（系统工程专业论文）电力电缆预知性维护技术研究.pdf

綮要 摘要 电力电缆预知性维护技术 就是解决如何在电缆发生故障前 检测并预测电 缆潜在故障 评估电缆搿命 做到预知性维护的 种技术 在现实中 传输电缆 幽身的性质 组成的结构 敞障检测方法本身的岗敞性以及人为等因素会影响敞 簿篱惠獒获毂 鼠丽影确了颈糍性维护魏畜效性 蹦就翔 毒在具有复杂情况下的 邀缆中正确嚣提褒敲障髂患 成秀了窦瑰毫力电缆预知箍维笋豁翦提 本文在深入的礤究了脉冲雷达法理论禳据以及丈量实际毫缆测试装基懿上 主要针对电缆接点对故障检测的影响 提出了一糟谣向实际应用的电缆敬障信患 提取方法 波形类比法 依照实现该方法的技术臻求 本文完成了电力电缆故障诊断平台的硬件软件 设计 通过使用该平台对所搭建各种具有较复杂结构静电缆模型进行故障储慰提 联 验证了波形粪毖法的实耀效果 稷撬实舔溅试爨绻巢 本文嚣提赛羹波形类诧法 鼗毒效酶攘除毫缆接燕黠 檄障信息提取豁干撬 瓣予其有分支结构蘸传输耄缆 该方法同样适震 荠熊有 效的判断出故障的类型和所在的位置 下一步的工作在于 1 波形类比法戚用于 彩分支结构电缆故障测试的实测验证 2 高阻故障枪测时故障信息的提取 3 潜 襁电缆故障预测等问题 关键溺 毫缆效建豫渖雷达法泼澎类毙 a b s 魏e t a b s t r a c 雹 讹ep r e d i c t i v e 晰r c c 拍1 em a i n t e n a i l c et e c h n 0 1 0 9 yi su s e dt os o l v et l l ei s s u et h a t h o wt od e t e c ta n dp r e d i c tm e p o t e n t i a lf l a u l t a s s e s sm ec a b l el i f ee x p e c t a l l c y a c h i c v e p r c d i 髓曲i l i t ym a i n t e n a 芏l c eb e f o t h ec a b l e 如s eb r e a kd o mr e a l i t y 也es 钒l c 锨羚 a n d 掰a 溆i 越o fe 磊l e l 主戳主t 鑫艇啵o f 羹m l 童式鑫替 s 臻艇l 稚a 戡d 酗 m 鼹蠡e 参d f sw i l la 翁融 氆ee 爨b e 螽v e 雅e s so f 则i c 矗v e 檄磁觳专e 珏a 鞋e e 融a c o 斑a 醢e ew i 疆谯 娩獬a e t 蕊蚯c s 强d 鞠晖i 湖激鼢豁o fe 曲l e 钿i l ti n f o 黼蕊摊 a c c e s sm e t h o d i 1 1v i e wo ft i m od o m a i nr e f l e c t o m e t r ym e m o d m ej u n c t i o no fc a b l et h a t i n f l u c n c cd i a 印o s i sr e s u l ti ss m d i e d 跚dt h e n w a v e f o r e 辨i t i o nm e m o di sb r o u 曲t f b r a r d 热a c c o 憾孤c cw i t h 也ec h 瓣c t 棚s t i c sa n df e q u i r 雠e n t so fe a b l ef a l l l ti n f 0 1 撇撕 鼗 a c e 铺s 怒醴输匹 疆玲谢鞴 e a b l e 煮纨l 专垂鑫黟o s i sd v i c c 主sd 然i 辨磁 b y 毽s 趣g 氆i s 谑 耋 镢钯垂c 专囊e 量蠢董童氇触搬 歉o f 氇ee 蕊l 毽谢蘸氇鬣巍勰m u l 碴 e 惑疆翮 国棼 p 麟城e 舔疆宅式o f w a v o 翻越她 g 砖t i o n 擞确 莲主sv 硪蠢甜 b a s e do nm ea c t u a lt e s t s u l t s i tc a l lb ep r o v c d 饿a t 獭ew a v e f o r mr c c o 斟 i t i o n m 砌m dw h i c hi sb r o u 曲ti 觳m i sp a p e rc o u l de 恐c t i v e l yr u l eo u tt 1 1 ej u n c t i o no fc a b l e t h a ti n t e r f 醯ef a u l td i a g n o s i s f o rt h e 协a n s m i s s i o nc a b l ew h i 幽h a sb r 觚c hs t n l c t u 心 m i s 嫩e t h o di s 葡s oa p p l i c a b l e8 1 1 dc a nj u d g ef a u l t 帅ea n dl o c 撕雌e 虢c t i v d y 弧en e x t w o 嫩羔i 懿主珏 王 a c 瓤羹c o 珏蠡鼬a 老i o 靛茈氇ew 鑫v e f o 撒端 辨i 谯潍m 娃囊o d 氇采鸳9 l i 锚主彀 僚em 试纛一溉建o ds 魏蕊驻怒e 