芯2 4 0 r a m 2 电缆，其电 容量达0 5 8 p f ，相当于一台3 1 k v a r 移相电容，因此电缆线路的无功输出是非常大的。 对于改善系统的功率因率、提高线路输送容量、降低线路损耗大有好处。 5 电缆线路的运行维护费用比较少。 1 i 2 电力电缆的发展现状 现代电网j 下逐步向超高压，远距离，大容量发展。城市电网高电压、大截面、大 长度电力电缆的普遍使用，极大地带动了电力电缆的发展。电力电缆的发展经历了由 充油电缆一油浸纸绝缘电缆一一x l p e 一一g i s 的发展过程，现在已发展到7 5 0 k v 电压等级的电缆。特别是x l p e ( 交联聚乙烯电缆) ，具有线芯允许温度高、介质损耗 小、电气强度高、重量轻，敷设安装方便及不受落差限制，附件制作简单等优点，使 之成为中高压输电系统的主要产品。我国6 0 年代丌始研制制聚乙烯( p v c ) 和交联聚乙 烯( x l p e ) 电缆，8 0 年代国产l l o k v 交联电缆得到应用，9 7 年丌始生产2 2 0 k v 的交联 电缆。 1 1 3 电力电缆故障探测的意义 根据运行经验表明，电缆运行了一定的年限，故障率有逐年长升的趋势。电缆发 生故障时，由于埋在地下，查找比架空线困难，若故障测距不准，电缆路径不清楚， 2 广西大掌工程司l 士掌位论文 电力电茸l 故障探 舅技术的詹【j 啊研究 耽误了大量时间，造成无法估量的损失。今年某供电局供军区的电缆出现故障，造成 连续两次停电，造成了一定的政治影响。试想在今年中国一东盟博览会期问，如果出 现电缆故障，会造成多大的经济损失和国际影响? 所以有必要对电力电缆故障探测方法进行深入的研究。从二战前提出的，发展到 今天已经出现了诸如：电桥法，驻波法等经典理论方法，以及基于行波理论产生的： 五十年代的低压脉冲法，七十年代的脉冲电压法，八十年代的脉冲电流法等的现代行 波法。理论是方法的依据，尤其是现代行波理论所采用的均匀传输线中的导行电磁波， 完全应用了麦克斯韦的电磁理论，分析电磁波在传输线上的波动过程，以此来定位故 障点的位置。这些理论都是建立在对长距离传输线路模型的简化基础上，即经过特殊 处理，简化为现在应用普遍的均匀传输线路的电报方程。【3 】但应用实际中非均匀传输 线的非均匀性我们是要必须考虑的，即没有对传输线进行特殊处理，并且也不需要对 耦合的电报方程进行解耦处理。应用数值分析方法得到更加精确的传输线路波动方 程，对于线路故障的探测也将更准确，其意义和价值都是难以想象的。 综上所述，通过从电力电缆的发展，优越性，故障危害，理论方法的创新等方面 我们可以得出对电力电缆的故障探测的研究有着重要的理论意义和应用价值。对于电 力系统是一个非常迫切需要解决的问题。 1 2 国内外研究现状 目前，电缆线路故障测距方法，主要为离线进行，但在线故障测距方法也已出现。 例如，日本学者采用脉冲电流法，由光纤电流互感器感应出故障时产生的浪涌电流信 号，利用采集速度为1 6 删z 的快速a d 技术实现测距，目日口他们只实现了不带分支出线 电缆的在线故障测距。下一步目标是带分支出线系统的在线故障定位。“” 美国学者为克服高压脉冲法有可能对电缆的健全部分进一步造成危害的缺陷，也 提出了在线故障测距方法。但其出发点是将环形线路丌路或在线路末端设置丌路点， 利用故障时产生的浪涌电压或电流在开路点发生正或负的全反射，通过设于丌路点附 近的传感器得到脉冲信号，测出其脉冲间隔时间实现测距。”1 但这种方法在实际电网 中存在局限性。 另外，日本学者还提出了利用分布式光纤温度传感器( f o d t ) ，通过检测故障点附 近温度变化情况来实现电缆故障定位的新方法。“”英国学者则提出了利用基于脉冲电 3 ，1 盯大掌工租司e 士掌位能- 文 电力电缆故障挥测技术的应用研究 流法的实时专家系统来实现电缆的故障定位。” 随着计算机技术的应用，微机保护和故障录波装置脚1 的丌发及大量投放，更加速 了故障测距的实用化进程。基于微机或微处理机装置的故障测距方法研究也成为国内 外的热门课题之一。 综观现有的行波测距方法，特别是新型测距方法，国内外学者作了大量的研究，并 取得了一定的成果。总而言之，行波方法有很多独特的优点，今后将在测距和距离保护 中得到更为广泛的应用。 1 3 本课题研究的意义 电缆线路的故障测距方式有离线理论和在线理论两大类。