助航灯光电缆故障性质分析.doc

助航灯光电缆故障性质分析栾心刚(哈尔滨太平国际机场机场管理部灯光变电所)摘 要：由于助航灯光输电线路使用的都是电缆，由其引发的故障也五花八门，本文主要从故障检测的角度出发来分析助航灯光电缆的故障性质。关键词：助航灯光供电系统 电缆 开路故障 绝缘故障一 引言 在助航灯光供电系统中，所有的电力设备都可能存在一些问题，诸如设计问题、安装问题、质量问题、运行问题、管理问题等等。但不管什么问题，最终都可能引起设备故障。电缆作为一种输电的主要设备也毫不例外会因种种原因出现故障。本人在长期从事助航灯光工作的过程中，发现了一些有争论性的问题。下面就助航灯光电缆故障有关的一些问题做粗浅的论述。二 助航灯光电缆的结构及组成由于电缆的种类繁多，如按电压等级分类，大约有三大类：低压电缆、中压电缆、高压电缆；若按绝缘材料分类，大约有四大类：油浸纸介质电缆、塑料电缆、橡皮电缆、充油或充气电缆等，其结构组成也各不相同。而机场助航灯光电缆是根据我国民航事业的发展和民航机场建设水平的提高而研制开发的高新技术产品。它是应用工业电子加速器所产生的电子射线对高分子材料进行改性而获得的高机械强度、耐老化性能和优良的电性能作为该产品的绝缘材料，实现了产品的耐电压等级高、机械强度满足机场苛刻条件；使用寿命长达30年以上，确保了飞行的安全性和可靠性。以哈尔滨机场为例，其助航灯光电缆都是烟台电缆厂开发的： YJYD-6/6-3.6/6kV和6/6KV辐照交联机场助航灯光电缆。其主要由五部分组成：导体芯线、绝缘层、半导电层、金属屏蔽层、外护套层，因此，五部分中的那一部分出现问题都可以认为是该电缆有故障。三 助航灯光电缆故障分类 分析了助航灯光电缆的结构组成，我们可以得出电缆主要由两大部分组成：金属导体和绝缘体，因此灯光电缆故障也分为两大类：1.1 导体故障（开路故障） 顾名思义，导体故障是灯光电缆中的金属导体所出现的故障，这里主要指芯线导体和金属屏蔽层故障。以导体芯线为例，如图1所示： 图1 开路故障示意图在图1中，电缆芯线的正常电阻值应为： RAA= L/S（）=RO 式中L为电缆长度，S为芯线截面面积， 为导体电阻率，因此当电缆成型后，其电阻值RO是一个定值（一般为毫欧级）。所以，只有当RAA RO才认为导体有问题，在实际中有两种情况，即两种类型故障： 断线故障：即RAA=，也就是说电缆的芯线或金属屏蔽层在某一处或多处断开，如实际中，电缆被人为挖断、电缆被烧断、在电缆接头处，电缆芯线或电缆的两边屏蔽层根本没有连接上、电缆在生产过程中屏蔽层不连续等。 似断非断故障：即RAA RO ，如电缆的芯线或金属屏蔽层某处似连非连、接头部分芯线或屏蔽线处理不好等。这种故障一般人们不易发现，但实际中是确实存在的。对于以上两种情况的导体故障我们统称为开路故障。因此，开路故障的确切定义为： 电缆的导体损伤导致导体断开或似断非断的情况。导体包括电缆的芯线和金属屏蔽层。断线故障是开路故障的一个特例。1.2 绝缘故障 灯光电缆中的绝缘层，不管是主绝缘层还是外护套绝缘层。它和导体芯线一样，是电缆必不可少的重要组成部分，但相比之下要比导体材料脆弱的多。因此，在实际中，电缆的绝大多数故障都是由绝缘层不好引起的。 在物理上，绝缘材料也叫电介质，分析电介质主要考虑它的三个特性：电介质的电导（漏导）特性、电介质的击穿特性和电介质的损耗特性。这里主要考虑前两个特性。 电介质的电导：理论上，绝缘材料即电介质是不导电的,其等效电阻为，即当给电介质两端施加直流电压，不管是电压多高，电介质中没有电流流过，根据欧姆定律知：Ig=U/R=0。但实际上， 电介质是存在电阻的，用公式表示为：R=p*d/s（欧） 式中的 p为电介质的电阻系数，为一常数，一般大于1012欧/厘米，而d/s只与电介质的几何尺寸有关。 因此流过电介质的电流（泄漏电流用Ig表示）一般与外加电压成正比关系。具体到灯光电缆，其几何尺寸和电介质的电阻系数是一定的，所以，在额定电压下的泄漏电流Ig应该不大于某一确定的值Igm。但如果电介质的电导特性变坏即RJ变小，泄漏电流Ig变大，说明电介质存在故障。对灯光电缆来说，这种电缆的绝缘层电导特性变坏的故障我们称之为泄漏性故障。 