鑫b l e 至矗珏l 专老鑫窑是 羹s 2 至融l t 通融礅巍 矗e x 粼i 张逊斑e h 谫髅i s t a n e e 纨 l 蠡a g n o s i s 3 p o t 鼹t 试e 幻 e 孰l 删i 撕触瑟ds o 鼹 k e y w o r d c a b l ef a u l t t i l 姒ed o m a i nr e n e c t o m e t r y w a v e f o r mr e c o g n i 廿o n 薅安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 本人声明所星交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标 注秘致谢辛所罗列的蠹窖馘辩 论文中不包含其德久愁经发表或撰写过麴磷究戒 粟 毽不毽含莠获褥亵安电子辩技大学或其它教育枫捣煞学霞或涯书蒸霞麓过熬 粉料 与我一嗣王佟戆弱恚辩本研究所徽嚣锰簿赏献鹚已在论文孛秧了明确靛说 明并表示了谢意 申请学位论文与资料糟材不实之处 本人承担 切的法律责任 本人签名 吹毖 嚣安毫子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属磷安电予科技大学 学校有投堞 罄送交论文翦复霉件 允谗查瓣期整阗论文 学校霹以公森论文翡全部或部分裹 容 可爨龛谗采霜影露 缩擎或其它复裁手段镶存论文 围霹本人臻证 肇照蒜 结合学位论文磷究课题褥撰写的文章一禧署名荤缒为滔安电子科技大学 保密的论文在解镦聪遵守此规定 本学位论文属于保密 在一年解密后适用本授权粥 本人签名 譬拜签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及背景 随着我国经济建设的高速发展 各种类型的电缆得到了广泛应用 由于电缆 数量的增多及运行时间的延长n 1 电缆的故障也越来越频繁 电缆故障点的查找与 测量是通讯和电力供应畅通的有力保障 但因为电缆线路的隐蔽性 个别运行单 位的运行资料不完善以及测试设备的局限性等原因 使电缆故障的查找非常困难 供电电缆作为最重要的电缆之一 多埋于地下 一旦发生故障 寻找起来十分困 难 不仅浪费了大量的人力 物力和查找时间 而且会造成难以估量的停电损失 传统的电缆故障诊断装置主要的问题集中在故障识别的快速性和有效性 以 及缺乏相关的故障预测方法瞳3 电力电缆预知性维护技术 就是解决如何在电缆发 生故障前 检测并预测电缆潜在故障 评估电缆寿命 做到预知性维护 该技术创新集中表现为电力电缆的预知性维护 即对电力电缆的维修不再依 赖于故障后不得不维修 而依赖于电缆的状态信息有计划地维护和维修 彻底摒 弃了事后维修所存在的无法避免的影响 从根本上解决电力电缆供电系统存在的 安全问题并提高了安全性 电力电缆的预知性维护和全自动诊断 可广泛应用于 电力系统 工矿企业 港口 铁路 机场 国防工程及城市供电等供用电部门 其成果推广应用可提高电力电缆供电系统运行的可靠性 减少电缆故障导致的停 电停产 具有良好的社会效益 本课题主要对电力电缆预知性维护技术进行了研究的基础上 采取理论与实 践相结合的方法 以脉冲雷达法为基础开发了电力电缆故障自动诊断平台 并通 过处理与分析此仪器所检测的各种具有较复杂结构电缆的故障波形 提出了一种 全新的面向实际应用的电力电缆故障定位方法 1 2 国内外研究现状 电力电缆故障探测方法最早是在二战前提出的 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 但实际应用中非均匀传输线的非均匀性是必须考 虑的 总体上来说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 2 电力电缆预舞整维护技术研究 线理论按原理来分类主要宥五大类 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 脉冲电流法 二次脉冲法 现代行波改进法旧 1 9 7 0 年以前 通常使用电桥法及低压脉冲反射法测试电力电缆故障 两者对 低阻故障很准确 但对商阻故障不适用 其后出现了直流闪测法和冲击闪测法 分别测试间歇故障及高阻故障 两者都均可分为电流和电压闲测法 电压法可测 率篙 波形清晰易判 富区既电流法少一倍 但接线复杂 分压过大时对人及仪 器有危险 电流法英i j 榍反 瑟前这两释方法是国产篙阻故障测试仪酶主要方法 基本上解决了电缆高匿故障测试闯题 但仪器有毫区 且波形有时不够明显 靠 人为判断 仪器误差相对较大 9 0 年代国外出现了二次脉冲法 即结合高压发生器冲击闪络技术 在故障点 起弧的瞬间通过内部装嚣触发发射一低压脉冲 此脉冲在故障点闪络处 电弧的电 阻值很低 发生短路反射 并记忆在仪器中 电弧熄灭后 复发一测量脉冲通过故 障处直达电缆末端并发生开路反射 毙较两次低压脉冲波形可菲豢容易地判断故 障点 击穿点 笾置 是锺前最先进的基磊窭测试方法 基于二次脉薄法设备有奥地 剩b a u r 公司 德国s 曲拽公司和美国豹m e g g e r 公司的产品 袭1 1 电力电缆故障检测方法 故障类型 预定位方法 精定位方法 低压脉冲反射法 断线数障声磁同步法 蓉羲法 低匿脉冲反射法 音频感应法 