其中离线理论按原理来 分类主要有血大类：电桥法，驻波法，低压脉冲反射法( 又称雷达法) ，脉冲电压法 ( 又称闪络法) 文献o ”、脉冲电流法文献”。”。其中低压脉冲法，脉冲电压流法是 基于理想模型的现代行波理论。 目| ；i 在市场上的电力电缆故障测试仪器都是在以上理论基础发展起来的，以西安 电子科技大学和山东科汇为代表。采集故障波形的方法有电压采样、电流采样、电压 电流综合采样，但采集到的波形只是用示波器简单的实时显示出来，而电缆故障是多 种多样的，尤其是高阻故障、闪烙性故障，记录波形经常出现令人无法判断的情况。 只能单靠试验人员在实际应用中自已模索，所以有了探测电缆故障点“三分靠仪器， 七分靠人”的说法。如果利用现代计算机技术和电子技术，在上述理论的基础上丌发 出新的电缆故障探测设备并应用于实践，能大大提高电缆故障探测的速度和降低工人 劳动强度。 4 ，曹大掌工程习e 士掣啦论文电力电茸l 故障探涮技术的矗l 用研兜 第二章研究方案( 理论及应用) 二、研究方案 2 1 研究目标 本课题需对电力电缆及其组成部分进行分析，对低阻、高阻故障、闪烙性故障的形 成进行分析。在现有的行波方法的基础上进行理论研究。在完善电缆故障测距理论的同 时，还需探讨新的故障定位系统并将其进行应用研究。 2 2 研究内容 2 2 1 分析电力电缆及其组成部分； 目前1 l o k v 等级以下的电力电缆多采用交联聚乙烯电缆，其基本的构成如下图2 - 1 所示，l o k v 及以下多采用三芯结构，3 5 k v 一1 1 0k v 的电缆则为单芯结构，虽然单根芯的 结构大致相类，但电压等级越高的电缆，其绝缘材料的纯度要求就越高，制作工艺水平 也越高。 图卜l 5 铜导体 n 导电包带 挤包导体屏蔽层 x l p e 绝缘层 挤包绝缘屏蔽层 绕包阻水带 波纹铝护套 渤青防腐涂层 挤包塑料外护套 i 墨涂层 2 3 4 5 6 7 8 9 k 厂。冒r 大掌工租硕士掌位论文电力电茸【故障挥测技术的苴u 胃习f 宠 2 2 2 分析电缆故障产生的原因； 了解电缆故障的原因，对减少电缆的损坏，快速判定故障点十分重要。电缆故障的 原因大致分为以下几类： 机械损伤：机械损伤类故障比较常见，所占的故障率最大，约为5 7 。其故障形 式比较容易识别，大多造成停电事故。一般造成机械损伤的原因有以下几种； 1 ) 直接受外力破坏。如进行城市建设，交通运输，地下管线工程施工、打桩、起 重、转运等误伤电缆。 2 ) 施工损伤。如机械牵引力过大而拉损电缆；电缆弯曲过度而损伤绝缘层或屏蔽 层；在允许施工温度以下的野蛮施工致使绝缘层和保护层损伤；电缆剥切尺寸过大，刀 痕过深等损伤。 3 ) 自然损伤。如中间头或终端头的绝缘胶膨胀而涨裂外壳或附近电缆护套；因自 由行程而使电缆管口、支架处的电缆外皮磨破：因土地沉降、滑坡等引起的过大拉力而 拉断中间接头或电缆本体；因温度太低而冻裂电缆或附件；大型设备或车辆的频繁振动 而损坏电缆等。 绝缘受潮：绝缘受潮是电缆故障的又一主要因素，所占的故障率约为1 3 ，绝缘 受潮一般可在绝缘电阻和直流耐压试验中发现，表现为绝缘电阻降低，泄漏电流增大。 一般造成绝缘受潮的原因有以下几种：主要有接头盒或终端盒结构不密封或安装不良导 致进水、电缆制造不良有小孔或裂缝、金属护套被外物刺伤或腐蚀穿孔等。 绝缘老化变质：电缆绝缘长期在电和热的作用下运行，其物理性能会发生变化， 从而导致其绝缘强度降低或介质损耗增大而最终引起绝缘崩溃者为绝缘老化，绝缘老化 故障率约占1 9 。运行时间特别久( 3 0 一4 0 年以上) 的则称为j 下常老化。如属于运行不 当而在较短年份内发生类似情况者，则认为是绝缘过早老化。引起绝缘过早老化的主要 原因有： 1 ) 电缆选型不当，致使电缆长期在过电压下运行。 2 ) 电缆线路周围靠近热源，使电缆局部或整个电缆线路长期受热而过早老化。 3 ) 电缆工作在与电缆绝缘起不良化学反应的环境中而过早老化。 4 ) 绝缘介质内部气息在电场的作用下产生游离使绝缘下降，电缆运行过热时也会 引起绝缘层的老化变质。 过电压。电力电缆因雷击或其他冲击过电压而损坏的情况在电缆线路上并不多 见。因为电缆绝缘在正常运行电压下所承受的电应力，约为新电缆所能承受的击穿试验 6 ，。r 大掌】灌习e 士奄巴1 立制电力电臻故障挥测技术的置l 用研究 时承受电应力的十分之一。因此，一般情况下，3 4 倍的大气过电压或操作过电压对于 绝缘良好的电缆不会有太大的影响。