10kV电力电缆故障探测毕业设计)

上海电力学院成教院本/专科毕业设计（论文） 题目： 专业：年级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 2006年9月10kV电力电缆故障探测摘要：本文通过分析了电力电缆的故障原因及分类，对现有的电力电缆故障的探测方法做了简单的介绍，分析现有的电力电缆探测方法在应对不同的故障时的优点和不足，根据不同的故障的判定应用不同策略的探测方法，并介绍了一种新的探测方法的原理和应用实例。关键字：电力电缆 故障探测 探测方法目录引言. .4第一章 介绍电缆故障的原因和分类. 5 1.1 电力电缆故障原因. 5 1.2 电力电缆故障的分类. 6第二章 电缆故障测试方法的介绍及分析.7 2.1 电力电缆故障诊断.7 2.2 传统的电缆故障探测方法.7 2.2.1 电阻电桥法.7 2.2.2 电容电桥法.9 2.2.3 高压电桥法.10 2.2.4 电桥法的不足之处.10第三章 新的电缆故障测试方法的提出及精测的介绍.11 3.1 低压脉冲法.11 3.2 高压脉冲法.12 3.2.1 直流高压闪络测量法（直闪法）.12 3.2.2 二次脉冲法.14 3.3 电力电缆故障精测方法的介绍. 15 3.3.1 电缆路径的查找. .15 3.3.2 精确定点. 17 3.3.3 不同性质故障点的定点. 18第四章 总结. 22参考文献. 23引言随着城市建设的发展，电力电缆在城网供电中所占的比例越来越大，在一些城市的市区已经逐步取代架空输电线路。随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆的故障也越来越频繁。由于电缆线路的隐蔽性、个别运行但闻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的困难。传统的电力电缆故障的探测方法在这个故障日益多样化的情况下已经有所局限，那么渡河合理地选择故障探测方法，使得准确快速地查找电力电缆故障，缩短故障停电时间，成为电缆工作人员非常关心的问题。本文通过对故障的原因的查找，分类，故障类型的判定以及传统的电力电缆的探测方法的简要介绍，发掘在故障探测中的一些不足，并通过理论完成对故障探测的完善，并用应用实例来分析新的探测方法。第一章 电力电缆故障的原因和分类电力电缆在供电系统中使用越来越广泛，它和架空输电线相比，电缆埋设在地下，不占空间，故障少，可靠性高，维护工作量小。不过，一旦电缆发生故障，故障点看不见。因此，快捷准确地寻找出故障点的探测技术就成为尤为重要的任务，在这之前了解相关的电力电缆的故障原因和分类是必要的。1.1电力电缆故障原因电力电缆故障的原因大致有：（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。（2） 绝缘老化变质。 由于电热化学作用或者地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，电缆绝缘整体下降；铅包外皮受腐蚀之后出现麻点、开裂或者穿孔，造成故障。 （3） 施工拙劣。电缆接头不按操作程序施工或者不按安全要求敷设电缆。由电缆的中间连接头、终端头的制作质量不高而造成的，制作过程中,如果半导电层爬电距离处理不够,制作时热收缩造成内部含有杂质、汗液及气隙，电缆终端或中间连接头的金属屏蔽接地不完善等都会造成放电现象或者引起绝缘部分的老化击穿。（4） 过压。大气或者内部过压作用，使绝缘击穿，形成故障。电缆长期过负荷运行也会导致故障，夏季来临时，环境温度较高时，散热不好，如果点看再处于过负荷运行时，电缆本身就会发热，长期的过负荷运行造成电缆长期发热，加之又不能及时散热，势必家具整根电缆的绝缘老化，留下事故隐患。