低阻故障声磁露步法 电桥法 电流方向法 二次脉冲法 s i m 声响法 嵩阻故障 冲闪法 电流法 电压法 声磁同步法 襄压电桥法 二次骧淬法 阎歇健鼓障衰减法声磁同步法 直流闪测法 高压电桥法 声磁同步法 外护套故障 压降法跨步电压法 现代行波改进法是在原来理论熬基础上 赞对有限长度超缆 考虑到每羧线 路之闽互感嚣作焉 得爨波动方程 焉蜃采震数值分析酶方法离教渡动方糕 该 第一章绪论 方法不仅具有分析均匀传输线的一切优点 考虑了非均匀传输线的非均匀性 使 问题的分析更接近于实际 1 3 本课题的主要工作 随着半导体技术 集成技术和计算机技术的发展 电子系统的设计方法和设 计手段发生了很大的变化 特别是进入2 0 世纪9 0 年代以后 e d a 电子设计自 动化 技术的发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化 并已渗透到电子 系统设计的各个领域 本文设计的电力电缆故障自动诊断平台是以脉冲雷达法为基础 将发送脉冲 数据采集 数据计算 数据显示 波形类比 故障定位等集成于一个系统而开发 的 采用了删和c p l d 等处理芯片 将采样和数据处理分离 实现了故障波形 更为快速 直观的显示 精度较高 成本低 为了能更好的得到被测电缆故障信息的完备性 本文搭建各种具有较复杂结 构的电缆模型 使用该诊断平台采集故障波形 并结合电缆故障测试理论 对故 障波形进行分析和处理 提出了一种面向应用的电力电缆故障定位方法 波形 类比法 1 4 各章内容安排 第一章 阐述了电力电缆故障检测的所面临的现状和国内外关于电缆故障的 检测方法 提出了电力电缆预知性维护研究的意义 明确了本论文的主要研究工 作 第二章 详细地介绍了电缆故障产生的原因 故障障具体的性质和分类 提 出了故障信息完备性的问题 列举了电力电缆测试的具体步骤 分析和比较了用 于电力电缆故障检测的各种方法 第三章 介绍了脉冲雷达法的理论基础 分析了影响脉冲雷达法的各种不利 因素 提出了波形类比的方法 第四章 为了实现波形类比法 研发了电力电缆故障自动诊断平台 主要介 绍了该系统的软硬件设计 第五章 首先搭建了具有较复杂结构的故障电缆模型 并使用该电缆故障自 动诊断平台进行故障波形采集 接着结合理论对故障波形进行分析和处理 验证 了波形类比法的实用性 第六章 通过与传统脉冲雷达法获取电缆故障信息进行比较 分析和评价了 本文所提出方法的效果 讨论了该方法在实际应用中的表现 对所做的工作进行 了总结 并对今后的研究方向做了展望 第二章龟缆故障捡溅概述 5 第二章电缆故障检测方法 在这一章中 介绍了电缆发生故障的各种原因 提出了电缆故障信息完备性 的闯题 歹l 举了电力电缆测试的具体步骤 分析和比较了用于电力电缆故障检测 的各种方法 2 王电力电缆故障概述 2 1 1 电力电缆的种类和结构 电力电缆可以按具体的用途 采用的绝缘材料 传输的电能形式 以及不湖 的结构特征和运行环境等可有以下分类h 1 王 电力迤缆分类 按绝缘材糕 强1 溃纸绝缘 糖性浸渍纸绝缘型 分统雹型帮相霹壁型 不滴漓浸渍纸绝缘 型 分统包型和相霹壁型 有油压 涵浸渍纸绝缘型 分自容式充油电缆和钢 管充油电缆 有气压 粘性浸溃纸绝缘型 分自容式充气电缆和钢管充气电缆 翅料绝缘 聚氯乙烯绝缘型 聚乙烯绝缘型 交联聚乙烯绝缘型 橡胶绝缘 天然橡胶绝缘型 乙丙橡胶绝缘型 2 电力电缆的材料和结构 电力电缆的基本结构包括线芯 绝缘层帮保护层三个部分 线芯是传送毫熊 滋导体 它必须有良爵静导电性能 以减少奄能在传输过程中的损耗 绝缘层黑 来将不同线芯以及接地鄂分彼此绝缘隔离 它必须绝缘镶髓良好 并具有一定的 耐热性能 保护层用以保护绝缘层免受外界作用 使电缆在运输 贮存 敷设和 运行过程中 绝缘层不受外力的损伤和防止水分浸入 它应具有一定的机械强度 2 王 2 电力电缆故障的原因 了鳃电缆故障嚣原爨 对予减少电缆熬损坏 快速缝判定窭故障点是十分重 要的 电缆故障鹃原因大致可姻缡为以下凡类强1 机械损伤 机械损伤是电缆故障的主要原因 包括电缆受震动或冲击性负荷等影响造成 电缆的铅 铝 包绝缘等裂损 有时轻微的损伤会在几个月甚至几年后才发展成故 障原因 造成电缆机械损伤主要有以下几种原因 羔 安装时损伤 在安装时不小心磋伤电缆 机械牵琴 力过大两拉伤电缆 蛾 电缆过度弯鏊藤损签电缆 2 童接受外力撰琢 在安装震毫缆路径上或电缆附近进行城建燕工 使电缆 6 电力电缆预知性维护技术研究 受到直接的外力损伤 3 行驶车辆的震动或冲击性负荷会造成地下电缆的铅 铝 包裂损 4 因自然现象造成的损伤 如中间接头或终端头内绝缘胶膨胀而胀裂外壳或 电缆护套 因电缆自然行程使装在管口或支架上的电缆外皮擦伤 因土地沉降引 起过大拉力 拉断中间接头或导体 二 绝缘受潮 绝缘受潮后引起故障 造成电缆受潮的主要原因有 1 因接头盒或终端盒结构不密封或安装不良而导致进水 2 电缆制造不良 金属护套有小孔或裂缝 3 金属护套因被外物刺伤或腐蚀穿孔 三 绝缘老化变质 电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离使绝缘下降 当绝缘介质电离 时 气隙中产生臭氧 硝酸等化学生成物 腐蚀绝缘 绝缘中的水分使绝缘纤维 产生水解 造成绝缘下降 四 过电压 