但实际上，电缆线路在遭受雷击时被击穿的情况并 不罕见。从现场故障实物的解剖分析可以确认，这些击穿点往往早已存在较为严重的某 种缺陷。雷击仅是较早地激发了该缺陷。容易被过电压激发而导致电缆绝缘击穿的缺陷 主要有： 1 ) 绝缘层内含有气泡，杂质或绝缘油干枯。 2 ) 电缆内屏蔽层上有结疤或遗漏。 3 ) 电缆绝缘己严重老化。 4 ) 大气过电压与内部过电压的作用，使电缆绝缘层击穿，形成故障，击穿点一般 存在材料缺陷。 过热。电缆过热有多方面的因素，从近几年各地运行情况的统计分析上来看， 主要有以下原因： 1 ) 电缆长期过负荷运行。 2 ) 火灾或邻近电缆故障的烧伤。 3 ) 靠近其他热源，长期接受热辐射。 过负荷是电缆过热的重要原因，会使电缆发生过热。例如在电缆比较密集的区域， 电缆沟及隧道通风不良处，电缆穿在于燥的管中部分等，都会因电缆本身过热而加速绝 缘损坏。橡塑电缆长期过热后，绝缘材料发生变硬、变色、失去弹性、出现裂纹等物理 变化；另外，过负荷也会加速电缆铅包晶粒再结晶而造成铅包疲劳损伤。 产品质量缺陷。电缆及电缆附件是电缆线路中不可缺少的两种重要材料。它们 的质量优劣，直接影响电缆线路的安全运行。由于一些施工单位缺乏必要的专业技术培 训，使电缆三头的制作质量存在较大的质量问题。这些产品质量缺陷可归纳为以下几个 方面： 1 ) 电缆本体质量缺陷。油纸电缆铅护套存在杂质砂粒、机械损伤及压铅有接缝等； 橡塑绝缘电缆主绝缘层偏芯、内含气泡、杂质，内半导电层出现节疤、遗漏，电缆贮运 中不封端而导致线芯大量进水等；上述缺陷一般不易发现，往往是在检修或试验中发现 其绝缘电阻低、泄漏电流大，甚至耐压击穿。 2 ) 电缆附件质量缺陷。传统三头质量缺陷有：铸铁件有砂眼，瓷件强度不够，组 装部分加工粗糙，防水胶圈规格不符或老化等。热缩和冷缩电缆三头质量缺陷有：绝缘 管内有气泡、杂质或厚度不均，密封涂胶处有遗漏等。 7 广西大掌工程硕士掌位论文电力电线故障挥测技术的豆用研究 3 ) 三头制作质量缺陷。传统式三头制作质量缺陷主要有：绝缘层绕包不紧( 空隙 大) 、不洁，密封不严，绝缘胶配比不对等。热缩三头制作质量缺陷主要有：半导电层 处理不净，应力管安装位置不当，热缩管收缩不均匀，地线安装不牢等。预制电缆三头 安装质量缺陷主要有剥切尺寸不精确，绝缘件套装时剩余应力太大等。 另外，电缆线路中也有一些是拆用旧电缆及附件的情况，这种以旧充新或以旧补旧 的做法虽然在利用材料，节省资金方面有好处，但对设备完好率却影响很大。 设计不良。电力电缆发展到今天，其结构与型式已基本稳定，但电缆中日j 头和 终端头的各种电缆附件却一直在不断地改进。这些新型电缆附件往往在新设备、新材料、 新工艺上没有取得足够的运行经验，因此在选用时应慎之又慎，最好根据其运行经验的 成熟与否，逐步推广使用，以免造成大面积质量事故。属于设计不良的主要弊病有： i ) 防水不严密。 2 ) 选用材料不妥当。 3 ) i - 艺程序不合理。 4 ) 机械强度不充足。 电缆绝缘物的流失：当一些电缆有高度落差时，具有流动性的物质( 如绝缘油 等) 会流动，造成高的地方绝缘受到损害，绝缘降低。 2 2 3 分析电缆故障的性质、类别； 上节介绍了电力电缆故障的原因。实际上，电力电缆的故障有些是某一种原因造成 的，而大多数则是由几种原因共同作用的结果。因此，电力电缆的故障原因是极其复杂 的。电力电缆的故障形式千差力别，为便于电缆故障的诊断与研究，对电力电缆故障的 分类显得十分必要。 电缆线路的故障，根据不同部门的需要，可以有不同的分类方式。现分述如下： ( i ) 电缆线路故障按故障部位分类。 i ) 电缆本体故障。 2 ) 电缆中间头故障。 3 ) 电缆户内头故障。 4 ) 电缆户外头故障。 ( 2 ) 电缆线路故障按故障时自j 分类。 1 ) 运行故障。运行故障是指电缆在运行中因绝缘击穿或导线烧断而引起保护器动 作，突然停止供电的故障。 s 广蕾r j 拍鼻工疆l 【士掣啦髓文电力电线故障朔i 鞠l 技术的重用研究 2 ) 试验故障。试验故障是指在预防性试验中绝缘击穿或绝缘不良而必须进行检修 后才能恢复供电的故障。 ( 3 ) 电缆线路故障按故障责任分类。 1 ) 人员过失。电缆选型不当，三头结构设计失误，运行不当，维护不良等。 ：2 ) 设备缺陷。电缆制造缺陷，电缆三头附件材料缺陷，利旧设备的遗留缺陷，安 装方式不当或施工工艺不良等原因造成的三头质量缺陷。 