（5） 设计和制作工艺不良。 设计不周密，材料选用不当，工艺、制作不良等。1.2 电力电缆故障的分类 电缆故障可分为串联与并联故障两种。串联故障指电缆一个或者多个导体断开，即短线；并联故障是导体对外皮或导体之间的绝缘下降，不能承受正常工作电压，最常见的是单相对地故障。电缆性质分类如下表1:表1 电缆故障性质的分类故障性质阻值击穿特性开 路在直流或高压脉冲作用下不击穿低 阻小于10 阻值不是太低时可用高压脉冲击穿高 阻大于10 用高压脉冲击穿闪 络直流或高压脉冲击穿说明：表中为电缆的波阻抗，电缆一般在10-40之间。第二章 电力电缆故障测试方法的介绍和分析为了在故障诊断中能准确的找到故障点，我们必须先对电力电缆故障的类型的诊断做简单的介绍，再了解传统的电力电缆故障测试方法（主要介绍电桥法）的原理，进而分析这些探测方法在实际应用的不足之处。2.1 电力电缆故障的诊断确定电缆故障类型的方法是用兆欧表在线路一端测量各相的绝缘电阻。一般根据以下情况确定故障类型： * y% ef0 W$ R/ a9 s(1)当摇测电缆一芯或几芯对地绝缘电阻，或芯与芯之间绝缘电阻低于100时，为低电阻接地或短路故障。 * h+ d& K; y5 d8 (2)当摇测电缆一芯或几芯对地绝缘电阻，或芯与芯之间绝缘电阻低于正常值很多，但高于100时，为高电阻接地故障。 ; ; w; h# W) N0 O; j# q9 (3)当摇测电缆一芯或几芯对地绝缘电阻较高或正常，应进行导体连续性试验，检查是否有断线，若有即为断线故障。 ! V* 1 J8 f7 o! k9 v(4)当摇测电缆有一芯或几芯导体不连续，且经电阻接地时，为断线并接地故障。 2 T0 w/ y& T: E! d(5)闪络性故障多发生于预防性耐压试验，发生部位大多在电缆终端和中间接头。闪络有时会连续多次发生，每次间隔几秒至几分钟。2.2 传统的电缆故障探测方法2.2.1 电阻电桥法上个世纪七十年代以前，世界各工业发达国家都广泛采用此种方法，被称为“经典”方法。几十年来几乎没有什么质的变化，对于短路故障及低阻故障的测试甚为方便。如图2-1所示为电阻电桥法的测试原理AL全长LxLoDER2AR1C图2-1 电阻电桥法测试连线图 ACABDER11R21R L全长+LoRx1图2-2 等效电路电阻电桥法顾名思义，即利用电桥平衡原理，以电缆某一好相为臂组成电桥并使其达到平衡，测量出故障点两侧段电缆的直流电阻值，同时将电缆视为“均匀的传输线”，那么电阻的比值与电缆长度的比值成正比，以此推导出故障点距测试端的距离（在此略去计算公式的推导，只给出结论）即： （1）其中：R1、R2为已知电阻通过上式可以看出，只要知道电缆的准确长度L全长，就能精确算出故障点的距离。2.2.2 电容电桥法当电缆是开(断)路故障时，若再采用测量电阻电桥法将无法测出故障点的距离，因为直流电桥测量臂未能构成直流通道。在此只能采用交流电源，根据电桥平衡原理测量出电缆好相及故障相的交流阻抗值。由于电缆被视为“均匀的传输线”，其上分布电容与电缆长度成正比，以此推算出故障点的距离（在此略去计算公式推导，只给出结论）即： （2）其中：R1、R2为已知电阻，CL全长R1mAACoACx50Hz LoLxR2D 图2-3 电容电桥法测试连线图 ACABDR11R21XcoXcx150Hz图2-4 等效电路依据上式，已知电缆全长就可算出故障点距离。由于此类故障实际中出现机会较少，所以不常使用。2.2.3 高压电桥法电阻电桥法和电容电桥法解决的电缆故障类型很单一，局限性很大。通常电缆出故障往往都是综合性的，而且大多数故障都是泄漏高阻(已形成固定泄漏通道的一类故障)或闪络高阻(未形成固定泄漏通道的一类故障)。