大气与内部过电压作用 使电缆绝缘击穿 形成故障 击穿点一般是存在缺 陷 五 设计和制作工艺不良 中间接头和终端头的防水 电场分布设计不周密 材料选用不当 工艺不良 不按规程要求制作会造成电缆头故障 六 材料缺陷 材料缺陷主要表现在三个方面 一是电缆制造的问题 铅 铝 护层留下的缺 陷 二是电缆附件制造上的缺陷 如铸铁件有砂眼 瓷件的机械强度不够 其它 零件不符合规格或组装时不密封等 三是对绝缘材料的维护管理不善 造成电缆 绝缘受潮 脏污和老化 七 护层的腐蚀 由于地下酸碱腐蚀 杂散电流的影响 使电缆铅包外皮受腐蚀出现麻点 开 裂或穿孔 造成故障 八 电缆的绝缘物流失 油浸纸绝缘电缆敷设时地沟凸凹不平 或处在电杆上的户外头 由于起伏 高低落差悬殊 高处的绝缘油流向低处而使高处电缆绝缘性能下降 导致故障发 生 由于制造缺陷而造成的电缆故障是不多的 分析了解可能造成电缆故障的原 因 对寻找电缆故障点是很有帮助的 第二章毫缆故障捡测概述 2 1 3 电缆故障的性质与分类 电缆故障从形式上可分为串联与并联故障 串联故障指电缆一个或多个导体 包括铅外皮 断开 通常在电缆至少一个导体断路之前 串联故障是不容易发现 的 并联故障是导体对外皮或导体之间的绝缘下降 不能承受正常运行电压 而 实际豹故障形式组合是很多的静一 c 图2 l 电缆故障点等效电路 g 电缆故障点可用图2 1 所示电路等效 r 代表绝缘电阻 g 是击穿电压为 的击穿间隙 c 代表局部分布电容 上述三个数值随不同的故障情况变化很大 并且互相之间并没有必然的联系 闽隙击穿电压k 的大小取决予放电遥道的距离 噬隰r 的大小取决于电缆介 质的碳化程度 丽电容c 的大小取决于故障点受潮的程度 数值很小 一般可以 忽略 根据故障电阻与击穿闻隙情况 电缆故障可分为开路 低阻 高阻与阕络 性故障旧 1 m 见表2 1 表2 1 电力电缆故障性质分类 故障性质 r 间隙击穿情况 开路 o 在誊流或高压脉冲佟用下击穿 低阻 小于1 0 z o r 不是太低时 可雳高压脉冲击穿 高阻 大于l o z o 高压脉冲击穿 闪络 o 赢流或高压脉冲击穿 注 袭中z o 为电缆的波阻抗值 电力电缆波阻抗值一般在1 0 4 0 n 之间 以上分类的目的也是为了选择测试方法的方便 根据目前的故障技术 开路 与低隰故障可用低压脉冲发射法 高阻故障要焉冲击闪络法 而闪络性故障可用 直流闵络测试 通常把取l 0 k o 的故障称为低阻故障 8 电力电缆预知性维护技术研究 实际上还存在一种封闭性故障 它多发生于电缆接头或终端头内 特别是多 发生在浸油的电缆头内 发生这类故障时 有时在某一测试电压下绝缘击穿 待 绝缘恢复 击穿现象便完全消失 这类故障称为封闭性故障 因故障不能再现 寻找起来就比较困难 图2 2 给出了几种可能性较大的电缆故障模型 l f i j a 单相接地 2 1 4 电缆故障信息的完备性 b 两相接地 c 单相断线并接地 图2 2 几种电缆故障模型 诊断电缆故障需要对获取的信息进行分析 判断 这就涉及到电缆故障信息 的完备性问题 如果获取的信息不完备 必然会影响电缆故障的诊断 降低对信 息进行分析的准确性 甚至产生错误的判断 通过对电缆故障进行整体性和系统 性的考察 可以认为完备的电缆故障信息应包括电缆自身的指标特性 故障点的 信息和现场的测试环境这三个部分 电缆自身的指标特性包含电缆本身的各类信息 它会影响电缆故障诊断的精 度 对电缆故障信息获取的方法也有所限制 电缆型号 敷设方式 电缆路径等 等信息是人们最常关注的 电缆型号决定了电缆的种类和结构 包括了电缆的绝 缘介质 组成等等 不同的绝缘介质电磁波的传播速度不同 电阻不同 电缆组 成和导体截面积等会影响到电磁耦合以及计算 另外还有电缆的长度也与电缆故 障信息的获取相关 从现场实践来看 大多数电缆的准确长度没有记载 需要专 门进行测量 电缆的敷设方式一般有地埋式 沟道式和架空式等 架空电缆由于 敷设和检测麻烦 影响市容等问题现在已经很少采用 逐步被地埋式和沟道式所 替代 电缆路径是故障诊断中的必要信息 与故障点的定位息息相关 可以使用 路径仪进行确认 仅仅注重以上这些信息还不够 在实际中同一型号的电缆各自 的特性参数也存在差别 特别是在对电缆模型使用数字信号处理的方法考察时 特性参数的差异将影响测量结果的正确与否 需要区别对待 故障点的信息主要与故障类型相关 缆的故障类型多种多样 根据故障点阻 抗特性可分为开路 短路 低阻 高阻和接地故障 实际故障发生时 并不一定 是单一故障 很可能是多种类型的叠加故障 这使得故障诊断更加复杂 如果能 第二章电缆敖薅捡溅概述 9 快速确定故障的类型和数量 有助于选择相应的诊断和处理方法 提高故障诊断 的效率 目前一种较为有效的方法是对所采集的大量故障数据进行分析 提取故 障特征 根据不同的故障类型建立相应的电缆故障的数学模型 以解决故障诊断 的快速性问题 现场环境关系电缆故障信息的完备性 这里的现场环境主要是指恶劣的现场 环境 它是影响毫缆故障诊断的重要因素 电缆铺设线路的温度 湿度等物理和 地理环境因素以及电缆附近的电磁设各会产生大量噪声和干扰信号 这使得所获 取的故障信息难以识别 往徒需要借助维修人员的经验来进行判断 诊断过程费 时费力 为使测试结果尽可能客观的反映故障信息 需要对信息进行识别 模糊 识别功能的实现现阶段仍比较网难 