3 ) 自然灾害。雷击、水淹、台风袭击、鸟害、虫害、泥石流、地沉、地震、天体 坠落等。 4 ) 正常老化。一般电缆运行3 0 年以上的绝缘老化，户外头运行2 0 年以上的浸潮， 垂直敷设的油纸电缆在2 0 年以上的高端干枯等。 5 ) 外力损坏、腐蚀、用户过失及新产品、新技术的试用等。 ( 4 ) 电缆线路故障按故障性质分类。 根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为丌路、低阻、高阻与闪络性故障。 以上分类的目的是为了选择测试方法的方便，根据目前流行的故障测距技术，开路与 低阻可用低压脉冲反射法，高阻故障要用冲击闪络法，而闪络性故障可用直流闪络法 测试。下面对分类法作一简单介绍。 2 2 3 1 开路故障 若电缆相问或相对地绝缘电阻达到所要求的规范值，但工作电压不能传输到终 端，或虽终端有电压，但负载能力较差。如图2 2 ，在a 相a 点存在有电阻r 。，当r 。= 一，即为断线故障，这是开路故障的特例。 图2 - 2 电缆故障示意图 2 2 3 2 低阻故障 低阻故障。即低电阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间 的绝缘电阻低于i o z c ( z c 为电缆特性阻抗，一般不超过4 0 0 ) 时，而导体连续性良 9 - 置r 大学工租司e 士掌位论文电力电茸l 故障挥测技术的扈u 骨研究 好者称为低阻故障。一般常见的低阻故障有单相接地、二相短路或接地等。 说明：这一低阻故障的定义是针对脉冲反射测试原理而定的，其他测试方法中的低 阻故障定义与特性阻抗z c 无关。下面介绍的高阻故障办然。 本书定义的低阻和高阻故障的分界值l o z c 不是一个精确的数值，而是一个模糊的 概念。因为电缆的特性阻抗随着不同的电缆结构而变化( 如2 4 0 r a m 2 的电缆z c 为l o q ，3 5 咖2 的电缆z c 为4 0q ) ，而这样定义的根本原因是为了划分脉冲反射诊断技术中低压 脉冲法是否可以测试，也就是说绝缘电阻大约在l o z c 以下的电缆故障可用低压脉冲法 测试，否则低压脉冲法不能测试。 2 2 3 3 高阻故障 电缆相间或相对地绝缘损坏，其绝缘电阻较大，不能用低压脉冲法测量的一类故 障，它是相对于低阻故障而言的。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘 电阻低于正常值很多，但高于l o z c ，而导体连续性良好者为高阻故障。一般常见的 高阻故障有单相接地、二相短路或接地等。 低阻故障与高阻故障的区分界限一般耿电缆本身波阻抗的1 0 倍( 电力电缆波阻抗 一般在l o 一4 0 欧姆) ，但在实际测试工作中并不要求很严格地区分。 2 2 3 4 泄漏性故障 泄漏性故障是高阻故障的一种极端形式。在进行电缆绝缘预防性耐压试验时，其 泄漏电流随试验电压的升高而增大，直至超过泄漏电流的允许值( 此时试验电压尚未 或已经达到额定试验电压) ，这种高阻故障称为泄漏性故障。泄漏性故障的绝缘电阻 可能很高，甚至达到合格标准。 2 2 3 5 闪络性故障 f i j 络性故障是高阻故障的又一种极端形式。在进行电缆绝缘预防性耐压试验时，泄 漏电流小而平稳。但当试验电压升至某一值( 尚未或已经达到额定试验电压) 时，泄漏 电流突然增大并迅速产生闪络击穿，这种高阻故障称为c j 络性故障。闪络性故障的绝缘 电阻极高，通常都在合格标准以上。具有闪络性故障的电缆，短期内，在较低的电压下 ( 不大于闪络击穿电压) ，其闪络击穿的现象可能会完全停止并显现较好的电气性能。 预防性试验中所发生的故障多属于这种情况。 实际上，高阻故障的特性可由高阻故障等效电路分析清楚。如图所示，泄漏电阻r s l o 广i 大学强习l 士掌位健。文 电力r 电垃故障挥潮技术的应用司 电 埘地 和放电间隙j s 的相对大小变化，决定了高阻故障的特性是属于泄漏性、闪络性或是二 者兼而有之。 例如：当r s 很大( 近似无穷大) 时，故障点j s 两端的直流电压可以升至额定试验 电压而泄露电流还远达不到额定允许值。在这种情况下，如果j s 的击穿电压大于额定 试验电压，这个故障点在该试验电压下将不会被发现；如果j s 的击穿电压小于或等于 额定试验电压，则耐压试验时j s 将被击穿，形成闪络性故障。 