电介质的击穿：所有的电介质都不例外，当给电介质上施加电压后，电介质中会流过微小的泄漏电流Ig，其值随所施电压的增大基本线性增大，而当所施电压超过某一数值Us时，泄漏电流Ig突然增大，电介质完全失去固有的绝缘特性而变成导体，这种现象称之为电介质的击穿，把电压值Us称之为电介质的击穿电压.有些绝缘介质击穿后，当降低外加电压后，绝缘性能自行恢复，有些则电导特性变坏，泄漏电流明显增大。具体到灯光电缆，若电缆的额定电压为Um，当给电缆加电压时，在电压加到某一数值Us时，在UsUm条件下，电缆绝缘击穿，说明电缆存在故障，当降压后绝缘自行恢复,这种故障称之为电缆的闪络性故障。而降压后绝缘性能不可恢复的情况则为上述的泄漏性故障。 综上所述，灯光电缆绝缘层损伤一般会出现两种故障：泄漏性故障和闪络性故障。等效电路如图2所示：图2 绝缘故障等效电路 其中泄漏性故障可等效为一个电阻Rg，一般远小于RJ，Rg数值有高有低，Rg高时称为泄漏性高阻故障，Rg低时称为泄漏性低阻故障，简称低阻故障（具体定义见后分析），当Rg=0时，称之为短路故障（俗称死接地）。实际中可通过表、M表或给电缆加直流电压等方法来判知。 闪络性故障可等效为一个小间隙，当给电缆加直流电压，若UUs时，其电阻值为RJ，若UmUUs时，绝缘电阻为零。在实际中一般通过M表判断不出闪络性故障的存在，只有通过给电缆加直流电压才能发现。2 按灯光电缆故障发生的原因分类 分析灯光电缆故障发生的原因，情况很多，而直接的原因总归起来有三种情况，也即有三种故障类型：2.1 运行故障 电缆在运行过程中发生故障，此类故障通常以导体芯线并对地泄漏性故障较多。2.2 预试故障 电缆在做预防性试验时发生故障。由于规程上规定在现场电缆只做直流耐压试验。因此以往此类故障以闪络性故障居多，也有泄漏性故障。如果以后现场电缆要做交流耐压试验，那么电缆故障的情况将会有所变化。2.3 外力破坏形成故障 电力电缆由于人为破坏或自然因素破坏而形成的各种类型故障。3 按灯光电缆故障发生的部位分类 分析灯光电缆的结构组成和整体线路情况，我们可把电缆故障按照下列形式分类：3.1 主绝缘故障 电缆的导体芯线与地或金属屏蔽层之间绝缘受损形成各种性质故障。3.2 护套故障 一般指电缆的金属护套（层）或绝缘护套受损形成的故障，实际中能够发现的是金属护套对大地之间绝缘护套的故障。此类故障以泄漏性故障居多。3.3 本体故障 完整的灯光输电电缆由电缆本体和电缆接头两大部分组成。因此电缆的故障肯定发生在电缆本体和电缆接头。电缆的本体可出现不同性质的故障。通常因产品质量和外因损坏为主要原因。3.4 接头故障 应用灯光电缆供电，其特性为串联许多隔离变压器，中间就有许多连接头，即中间接头。通常电缆故障的相当一部分为接头故障，其表现性质各不相同。但通常以导体芯线对地泄漏性高阻故障居多数。4 按灯光电缆故障外表特性或人的直觉性分类： 从灯光电缆故障发生的外特性来分析，通常有两种类型故障：4.1 外露性故障 很显然，通过人的眼睛观察，可以直接发现故障点，如:电缆的外护层或绝缘层等有明显的损坏现象。4.2 封闭性故障 与外露性故障相比较，电缆的外表完整无缺，电缆的外护层及屏蔽无明显的损坏痕迹，这也可以称之为电缆的内伤。在过去，封闭性故障往往和闪络性故障相联系，更确切的讲是一种故障两种称谓。因为过去油浸纸介质电缆比较多。闪络性故障多以在做预试时发现，而电缆做预试的过程很短，电压不足以把电缆外护层及铅包损坏，因此而为封闭性。由于近几年XLPE电缆的增多，它的物理特性与油浸低电缆有所不同，往往泄漏性甚至短路，其故障点仍然封闭。因此，我们不能把闪络性故障和封闭性故障混为一谈。5 按灯光电缆损坏程度分类灯光电缆出现故障后，其损坏的严重程度差别比较大，我们这里从查找故障的角度出发进行分类：5.1 单点故障 电缆出现故障是在电缆中的某一个点上，不管是单相对地，相间并对地,还是混合型故障。实际中电缆故障多数为单点故障。5.2 多点故障 相对于单点故障，多点故障指的是同条电缆中有多个距测量端（终始端头）不同距离的故障点。在实际中也常见到。5.3 大面积或长距离故障 相对于电缆的点故障，大面积故障通常指的是电缆中的某一段绝缘层损坏，如常见的电缆中大面积受潮故障。5.4 质量问题 这一点本来不属于电缆故障分类范畴，但实际上在我国常常发现有些用户电缆在使用很短一段时间后，出现整个电缆的主绝缘层电介强度下降，泄漏电流很大，表现为泄漏性故障的情况。