具体的实现方法还有待进一步的研究 2 2 电力电缆故障的综合检测 彘于一般电缆翡敷设方式有地理式 沟道式和架空式三种雏 但不管是其中 锓俺 种 电缆都不是直线敷设的 因此只是知道电缆故障点与测试点之闻的距 离是不够的 为了能精确的找到所敷设电缆的故障点 电缆故障的探测一般要经过诊断 测距 定点三个步骤n 2 1 一 电缆故障性质诊断 确定电缆的故障性质指确定故障电阻是高阻还是低阻 是闪络性故障还是封 闭性故障 是断线 短路还是接地故障 或者是它们觞缀合 是单相 两相还是 三榴故障 电缆故障性质的确定一般可以根据事故发生时的情况结合绝缘阻值的 测量进行 以便于测试人员对瘫下药 选择适当的电缆故障测距与定点方法 二 电缆故障测距 电缆故障测距 又叫粗测 在电缆的一端使用仪器确定故障距离 现场上常 用的故障测距方法有古典电桥法与现代行波法n 该步骤主要用于褥到电缆故障点与电缆测试点之闻的毫缆长度 从两指雩l 测 试人员能根据电缆敷设的吴体环境和电缆的总长 将故障点定位在一个穰小的藏 匿内 在使用故障定点的方法 找出故障位置 三 电缆故障定点 电缆故障定点 又叫精测 包括电缆路径检测和故障定点两个部分 即按照 故障测距结果 根据电缆的路径走向 找出故障点的大体方位来 在一个很小的 范围内 利用放电声测法或其它方法确定故障点的准确位置 用于电缆故障定点 的主要手段是声音判断法 磁场判断法及声磁同步法 声磁同步法是声音判断法 和磁场判断法的综合雏射 电力电缆预知性维护技术研究 一般来说 成功的电缆故障探测都要经过以上三个步骤 否则欲速则不达 例如不进行故障测距而利用放电声测法直接定点 沿着很长的电缆路径 可能有数 公里长 探测故障点放电声是相当困难的 如果已知电缆故障距离 确定出一个 大体方位来 在很小的一个范围内 1 0 米左右 来回移动定点仪器探测电缆故障点 放电声 就容易多了 2 3 1 电桥法 2 3 电缆故障测距方法 电桥法的基本原理比较简单 如果电缆的某一点发生两相线芯之间或线芯与 金属屏蔽层之间绝缘击穿短路 则短路故障点把电缆分成两段 若认为电缆沿线 均匀 线芯长度与线芯电阻成正比 则两段线芯长度比等于两段线芯的电阻比 将短路接地故障点两侧的环线电阻引入直流电桥 测量其电阻比值 由测到的电 阻比值和电缆的全长 可以计算出测量端到故障点的距离n 鄹 电桥法有多种接线 普遍使用的是缪雷环线法 用缪雷环线法测量单相接地 的原理接线图如下 m x 1 丢i 叫鼢 图2 3 电桥法原理接线图 其中m 比例臂 r 可调测量臂 r 检流计灵敏度调整电阻 g 检流计 将电桥的测量端子x l 和x 2 分别接在故障相线芯和完好相线芯上 这两芯的 另一端用跨接线短接构成环线 于是电桥本身有两臂 比例臂m 和测量臂r 故 障点两侧的电缆芯环线电阻构成另两臂 当电桥平衡时 故障点的距离为 p x 2 上南 式 2 1 其中x 从测量端到故障点的距离 l 电缆长度 r 测量臂电阻 m 比例臂电 阻 当电桥平衡时 故障点的距离为 第二章电缆故障捡铡援述 拈三而蔫 式 2 艺 r m r 其中 r 单根辅助线电阻值 根据以上电桥法的测量原理可以知道 用电桥法测量的条件是故障点的电阻 必须很小 最好在2 千欧以下 否则如果故障点的电阻较大 而直流电源电压比 较低 则透过桥臂电流很小 毫桥的灵敏度缀低 测量的误差较大 电桥法用于电缆短路故障诊断有着设备仪器简蕈 使磊方便 糖确度高的优 点 是我国早期油纸电缆故障定位的主流方法 在我国大多数供电部门应用广泛 并有成熟的应用经验 但存在着以下缺点n 6 1 1 不适用于电缆高阻或闪络性故 障 因为故障电阻高时电桥里电流很小 一般灵敏度的仪表很难探测 因此采用 电桥法之前 需用高压设备将故障点烧穿 使其故障电阻值降到可以用电桥法测 量的范围 2 电桥法应用的前提条件是必须知道电缆的准确长度 导体材料及 截露等原始资料 当一条电缆杰几段导体材料 截面积不同的电缆组成时还需进 行换算 3 电桥法不适用于测量三相短路的故障 要敷设临时辘甓线蜃方可测 量 4 电桥法受现场环境影响较大 由于电桥电流表的灵敏度较高 对于凡路 平行敷设的单芯电缆线路因感应电压较大 容易损坏电桥的仪表 目前现场电缆 故障测试中 电桥法使用得越来越少 已逐渐被其它方法取代 2 3 2 脉冲雷达法 脉冲雷达法又称为行波分析法或波反射法 是根据脉 誓反射波形来识别电缆 接头与分支点位置 测量电缆的总长度 进行断线及三耗短路故障定位等 一 低压脉冲反射法n 7 删 根据行波传输原理 沿电缆发射一束电磁波 当电磁波遇到特性阻抗不匹配 的地方时 就会产生反射波 将发射波和反射波采集处理并显示在屏幕上 根据 电波在电缆中己知的传播速度 即可计算出故障点到测试点的距离 电缆故障仪 0 辱 ri 1 l l i t 图2 4 脉冲反射法工作原瑾 1 2 电力电缆预知性维护技术磷究 就像图2 4 所示 这种方法所需要的仪器必须具备两种基本的功能 1 能发 送可调的测试脉冲 2 能够测量终端入射脉冲和故障反射脉冲之间的时间差 进 而得到故障距离 这种方法有多种名称 如 雷达法 脉冲回波法 时域反射法 等等 但最终这种方法是基于这样的一个原理 任何入射脉冲能量会在传输线的 阻抗不匹配点发生反射 并且故障距离与反射时间是成比例的 故障距离玩可以 壅式 2 3 的得到 