当j s 较小时，在耐压试验中，由于r s 的存在而产生较大的泄漏电流，同时该泄漏 电流将在高压试验电源的内阻上形成较大的压降，从而使试验电压无法升高。欲继续升 高试验电压，势必造成泄漏电流的剧增，甚至远远大于允许值，这样的耐压试验一般由 人为或试验设备继电器保护动作而终止。在这样的故障点中，由于j s 两端电压较低而 常常不能被击穿，只表现出泄漏电流过大。这就是泄漏性故障。 当r s 与j s 适中时，在耐压试验中可能会出现泄漏电流较大，而试验电压又可以升 高( 甚至达到额定试验电压) ，在较高的试验电压下也可能会出现闪络击穿。这就是我 们讲的通常意义的高阻故障。 高阻故障中的等效泄漏电阻r s 减小到l o z c 以下时，其故障性质就转变为低阻故障。 广西大掌工租司e 士掌位论文电力电或故【挥测技术的应用研究 第三章研究方法 三、研究方法 电力电缆故障的诊断，无论选用哪种测试方法，均需按照一定的程序和步骤进行。 现归纳如下。 ( 1 ) 确定故障性质。当着手对某一故障电缆进行故障测试时，首先要进行的工作 是了解故障电缆的有关情况以确定故障性质。掌握这一故障是接地、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，还是泄漏性或闪络性故障。 只有确定了故障性质，才可以选择适当的测试方法对电缆故障进行具体的诊断。 ( 2 ) 粗测距离。当确定了故障电缆的故障性质以后，就可以根据故障性质，选择 适当的测试方法测出故障点到测试端或术端的距离，这项工作称为粗测距离。 粗测距离是电缆故障测试过程中最重要的一步，这项工作的优劣，决定着电缆故障 测试整个过程的效率和准确性。因此，常常需要具有相当专业技术基础理论知识和丰富 实践经验的人员来进行操作。人们在长期的生产实践中探讨和总结出多种故障距离的粗 测方法，即经典法( 如电桥法及其变形等) 和现代法( 脉冲反射法) 。 随着电力电缆生产质量的提高和新型绝缘材料的采用，使电缆的故障电阻不断提 高( 达到兆欧级) 。据统计，凡预防性试验击穿的故障电阻，不少于9 0 9 6 在兆欧数量以 上；运行故障的7 5 是高阻故障，其中6 0 以上的故障电阻达到兆欧级。由此看来电 缆故障的绝大部分为高阻故障，那些只能测试低阻故障的经典测试方法显然适用性太 差。当遇到高阻故障时，必须经过一个耗时、费力的“烧穿”降阻过程，以求把高阻 故障转化为低阻故障，这个漫长的过程需要的设备笨重而繁杂，而新型绝缘材料电缆 的故障电阻极难“烧穿”与降阻。 ( 3 ) 精测定点。精测定点是电缆故障测试工作的最后一步，也是很重要的一步。 在粗测出故障距离后，为什么还需要精测定点呢? 因为粗测出的故障距离有一定的误 差，故障距离的丈量也有误差。因此，在精测定点前只能判断出故障点所处的大概位 置，要想准确地定出故障点所在的具体位置，必须经过精测定点。 1 2 ，西夫掌】疆习l 士掌位饿叼乞电力电缆故l 挥测技术的葺【用研究 3 1 测距的理论方法 3 1 1 电桥法 这是一种经典测试方法。 塌 b 圈$ - 1 电桥电路接图 将被测电缆终端故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相，图 3 - 1 b 给出了等效电路图。仔细调节r ：数值，总可以使电桥平衡，i i o c d 日j 的电压差为0 ， 无电流流过检流计，此时根据电桥平衡原理可得： 如心= r ，r 2( 1 ) r 。、r ：为已知电阻，设：r 。r 。= k ，则融r 4 _ k 由于电缆直流电阻与长度成正比，设电缆导 体单位长度电阻为r o ，l 全长代表电缆全长，b 和k 分别为电缆故障点到测量端及末端 的距离，则r 2 可用( l * + k ) r o 代替，根据式( 1 ) 可推出： l k + l o = k b 而l o = l 生长- l x ，所以： l x = 2 l t k ( k + 1 ) 电缆断路故障也可用电容电桥测量，原理与上述电阻电桥类似。电力电缆的高阻故 障几乎占故障总数的9 0 以上，对于这些高阻故障，经典的测试方法是毫无效果的。 因为高阻故障的故障电阻很高，测量电流极小，即使用足够灵敏的仪表也难以测量；对 于低压脉冲法，由于故障点等效阻抗几乎等于电缆的特性阻抗，即反射系数几乎为零， 所以 | 导不到反射脉冲而无法测量。为了使经典法能够测试高阻故障，必须通过烧穿降阻 法把高阻故障变为低阻故障。 