用户在现场有时很难判别是故障点还是质量问题。6 灯光电缆按行波反射理论分类 随着电缆测试仪的普及，在处理灯光电缆故障中，使用电缆测试仪最多的粗测方法就是行波反射法，也叫脉冲反射法。由于脉冲反射法有两种基本方法：低压脉冲法和高压脉冲法（通常所说的“闪络法”），这样便将灯光电缆故障分为以下几种类型故障。 开路故障：包括导体芯线和金属屏蔽层以及金属外护套等断线和似断非断故障。一般可采用低压脉法冲进行测试。 低阻故障：若电缆的相间或相对地出现泄漏性故障，当其电阻值Rg小于某一数值RD而能用低压脉冲法测量的一类故障。由于有以下几个因素存在使得RD没有一个确切的数值。 原因一：由于低压脉冲法中的低压二字很不确切，测量脉冲的幅值多少为低没有严格的规定。一般来讲，脉冲幅度越高，RD越大，反之亦然。也与仪器提供的脉冲宽度有关，脉宽越宽RD就越大，反之就越小。 原因二：RD的大小与提供的测量仪器灵敏度有关，一般来讲，仪器的灵敏度越高RD就越大，反之RD就小。 原因三，与被测电缆结构或衰减程度有关，由于仪器提供的是高频脉冲信号，在实际中，电信号通过输电线路都会产生损耗，即有衰减现象，信号频率越高衰减越大，传输越远衰减越大。 原因四，与故障点和测量仪器的相对距离有关，由于电信号的衰减程度与输电线缆的长度有关，所以，同一条电缆中的同一个故障点，仪器在距故障点较近的一端测量就可以测得出来，在距故障点较远的另一端就测不出来。 原因五，与测量仪器与被测电缆的匹配情况有关。一些地方和相关资料上把泄漏电阻Rg小于被测电缆的特性阻抗Zc称之为低阻故障，这是个错误的概念，至少是片面的。电缆的特性阻抗指的是电缆传输微波信号或高频脉冲信号时所表现的一种参数，只与电缆的几何尺寸和绝缘介质有关，是个常量，一般在十几列几十欧姆。由理论与实践证明，只有当电缆的泄漏故障在电缆的终端头上而阻值小于电缆的特性阻抗的情况才叫低阻故障，实际中出现的概率很少。 高阻故障：相对于低阻故障，凡不能用所提供仪器的低压脉冲法测量的电缆绝缘损伤故障都叫做电缆的高阻故障。此类故障通常采用“高压脉冲反射法”即“闪络法”进行故障点测量，包括泄漏性高阻和闪络性高阻两种故障。四 灯光电缆故障成因 灯光电缆出现故障，其形成原因比较多，这里归纳如下几种情况：1 电缆生产质量问题 在我国，常用的中低压电缆其生产技术是非常成熟的，因此电缆的产品质量问题不存在设计及工艺问题，主要是生产管理和市场管理问题。如一运行的XLPE电缆，出现故障才发现电缆中的铜屏蔽层不连续，甚至严重到了有一段电缆没有铜屏蔽层。由于市场竞争激烈，出现一些生产的XLPE成品电缆竞没有半导电层，导体芯线易扭断等难已想象的质量问题。2 电缆施工质量问题 电缆在安装施工过程中，没有严格按照有关电缆的安装要求施工，如电缆的扭曲，打折等。3 电缆接头的制做问题 电缆的接头附件质量问题是一个方面，主要还是接头的制做质量问题。如电缆接头，有些单位连屏蔽层都不加，有的虽然有屏蔽层，但接头两边连接不好等。因此，电缆故障中100%为接头处故障。4 电缆的管理问题 如一些单位让电缆长期过负荷运行，灯箱积水致使电缆头长期寝泡等，这些都有可能造成电缆的绝缘老化，形成各种故障。又如电缆受外力破坏，直接形成各种故障和造成故障隐患等。五 灯光电缆故障的判别方法 如上较详细地分析了灯光电缆的故障分类，在本节，我从实际工作中讲述一下灯光电缆故障的判别方法。以供参考： 分析故障类型，总结如下：图3 故障判别示意图1 开路故障 对于灯光电缆，在终端将芯线与金属屏蔽层短接，在始端用表，(三用表)测量A到屏蔽层的电阻值，RA应稍大于 RO = L/S（）,一般应满足 RA2RO 条件。若RA= , 为开路故障；若RA 2R0为似断非断故障。 图4 电缆开路示意图 另外一种判别方法就是应用低压脉冲法测量。通过用脉冲法测量电缆的相对长度及脉冲反射波形来判断电缆是否存在开路故障，此时无需将电缆另一端短接。此方法对芯线及金属屏蔽层都可非常有效地检测。2 泄漏性低阻故障（简称低阻故障）如前所述，低阻故障有两个不同的定义，依据电阻电桥法和依据低压脉冲法。依据电桥法，用表或万用表测量电缆相间和相对地（或金属屏蔽层）电阻值，若电阻值小于10K可认为是低阻故障。依据脉冲法，最好的判别方法是用低压脉冲法测量相间或相对地的波形，