式中夕是入射脉冲在电缆中的传播速率 友是反射时闻 嗔 丢毫p 式 2 固 当不知道传播速度时 我们可以通过厂商来得到 或者可以通过测量一条与 测试电缆一样的无故障且长度己知的电缆样品的反射时间来得到 进而 故障距 离碣也可以由式 2 4 计算得到 式中 是故障点的反射时间 f 是测试电缆全 长的反射时间 测试无故障的电缆样品得到 玩 矾是测试电缆全长 西 塾螋式 2 4 通常 样晶是故障电缆中的一段良好的线路 或者 是在同一电缆中的不同 的路径 这样我们就可以在同一终端中进行测试 然而当电缆中只存在一条导体 如同轴电缆 或者电缆中所有的导体都发生了故障 但是故障电缆的原始长 度已知的话 我们可以通过式 2 5 来得到故障距离西 式中 是测试终端到 故障点的反射时间 如是另一终端到故障点的反射时间 西 破是测试电缆全长 蔬 塑螋式 2 5 毛 乞 该方法简单 盏观 不需要知道电缆的准确长度 根据脉冲反射波还可以识 别电缆接头与分接点的位置 但该方法只适用于电缆低阻和断路故障测距或用于 测量电缆全长 不能用于电缆高阻和闪络性故障 二 高压闪络法 1 高压冲闪法馏h 鲫 对离阻故障两言 使用高压渖阌法进行粗测 在电缆一端加入高压信号 使 电缆的故障点击穿或闪络放电 此时故障点会产生较强的电磁波 并斧隧 爆炸 声 形成瞬间短路电弧从丽产生来回反射波 然后南公式s 孵 2 计算得到故障点 到测试端的距离 冲闪法有电压取样和电流取样两种取样方法 各有优缺点n 引 电压取样法 如图2 5 为高压取样测试法 使用两只电阻组成一个分压电路 接到直流高压电路上 电缆故障点击穿时 故障点的反射波经分压电阻进入仪器 经仪器分析得出故障距离 电压法的优点有 故障可测率相对较高 通过看波形 可直接判断故障点是否闪络放电 测试波形虽然复杂 但特征臻昱且抗干扰性能 籀二章毫缆菝障验溅概透 强 可信度高 测试盲区比电流法低5 0 其主要缺点有 测试线路相对复杂 因 高愿取样 在分压值较大时 有可能损坏仪器以及给测试人员带来不安全因素 电流取样法是在相同的直流高压电路上 不用分压电阻 而是采用线性电流 耦合器 即电感线圈 在故障点放电反射波返回地线上进行采样 为低压取样测试 法 电流取样法主要优点为测试线路简单 仪器通过电流互感器与高压测试部分 隔离 相对安全 对远距离故障 测试波形反射幅度大 易判断 缺点为故障可测 率及准确率低 测试盲区眈电压取样法大一倍 电流取样法测试原理如图2 6 2 2 2 2 0 被测电缆 图2 5 电压取样示意图 图2 6 电漉取样示意图 鉴于实际电缆故障点位测量人员大都具备一定的专业知识和经验 所以设计 时偏向于安全考虑 一般选用电流取样法 2 直接闪络测量法瞳卧3 2 3 直接闪络测量法是把电缆的故障导体直接与高压信号发生器相连接 对电缆 充电 逐渐升高外加电压 当电压升至一定值时 故障点击穿 电压突然下降 电流升高 在电缆故障电阻极裔静情况下 采用直接闪络测量法测试故障点距离 精确度很高 许多高阻故障在稳定逯道形成之前 均具有该种闪络性质 可获得 1 4 电力电缆预知性维护技术研究 理想的故障波形 直接闪络测量法测量电缆故障原理 如图2 7 所示 故障点突然击穿放电时 产生向测量点运动的放电脉冲 放电脉冲到达测量 点后 仪器通过线性耦合器记录下第一个电流脉冲 放电脉冲在测量点被反射 产生向故障点运动的脉冲 测量点反射脉冲在故障点又被反射 折回测量点 这 一过程反复进行 直至放电过程结束 从测量点到第一个电流脉冲开始计时 到 第二个电流脉冲的时间延时对应于电流脉冲在故障点与测量点之间往返一次所需 要的时间 可用来计算故障点的距离 2 2 0 被测电缆 图2 7 直接闪络法示意图 由于电力电缆的预防性试验是采用直流耐压 人们也往往习惯于用直流高压 击穿故障点 但是国内外有关资料和电力工作者多年来的实践证明 冲击电压击 穿高阻故障点比用直流电压更为有效 其原因是采用直流加压方式时 只能增加 电缆本身对地的电导电流 而不会使故障点发生放电 若采用冲击波电压瞬间施 加在高阻接地故障上 则容易使其故障点击穿闪络旧副 我们知道完好的电力电缆 绝缘的冲击击穿场强与直流击穿的场强相差无几 例如粘性浸渍的电力电缆和充 油的电力电缆的场强均为1 0 0 1 1 0 加 聊聊 但是对于曾经被击穿过的电力电缆的 绝缘情况就不一样了 故障通道中总会有较大的气隙之类的缺陷存在 在冲击电 压的作用下 电场强度与介质的介质常数已成反比关系 因此 在绝缘强度最弱 的气隙上集中了最强的电场 这显然有利于放电的完成 与此相反 在直流电压 作用下 气隙游离后产生与外加电场相反方向的电场 抑制了放电的发生 相比 之下 冲击电压比直流电压对绝缘的弱点更具有针对性 它不仅能击穿直流电压 能击穿的故障 而且还能击穿直流电压难以击穿的故障 脉冲雷达法测试简单 直观 不需要知道电缆的准确长度等原始资料 与电 缆的线芯材料及截面无关 根据脉冲反射波形可以识别电缆接头与分支点位置 还可以测出电缆的总长度 进行断线及三相短路故障定位等 脉冲雷达法也存在 一些缺点n 3 1 基本的低压脉冲法只能用于检测阻抗低于电缆特征阻抗的故障 点 2 为了对高阻值故障进行测量 一般要用高压对故障点进行击穿 会对电 第二章毫缆故障捡溺概述1 5 缆造成较大伤害 3 需嚣专门的高压信号发生器配合产生高压信号 绝缘阻馕 也需要专门的兆欧表测量 