1 3 广冒r 大掌工租硕士掌位论文电力电缆故障探删技术的基“锋研究 为利用电缆中电渗透效应的优点，烧穿设备的输出通常是直流负高压。大量的实践 证明，用负高压烧穿故障点的效果要比正高压或交流高压烧穿故障点好得多。烧穿电流 一般为毫安级。那种认为烧穿须用大电流的概念是错误的，事实上，在直流负高压下， 数毫安的电流即可使故障点的绝缘物碳化。烧穿电流太大时，虽然烧穿速度快，但烧穿 过程不易控制，极易引起故障点的碳化熔烧，形成会属性接地故障，从而增加了故障定 点工作的难度。 当故障点形成低而稳定的电阻通道时，即可使用低阻测试方法进行故障距离的测 试。顺便提一下，并不是所有的高阻故障都可以用烧穿法降为低阻故障( 如某些电缆中 间头) 。对于油浸纸绝缘电缆，由于绝缘油的渗透作用，常使烧穿后的故障阻值回升而 影响测试工作，有时需要反复烧穿。 经典法测试高阻故障，必须经过烧穿降阻过程。而有些高阻故障虽然已被烧穿，但 当去掉烧穿高压时，故障电阻迅速回升，以致无法测量。另外，| j 面介绍的几种低压电 桥法，由于测试电压低，测量电流小，在检流计灵敏度一定的情况下，测量误差大。为 解决上述两个问题，可采用高压电桥法。 高压电桥法的测试接线方式，测量原理与故障距离的计算公式均与电阻电桥法完全 相同。所不同的是将低压直流电源换成高压直流电源。高压电桥法，由于在测试过程中 所有测试设备均在高压状态工作，所以设备与操作人员的安全工作是一个十分重要的问 题，只有在比较完善的测试条件下，才可使用高压电桥法。因此，高压电桥法始终没能 普遍推广应用。 3 1 2 低压脉冲反射法 利用传输线的电波反射现象，通过计量发射脉冲与故障点反射脉冲之b j 的时差来 进行测距。据统计，用低压脉冲法测定的电缆低阻或丌路故障，约占电缆故障总数的 10 。低压脉冲反射法适用于低阻( r x l o z c ) 短路或接地、断线( 丌路) 性故障， 并可测试电缆的全长和电波在电缆中的传播速度。由于电缆的全长及电波在电缆中传 播速度的测试方法与开路性故障完全相同，因此这罩不作特别介绍。低压脉冲反射法 测试线路非常简单，测试时向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配 点，如短路点、故障点、中问接头等，脉冲产生反射，如图3 2 所示： 1 4 广冒大掌工程号l 士掌位论文电力电蝮故【挥疆_ 技术的直l 用研究 图3 2 低压脉冲反射原理图 回送到测量点被仪器记录下来( 图3 - 2 ) 。波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差 a t ，对应脉冲在测量点与阻抗不匹配点往返一次的时日j ，已知脉冲在电缆中的波速 度v ，则阻抗不匹配点距离，可由下式计算： l - - v a t 2 3 1 3 脉冲电压法 7 0 年代发展起来的用于测量高阻与闪络故障的方法。该方法首先将电缆故障在 直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所 需的时间来测距。包括直流高压闪络测量法( 直闪法) 和冲击高压闪络测量法( 冲 闪法) 。脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故 障击穿产生的瞬日j 脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是电缆故障测试 技术的重大进步。 3 1 4 脉冲电流法 实际上是闪络法的另一种形式。它通过记录测量故障点击穿时产生的电流行波信 号，在故障点与参考点往返一次所需的时b j 来测距。这种方法用互感器将脉冲电流耦合 出来，波形较简单，较安全。 工作原理：设时间t = 0 时，电缆故障点在外加电压一e 作用下击穿，形成短路电弧， 从而使故障点电压突跳为零。此时，在故障点处产生一个与一e 相反的萨突跳电压e 。以及 相应的电流i 。= - e z o ( 规定电流从测量点流向电缆为证，因突跳电压e 产生的电流是从 故障点流向测量点的，故为负，z 。为电缆波阻抗) 向电缆两端传送，见图3 3 。 1 5 广西大掌工程司e 士掌位论文电力电缆故障探测技术的矗l 用研究 图3 3 直流闪络电流行波网格图 在时间t = t 时，电流波i 。