为了解决实际面临的难题，人们想到了通过提高直流电桥输出电压(通常可达10kV)，使故障点击穿，形成瞬间短路，测量出故障点两侧段电缆的直流电阻值，推算出故障点距离，即： （3） 其中：R1、R2为已知电阻 高压电桥法测电缆故障连线图与低压电阻电桥法相同。此种方法的优点是再也不用“烧穿”法先降低故障相绝缘电阻，使其变成低阻才能测试，即大家常形容的“边烧穿边粗测”。2.2.4 电桥法的不足之处通过上面对电阻电桥、电容电桥及高压电桥的原理介绍总结出了电桥法操作简单、精度高，而且装置成本低，但作为电缆测距方法，它还存在一下不足之处：（1） 在故障电阻很高的情况下，由于电桥里的电流很小，一般灵敏度的仪表很难探测到这么小的电流。这时为了得到在测距时所需的电流（10-15mA），传统的方法是使用高压电桥法，或者烧穿故障点，使接地电阻变小后，再使用低压电桥法。而在故障点上施加高压，让适当的电流流过并烧穿故障点形成碳化物，使故障电阻值下降的方法，由于其费时费力，效果又不太理想而逐渐被淘汰。因此，从上面的分析可知，电桥法不适用于电缆高阻故障的测距。（2） 当电力电缆发生三相短路、三相短路接地和断线故障时，从图2-1中可以看出由于无法构成测量回路，电桥不能进行电缆的故障测距。第三章 新的电缆故障测试方法的介绍为了解决第二章中电桥法在电力电缆故障探测中所发现的问题，不能在电缆高阻故障中测距，以及问题二中三相短路，三相短路接地和短线的故障，本章提出了新的电缆故障测试方法-脉冲法。3.1 低压脉冲法此方法主要用来测试电缆相间或者相对地低阻故障（三相短路，三相短路接地）；电缆的芯线、金属屏蔽层开路故障；以及电缆的实际长度、校验电缆的传输速度、显示电缆中的部分中间接头位置等。也可以直接用该方法判断电缆中是否存在低阻或者开路故障。低压脉冲法的原理如图3-1所示：图3-1 低压脉冲法测量线路 原理描述：低压脉冲法是由仪器产生一组间断脉冲信号加到故障电缆上，当遇到故障后产生反射波，仪器的发射脉冲信号可正可负。其测试波形如图3-2所示：3-2 低阻脉冲法测试波形图3-2中T1为发射脉冲；T2为电缆中间接头反射；T3为开路故障点反射；T4为电缆全长开路反射。实际中电缆中间对接头有时为反极性反射。电缆的中间接头一般反射幅度较小，开路故障必为同性反射。电缆全长反射相当于 电缆断线开路故障的特例，电缆短线故障不存在全长反射。图3-3中为低阻故障反射，与仪器发射脉冲反极性。若电缆为低阻短路故障，测试波形中不存在T4电缆全长反射。在分析低压脉冲法测量波形时应牢记极性、时间、幅度三要素。3.2 高压脉冲法3.2.1 直流高压闪络测量法（直闪法） 本方法主要用作测量电缆的闪络性高阻故障，也可以测量电缆中阻值很高的泄露性高阻故障 电压法：测量线路及测试波形如图3-4所示。调整仪器，从0开始给电缆加直流电压，当电压加到某一值时，泄露电流突然增大，此时仪器会显示出如图3-3中的近似衰减方波，故障点到测试端距离。图3-3 电压法测量线路及测试波形电流法：测量线路及测试波形如图3-4。途中由电流取样器取代电阻分压器，相当于电流互感器，测试波形图如3-4，近似衰减脉冲波。极性为正、负，故障点到测量端的距离为：。图3-4 电流法测量线路及测试波形电流电压法：测量线路与图3-4基本相同，但电流抽样器变成电压取样器，测试波形如图3-5.故障点到测试端的距离：。图3-5 电流电压法测试波形分析3种直闪法各有有缺点，电压法可被完全取代，电流电压法相对于电流法具有较强的抗干扰性能，故障可测率相对较高安全性好。3.2.2 二次脉冲法二次脉冲法是闪络法的一种不同连线方式工作方式。其目的是改善测试波形，提高仪器的抗干扰性能，但从理论及实际操作上讲，不存在比上面的方法更多的优越性。3.3 电力电缆故障精测方法的介绍在电力系统中，电缆故障的寻测是一个非常棘手的问题，尤其是对重要的线路或用户，长期停电将造成重大隐患或损失。