4 要分析复杂的波形 对使用人员的要求较高 测 试结果对人为因素影响较大 5 行波法测量有盲隧 2 4 王电缆路径检溯 2 4 电缆故障定点方法 电缆路径的确定是通过检测电缆上方地面上的磁场进行酌 翻 根据电缆的阻 抗特性以及电磁场信号测量的方便性 电缆路径识别所采用的交变电流信号的频 率范围一般从几十赫兹到十几千赫兹不等 交变电流信号输入电缆的方法主要有 电流 电容和电感耦合 根据不同的应用场合 每种耦合方式又可以分为若干种 连接方式 通过各释藕合方式 在电缆周围产生交交豁电磁场 通过测量电缆上方地谣 上豹电磁场分毒可戳确定电缆路径 利用接收线圈在地瑟上接收磁场信号 在线圈中产生出感应电动势 信号放 大厢 通过耳机或其它方式进行监视 随着接收线圈的移动 信号的大小发生变 化 由此可以判断出电缆路径 信号的强弱通过连接猩接收器上耳机的声音大小 来确定 根据探测时磁场信号曲线的不同 探测方法分为最大法和最小法两种 最大法又霹堪音峰法 是通过寻找信号最强的特征点确定电缆路径 最小法又封唾酱 谷法 是透过寻我信号最弱的特征点确定电缆路径 各静电流输入方式最终都会 在电缆周墨产生一个交变的磁场 苏耪遮连接方法凳例 当电缆深度远大予逛缆 越径时 电缆周围的磁力线分布可以近似的看作是以电缆截面几何中心为圆心 垂盥于电缆走向的一组同心圆 当接收器线圈与磁力线以不同的角度放置时 程 丞盥于电缆走向的方向上左霜移动 接收到的电磁场信号分布不同 最大法电缆路径探测是使接收器的接收线圈垂盥于地面或电缆走向 慢慢移 动搂收线圈 在线圈位于电缆正上方且垂直于电缆时 穿过线圈的磁力线最多 接收到酶信号最强 继续移动线溪对 信号又逐澎减弱 信号最强壶所指示的位 置鲻为电缆掰经过静路径 最小法电缆路径探测是使接收器的接收线圈平行予地面或电缆走向 慢慢移 动接收线圈 接收到的信号强度为马鞍形分布 在线圈位于电缆正上方时 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 接收到的 信号很微弱 然后将线圈先艏向两侧移动 就有一部份磁力线穿过线圈 产生感 生电动势 信号强度逐渐增搬 当移动到某一距离时 傣号最强 再往远处移动 信号又逐渐变弱 马鞍形鳆线昝底瑟对应酶测试位鐾骚器嘏缆所经过的路径 糯楣连接对电缆路径检测的原理与褶缝连接时是类似豹 壶予电缆导体辩援 电力电缆预知性维护技术研究 绞 地面上的磁场分布沿电缆的路径是变化的 最大法与最小法的应用有所区别 当两个通电导体所在的平面与地面垂直时 电缆上方磁场的分布情况与相地连接 时是一致的 前面介绍的最大法和最小法是适用的 两个导体所在的平面与地面 平行时 由于磁力线在电缆的正上方进入地面 造成信号强弱分布曲线与相地连 接时情况恰恰相反 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 信号最强 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 信号最弱 2 4 2 故障定点 电力电缆发生高阻故障后 故障点的物理化学性质变化不大 故障点搜寻难 度很大 用闪络法对故障进行粗测之后 一般需臻通过故障点直流击穿或闪络产 生的声 磁等信号来搜寻故障点 归结起来有声测法 磁测法和声磁同步法等几 类 3 稍鞠 声测法又嚣越声音判断法 是最简单的也是最常用的高阻故障定点方法豫引 对 于埋设较浅的电缆 故障点击穿或闪络放电时 在地面上可以清晰地听到爆炸声 根据声音的来源就可以找到故障点 但是对于电缆护层未被烧穿的电缆故障或者 电缆埋藏较深 过渡电阻较小 都有可能使故障点放电声音减小 需要用高灵敏 度的声电转换器 拾音器或压电晶体 将地面上微弱的地震波转换为电信号并由 相关仪器对信号进行放大处理 然后用耳机还原成声音 或通过显示装置显示声 音的强度 声测法的基本原理是利用直流高压对高愿电容器敖电 利用电力电缆 故障点放电时产生的声啻信号进行定点 利震声音传感器在电力电缆上方将声音 信号检测出来 声音最大的地方为故障点所在的位置 该方法主要用于电力电缆 高阻故障的定点 声测法因为简单 方便而被广泛地应用 但当故障距离测量误 差较大 电缆埋设较深或环境噪声较强时 声测法都不适宜使用 图2 8 为声测定点法的示意图 图中 v t 为调压器 p t 为升压变压器 g 为 球形间隙 c 为高压电容 一般为4 心 基本原理是首先通过高压设备对电容器g 充电 当电容器中的电荷强度达到一定的势韪后就会通过球形间隙g 对电缆故障 线芯放电 并将电能传送到故障点 借助拾音器可以从地面听到故障点处麓量释 放时产生的振动声音 收到的信号最强的地方一般就是故障点瞳 为了使故障点 声音易于听测 需要适当提高故障点的放电能量 为了使故障点放电声音有别于 周围的噪声 要求放电具有周期性 在实际的故障定点过程中 一般放电的周期 为2 4 秒左右 磁测法是通过故障点击穿或闪络时释放出的电磁波来判断故障点位置的电磁 方法 从图2 9 中可以看出 在故障点附近释放的电磁场最强 这种判断方法比 第二牵电缆故障检测概述 较适合于线路较长的场合 不足鹃是由于无法区剃磁场信号是高压信号发生器产 生的还是故障点产生的 这种测量方法有盲区 在距离高压信号发生器 端二三 十米的范围内不能使用此方法 