到达测量端，而电容对高频行波信号呈短路状态，根 据行波理论一电流在测量端被全部地反射回故障点；而在故障点由于电弧短路又被 完全反射回来；在t = 3t 的时刻到达测量点，产生第二次反射；这样来回反射，直 到整个瞬态过程结束。测量点的电流是所有电流波的和，把图4 时问轴上的电流波逐 点相加，可得到如图1 - 5a 所示的电流。 电流的初始值为2 i 。，即电流入射波i 。到达测量点后，产生了电流加倍现象，而线 性电流耦合器的输出则只反映电流的突变成分，如图3 - 4b 所示。由图3 b 可见，t l = t 与t 2 = 3t 时分别出现两个负脉冲，第一个负脉冲是故障点放电脉冲到达测量点引 起的，可简单地叫做故障点放电脉冲；第二个负脉冲是故障点反射脉冲引起的，叫做 故障点反射脉冲。它们之间的距离对应电流脉冲从测量端运动到故障点又返回的时间 差at = t 2 一t l = 2t ，计算出故障距离为： l x = v t 2 ( 其中v 为行波在电缆中的传播速度。) 1 6 c 广西，叫塾工灌习e 士掌位论文电力电或故嗤暑渊技术的矗u 啊研究 ( a ) 铡量点电漉 ( a ) 测量点电流( b ) 线性电流耦合器的输出 国3 - 4 直闪法电流波形 3 1 5 直闪法： 直流高压闪络法简称直闪法，该方法最适于高阻闪络性故障，即故障点未形成电 阻通道( 或虽形成电阻通道，但阻值很高) ，当外施电压达到一定值时( 一般为数千伏 或上万伏) 产生c j 络击穿。 闪络性故障两次击穿的时日j 间隔，有时为数秒或数分钟，对于油浸纸绝缘电缆， 尤其是陈旧性的充油接头部位故障，由于绝缘油的流动，可使击穿现象暂时停止，形成 封闭性故障。另一方面，闪络性故障击穿几次或十几次以后，由于故障电阻降低，直流 高压加不上而无法继续测试，所以应珍惜最初的闪络机会。 3 1 6 电缆故障探测新理论二次脉冲法 根据本文所提及的几种方法，在故障地点距离测试中仍然存在以下问题： ( 1 ) 故障点未击穿。 在测试中，缺乏经验的人员常认为球间隙放电时，故障点也同时放电；或认为只要 球间隙放电，就可以测到所需的波形，其实这两种观点都是片面的。球日j 隙的击穿，取 决于球间隙距离的大小与所加电压的高低。距离越大，击穿所需的电压越高，击穿时加 到电缆上的电压也越高。而故障点的击穿与否是取决于故障电阻的大小与电缆上受到的 冲击电压的高低。对于具有某一故障电阻值的故障点，若球问隙太小，球隙击穿时加到 电缆上的电压就很低，甚至可能低到无法电离击穿故障点。 1 7 f - 冒大掌工程司e 士掌位论文 电力r 电班故障挥镰i 技术的丘用研究 判断故障点是否闪络击穿放电的方法主要有以下两种： 1 ) 通过检测高压整流回路中的电流来判断故障点是否闪络击穿放电。一般来说， 放电电流不大于l o m a 时，故障点未被击穿；放电电流大于2 0 m h 时，故障点已c j 络击 穿；放电电流在l o 2 0 m h 时，常常表现为放电不充分。故障点已充分放电时，球间隙 的放电声音清脆而响亮。 2 ) 通过观察闪测仪测试波形来判断故障点是否闪络击穿放电。对于直闪法，若故 障点闪络放电，仪器屏幕上就会显示直闪波形，否则将无任何波形显示。对于冲闪法， 故障点未击穿时，测得的波形上只有终端反射脉冲，而没有故障点放电脉冲。当故障点 放电不完善时，屏幕上会出现一些无规律的波形，而不是大余弦振荡波形。 当故障点不放电或放电不完善时，将造成无故障点反射波形或波形不规则，给测距 工作带来困难。这时，可以考虑增大冲击放电能量。 由w = i 2 c v 2 可知，加大电容量和提高冲击电压均可增大冲击放电能量，当电容量足 够大( 不小于4 uf ) 时，提高冲击电压的效果更明显。 ( 2 ) 多点故障的同时放电。 在实际测试中，有时存在故障电缆的一相上有两点( 或两点以上) 故障的情况。对 这类故障进行闪络方式测试时，往往会出现两个( 或多个) 故障点同时放电的现象。一 般来说，在测试端得到的是较近故障点的放电波形，后面故障点产生的反射波因前面故 障点已被放电电弧短路而不能到达测试端。但也有可能出现较近的故障点没有被放电电 弧完全短路的情况，这样，测得的波形就比较复杂了，是一个叠加着两个故障点反射的 合成波形。 ( 3 ) 冲击电压过高。 在冲闪法测试过程中，不应使冲击直流高压太高。因为，过高的冲击直流高压会引 起测试波形的畸变。当被测试相上有两个以上的故障点时，可能引起多个故障点同时放 电，使测试波形复杂化。