因而尽快确定电缆故障点的位置，恢复正常供电往往成为一项十分紧迫的任务。前面讲到电缆故障测试包括两大步骤：粗测和精测。粗测的方法很多，主要有电桥法、低压脉冲法、高压闪络测量法等。无论用哪种方法进行粗测，只能确定故障点在某一范围内。其误差随粗测方法的不同而差别很大，还要考虑电缆走向及预留等因素，一般来说粗测误差在10米以内，甚至20米内都是允许的。要找到具体的故障点，则要依靠精测来解决。电缆故障点的精测包括以下两点：(1)电缆路径的查找：实测中往往容易被忽略而浪费大量的时间，为避免走弯路，搞清电缆的正确走向很有必要。(2)精确定点：在冲击高压作用下依据粗测的范围在电缆正确路径的正上方找出故障点。通常可确定在50公分范围内。3.3.1电缆路径的查找1、电缆走向的查找在电缆故障精测过程中，首先有必要而且应该做的就是查找电缆正确走向。通常测试人员都不同程度地遇到过因人员变动或图纸丢失而对电缆走向不清楚的困惑，此时唯一的办法就是用仪器来作出正确判断。根据周围环境将路径信号发生器输出设置为断续或者连续； 信号接好相接线图 信号接屏蔽层接线图图3-6 查找路径接线图如图3-6所示连线，信号源（路径仪）连续输出一固定频率的正弦（或余弦）信号加到被测电缆某一好项上，根据电磁感应原理，在电缆的周围必然产生电磁波。通过磁电传感器（探棒）将磁信号转化为电信号，再经信号处理器放大后通过耳机转化成声音信号。通过探棒位置移动引起声音大小的变化这一规律来确定电缆的走向和深度。电缆 电缆 信号强度规律 传感器 正上方最小 正上方最大 图3-8 路径查找声音规律图如图3-8所示，通过信号源（路径仪）给电缆输入一正弦交流信号时，根据电磁感应定律及右手螺旋法则，电缆周围的磁力线是以电缆为圆心的同心圆，磁力线上任一点的切线方向为该点的磁场方向。当探棒（感应线圈）沿与地面垂直的方向（即感应线圈的法线方向与地面成90*夹角）左右移动时，电磁感应理论认为：线圈中必然有磁力线穿过。当探棒到达H点时，因其法线方向与该点的场强方向垂直，通过线圈的磁力线为零，此时在耳机中听到的声音为最小，H点正下方即为电缆的正确走向。耳机声音遵循图3-8的规律2、 电缆深度的查找电缆埋设深度的查找可以理解为路径查找中的一个辅助过程，原理与前者一致（如图4-1）。使探棒与电缆走向垂直并与水平成45*角向一边移动时，耳机的声音有一个由大变小，又由小变大的过程，最小声音那一点到电缆的距离即是电缆在该处的埋设深度。如图4-2所示，当探棒移动至S点时，耳机中所听到的声音最小（此时线圈中穿过的磁力线为0）。若再以S点为中心左右移动，声音均会变大，则h=HS。3.3.2 精确定点1、原理故障点在冲击高电压的作用下产生闪络放电时，存在着一些物理现象，为使故障点瞬间变成短路故障，产生振动声波、电磁波、光、热等。电缆故障测试仪利用了瞬间使故障点变成短路故障这个现象，采集其所产生的反射波实现了对故障点的粗测，对故障点的精确定位则需要利用振动声波及电磁波。通过压电传感器（探头）及感应线圈接收故障点闪络放电时产生的振动声波和电磁波，经信号处理器（定点仪）后再传输给耳机，供人耳辨听进而对故障点进行定点（如图3-9）。JSPTVT 电 缆C220V 图3-9 定点接线图3.3.3不同性质故障点的定点1、 开路故障的定点电缆相间或相对地绝缘电阻值达到所要求的范围值，但工作电压不能传输到终端，或虽然终端有电压，但负载能力较差，这种故障称为开路故障。对于开路故障粗测很容易，定点时按图3-10连线。在故障相的一端加冲击高压，另一端及其它两项接地，然后利用定点仪在粗测范围内进行定点。开路故障与高阻故障相类似，所以定点时除电路连线稍有区别外，其定点方法与高阻相同。一般来说，纯粹性开路故障不常见到。通常开路故障与相对地或相间高阻故障及相对地或相间低阻故障并存。