声磁同步法是近年来发展起来的一种新型篱阻故障定点方法 用故障点放电 产生的磁场信号触发计数器 用声波信号来终止计数器 计数器的计数值表示测 量点与故障点的距离远近 反复测量 寻找与故障点距离最近的点 即为故障点 的芷上方 2 2 被测电缆 隧2 8 声测法示意圈 一 圈2 9 磁测法示意图 电力电缆预知性维护技术研究 通过检测电力电缆故障点放电时产生的磁 电信号的时间差来确定故障点位 置 由于磁场信号的传播速度较快 一般从故障点传播到仪器传感器探头放置处 所用的时间可以忽略不计 而声音信号相对于磁场信号来说传播速度较慢 因此 可以利用声 磁信号的时间差来判断故障点的远近 测出时间差最小的点就是故 障点m 1 2 5 其它方法 近年来 电缆故障在线检测技术也有了较大发展 随着光纤技术的发展 光 纤传感技术在电缆故障检测中的应用得到了快速发展 它不仅能够满足快速定位 的要求 而且定位更准确 因此其应用越来越受到重视 当光在光纤内传输时 光的特性 如振幅 相位 偏振态等 将随检测对象的变化而变化 光的特性得到 了调制 通过对调制光的检测 便能感知外界的信息 这就是光纤传感器的基本 原理 电缆故障检测的分布式光纤温度传感器是传感型光纤传感器 f o d t 传感器 的工作原理是拉曼 r 锄a n 背向散射光强度随电缆温度变化而变化 拉曼背向散射 光由反斯托克斯光 a n t i s t o k e s1 i 曲t 和斯托克斯光 s t r o k e sl i 曲t 组成 这两种光的 波长不同 光强比例可以转换成温度的读数 根据激光脉冲开始注入到散射光返 回所需要的时间可计算出距离 光纤中光的传播速度为0 2 研 咒s 因此从光束注入 到背向散射光到达时间 每1 0 n s 就可以变换成l 米的光纤长度 这被称为光纤时 域反射仪 o t d r 光纤传感技术用于电力电缆的故障检测具有方法简便 定位快 速和不受电磁干扰的优点 但是这种检测方法只适用于低阻接地故障 目前还不 能应用于高阻接地故障测距中 7 3 8 1 这种检测技术成本很高 主要用于新敷设的重要电缆 还有一些研究者利用 行波法结合g p s 授时系统对电缆故障进行在线检测 并引入了人工神经网络和专 家系统 引 在本章所提到的各种电力电缆检测方法中 脉冲雷达法是通过发送测试脉冲 并检测反射回波的状态来进行电力电缆的故障检测 能完整的得到被测电缆的故 障信息 有利于电缆故障信息完备性的获取 因此本文采用脉冲雷达法为基础来 进行更进一步的研究 第三毒脉冲雷达法理论分析 1 9 第三章脉冲雷达法理论分析 通过对各类电缆故障信息获取方法与技术的比较 可以发现目前还没有一种 单一的方法可以解决对所有电缆故障信息的获取 都存在各种弊端 考虑到现场 测试的难易程度和成本问题 脉冲雷达法是冒前被普遍采用的一种方法 这里我 们深入研究该方法 找出该方法中影响电缆故障信怠获敢的因素 提出解决的办 法 3 1 脉冲雷达法的类型 脉冲雷达法的理论基础是行波的传输特性 又称为行波法 传统的基于行波 法的测距可分为a b c 型三种h 们 近年来随着国内外学者对行波法研究的深入 又密现了由测量点感受到的故障初始行波浪涌与其在故障点反射波之阉的时廷实 现革端输电线路故障测距的新方法 l a 型测距原理 利用故障点产生的行波 根据行波在测量点和故障点之间往返一次的时间和 行波波速确定故障点的距离 目前关于这个原理的应用主要有脉冲电压法和脉冲 电流法眵刳 1 脉冲电压法 又称闪测法 利用直流高压或脉冲高压信号击穿电缆故障 点 嘲放电电压脉冲在观察点与故障点之间往返一次的时闻来测距 适用于嵩隰 和闪络故障 优点是不用将嵩阻与闪络惶故障击穿 测试速度快 缺点是安全性 差 仪器与电压回路有耦合 容易损害仪器 线路连接比较复杂 因为测距时 高压电容对脉冲信号是短路状态 需要串电阻或电感以产生电压信号 电压耦合 的电聪波形变化不尖锐 难以分辨 2 脉冲电流法 通过线性电流耦合器测量电缆故障击穿时产生的电流脉冲 信号 它实现了仪器与高压圈路的电耦合 省去了电容与咆缆之间的串联与电感 篱化了接线 对试验仪器鞠实验人员毙较安全 传感器耦合出的脉冲电流波形也 比较容易分辨 这个方法相比脉冲电压法 褥到了广泛的应用 2 b 型测距原理 利用故障点产生的行波到达线路两端的时间并借助通信联系实现故障测距 这就是双端测距 其优点是行波第一次到达故障线路两端的时间不受故障点透射 波的影响 从而可以精确确定行波到达线路两端的时间差 但是它需要更多的辅 助装置 成本比较高 所以应用起来比较困难 3 e 型测距原理 在放障发生时于线路的一端施加高压高频或直流脉冲 根据其从发射装嚣到 魄力邀缆颈螽缝缨护技零褥究 敞障点往返时漓遗行测距 帮雷达原理福嚣 只适用永久往故障 囊激也可称巍 脉冲雷达法 目前关于这个原理的应用有低压脉冲法和二次脉冲法 1 低压脉冲法是酋先向故障电缆首端注入脉冲电压信号 通过测量入射电 压行波和反射电压行波的时间差来进行测距 主要用予电缆低阻和断线故障测距 藏用于电缆全程测量 不能爝予电缆高阻和阗络燃放障测距 蠹主要处理芯片 用于完成对 故障电缆发送测试骧淬 采集反射回波 著锓存故障波形 与删核心处理模块 电力电缆预知性维护技术研究 进行通信 一 脉冲发送 脉冲发生部件提供测试所用的源脉冲 对其要求最关键的就是脉冲宽度可调 而且这里的调整还要比较灵活 不能改