过高的冲击直流高压可能会将故障点电阻降低太快，甚至变成 金属性接地故障，从而给定点工作带来麻烦。基于上述三个原因，直闪法测试电缆故障 时，冲击直流高压应由低到高逐渐调整，并且能使故障点充分放电即可。 从上面的分析我们可以知道，低压脉冲法波形清晰，易于工程技术人员判别故障， 但只适用于低阻故障，而脉冲电压法适用于各种故障，但波形较难判别。如将两者技术 结合在一起，针对高阻及闪络性故障，按照以下工作步骤工作，在理论上是可行的。 首先对故障电缆发射一个低压脉冲，只要故障点的接地电阻大于电缆波阻抗5 倍以 1 8 广西大掌工租习i 士掌位能i 文l 力电线故障挥测劓的应用研究 上，我们可以认为此时故障电缆相对于低压脉冲是丌路，脉冲在高阻和闪落性的故障点 不会产生反射。那么在脉冲释放端接收到的反射波形相当于一个线芯绝缘良好电缆的波 形。 对故障电缆释放一个足以使线芯绝缘故障点发生闪络的高压脉冲，同时触发释放第 二个低压脉冲，在故障点的电弧未熄灭时，故障点相对于低压脉冲是完全短路，那么在 脉冲释放端接收到的低压脉冲反射波形相当于一个线芯对地完全短路的波形。 将前后两次接收到的低压脉冲反射波形进行叠加，两个波形将会有一个明显的分叉 点，分叉点的位置就是故障点位置。 二次脉冲法原理及系统组成图( 图3 - 5 ) 如下： 幽3 - 5 - 二次脉冲法原理及系统组成 在用二次脉冲法完成故障点的预定位后，把放电球隙调到一定位置，然后把电压升 到至球隙自动放电。从示波器或放电声音可以判断故障点是否已经击穿放电，当故障点 击穿放电时，球隙的放电声大而清脆。测量人员可以携带声磁接收仪到计算出的地点探 测，根据放电声音的大小和磁场信号的频率断定故障点的精确位置。 3 1 7 电缆故障精确定点理论 电缆故障精确定点及路径查寻可以选择多种精确定点的方法，音频法、声磁同步 法。其中音频法出现的较早，由技术人员持地麦克风在预测的地点根据声音的大小来判 断距故障点的远近。这种办法受外界干扰大，需凭工人的经验来判断信号，在实际应用 1 9 j - - 西大掌工程司e 士学位稍”乞电力电线故障挥删技术的豆佣研，b 中效果不佳。 而在故障点击穿时，声音信号和磁场信号是同时发出的。但由于磁砀信号的传播速 度比声音信号快得多，因此在进行精确定点时，可以忽略磁场的传播时间，以声音和磁 场的传播时间差乘以声音的传播速度即为故障点离探测点的距离。这种方法就称为声磁 同步法。 故障点放电电缆 图3 6 卢磁同步法故障精确定点原理 声磁同步法在应对低阻故障是，即我们俗称的“死接地故障”时仍存在不少困难， 在出现“死接地”故障后，冲击脉冲在故障点产生的放电声音很细微。声磁同步法在此 时失去效果。需要研究新的音频感应法来应对“死接地”故障。用1 k 赫兹的音频信号 发生器向待测电缆通音频信号，发出电磁波；然后，在地面上用探头沿被测电缆路径接 收电磁场信号，根据信号强弱来判断故障点的位置。 ，霄大掌工覆司e 士掌位论文电力电霸e 故障挥潮技术的应用习 宅 圈3 7 音频感应法测堵相间零电阻故障原理幽 图3 8 绞线法测龌夕e 接地故障原理幽 2 1 广冒大茸讧程硬士掣啦能- 文电力电成舒：i 朔嘲披术的应用研兜 第四章应用研究 四、应用研究 在完善理论研究后，电力电缆故障探测系统项目得到了广西电网公司的大力支持， 被列入了广西电网公司科技进步项目。我们与项目合作伙伴奥地利8 a u r 公司公司密切 合作，尤其在基于传统的低压脉冲、脉冲电流法、脉冲电压法及本课题研究提出的二次 脉冲法、声磁同步法、音频感应法的基础上丌发设备，生产高压电力电缆故障定位系统， 以使其适应多种故障类别的探测和定位。 电力电缆故障探测系统科技项目，在广西电网公司的关心和指导下，在合作伙伴的 共同努力下，己交付使用，该电力电缆故障探测系统采用低压脉冲法、二次脉冲法等多 种测量方法对各类故障进行测距，利用声磁同步法进行故障点精确定位，对各类电缆故 障进行快速的探测。 4 1 系统设备各部分功能简介及主要技术参数 高压电力电缆故障定位系统包括：电缆故障预定位系统s v 3 0 0 0 2 i 0 0 、1 l o 2 2 0 k v 高压电缆故障预定位专用设备、电缆故障精确定点设备两大部分，具体内容简述如下： 4 1 1 预定位设备s v 3 0 0 0 2 1 0 0 电缆故障预定位系统用于测量故障点至测量端的物理距离，它采用2 0 0 m b z 计算机 集成的回波仪