2. 低阻故障的定点若电缆相间或相对地绝缘受损，其绝缘电阻小到可用电缆故障测试仪低压脉冲法可以测量，这种故障称之为低阻故障。如图3-11连线，然后在粗测范围内进行定点。由于这类故障电阻值小（几欧姆几百欧姆），故障点放电间隙也小，所以通常要按照先低后高的原则，即电压逐渐提高，直至故障点发生闪络放电。因闪络放电而产生的振动波一般比较小，给定点增加了难度，再加上定点现场其它因素的干扰，放电声往往不容易分辨甚至听不到，这时可通过提高冲击电压或增大储能电容容量来增强放电强度，从而获得较大的放电声，便于收听、分析和判别故障点的精确位置。如果测得的电阻值很小（通常小于10欧姆），即“死接地”，几乎是没有放电声存在。如果继续使用高压冲击法会浪费很多时间甚至造成仪器的损坏。此时应按图3-12连线，将信号源（路径仪）接入故障相，用探棒沿着电缆路径在粗测范围内查寻，当通过故障点时，信号会有明显的减弱或消失。此方法也适合部分开路故障点的定位。3、 高阻故障的定点若电缆相间或相对地绝缘受损，其绝缘电阻较大，属于不能用低压脉冲法测量的一类故障，相对于低阻而言，它被称为高阻故障。通常包括泄漏高阻和闪络高阻两种故障类型。高阻故障的定点方法与低阻相同。（如图4-5）因这类故障的阻抗高（通常几十千欧上百兆欧），定点时需要施加比较高的冲击电压才能使故障点闪络放电，因此放电声和由此而产生的冲击振动波比较大，便于收听、分析和辨别。4、特殊故障的定点电力电缆的敷设受环境制约很大，除直埋定点容易外，还有以下几种值得重视：1 ）接头故障的定点在实际工作中，如果电缆故障为封闭性故障，一股脑用声测法定点是比较困难的。封闭性故障多发生在电缆中间接头和终始端头上。在这种情况下只能根据经验及测试中出现的一些现象，来判断故障点的大概位置，然后再定点。如果是头子故障，粗测时可能出现下面一些现象：在进行冲闪测试或预防试验时，若高压侧泄漏电流15mA时，故障点已闪络放电，但闪测仪出现的波形较乱，故障点的绝缘电阻在冲击高压的作用下，几乎稳定不变。对始端头故障，当加冲击电压后，球隙放电时断时续，起弧并伴有电缆头发热。根据这些现象，可判断出故障点的位置。对于始端头及其附近的电缆故障，若按图3-11连线定点，由于球隙的放电声淹没了故障点的放电声音，因此无法对故障点进行定点。这时可按图3-13所示连线，把球隙移至终端，跨接到好相和故障相之间，在始端将冲击电压加到球隙所接的好相上，待故障点放电后用定点仪在始端头附近进行定点，也可将高压设备移至电缆另一端按图3-11连线进行定点。中间接头故障的定点有时也比较困难。因为一些好的中间接头在电缆加冲击电压时也产生振动声波，无故障中间接头产生的振动声波传的较远且无最大响声，声音也比较小，根据这一特点可较准确地判定中间接头的故障。2）穿管电缆故障的定点地埋电缆的敷设不可避免地要经过一些马路、铁路下面，为防止电缆遭受外力破坏，通常都采用穿管的方法解决。当电缆在穿管区域出现故障时，定点就比较困难，因为管道对声音的传播影响很大。当管中电缆故障点放电时，声音会沿着管道向两端扩散。此时在地面上定点时会发现有一段区域都有响声（如图4-8所示AB段），无法具体定点。实测中含有以下两种情况：(1)已知该段电缆穿管 首先确认粗测的准确性，然后扩大定点范围，排除因丈量不准确可能造成的故障点偏离，最终再确定故障点就在该处，此方法常称为“排除法”。(2)未知该段电缆穿管 首先用“排除法”去掉其它区域存在故障点的可能性，然后再在此段进一步确认。注意：穿管电缆如前所述响声传播远，且因传播介质的变化声音在管子两端口有明显的减弱。对于穿管电缆故障点的定点过程是很辛苦的，特别是经过城市马路通过的电缆，要尽可能地避开周围噪音的干扰。只要认真分析判断，不断总结积累经验，解决此类故障的效率会越来越高。3）