高壓電力電纜的故障診斷與分析

電力電纜故障可分為開路故障、低阻故障和高阻故障三種類型。
       若電纜相間或相對(duì)地的絕緣電阻值達(dá)到所要求的規(guī)范值，但工作電壓不能傳輸?shù)浇K端，或雖然終端有電壓但負(fù)載能力較差，這類故障稱開路故障。若電纜相間或相對(duì)地的絕緣受損，其絕緣電阻減小到一定程度的故障稱為低阻故障。相對(duì)于低阻故障，若電纜相間或相對(duì)地的故障電阻較大，則稱為高阻故障，它包括泄漏性高阻故障和閃絡(luò)性高阻故障。泄漏性高阻故障是指隨試驗(yàn)電壓的升高而泄漏電流逐漸增大，且大大超過規(guī)定的泄漏值的故障。閃絡(luò)性高阻故障是指絕緣電阻值很大，當(dāng)試驗(yàn)電壓升高到一定值時(shí)，泄漏電流突然增大的故障。
       在進(jìn)行電纜故障探測(cè)時(shí)，先需要進(jìn)行電纜故障性質(zhì)判斷，通常是將電纜脫離供電系統(tǒng)，并按下列步驟測(cè)量：
       1.用絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)量每相對(duì)地絕緣電阻，如絕緣電阻指示為零，可用萬用表或回路電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，以判斷是高阻還是低阻接地；
       2.測(cè)量兩相之間的絕緣電阻，以判斷是否是相間故障；
       3.將另一端三相短路，測(cè)量其線芯直流電阻，以判斷是否有開路故障。
       一、電纜故障探測(cè)技術(shù)
       采用的方法主要為低壓脈沖法和高壓閃絡(luò)法。
       低壓脈沖法可測(cè)量電纜中出現(xiàn)的開路故障、相間或相對(duì)地低阻故障；
       高壓閃絡(luò)法可用于探測(cè)高阻故障。
       低壓脈沖法測(cè)量原理是依據(jù)均勻傳輸線中波傳輸與反射的原理。將被測(cè)電纜看作是一均勻傳輸線，它每一點(diǎn)的特性阻抗是相等的，當(dāng)從電纜一端發(fā)射一低壓脈沖波時(shí)，由于故障點(diǎn)的阻抗發(fā)生了變化，電磁波傳播到該點(diǎn)處就發(fā)生折、反射現(xiàn)象，反射電壓Ue與入射電壓Ui滿足關(guān)系式：

             其中：Zc為電纜的特性阻抗，Z為電纜故障點(diǎn)的等效波阻抗。對(duì)于低電阻故障，若故障點(diǎn)對(duì)地電阻為R，則該點(diǎn)的等效波阻抗Z＝R／Zc；對(duì)于開路故障，若故障電阻為R，則該點(diǎn)的等效阻抗Z＝R＋Zc。
       當(dāng)-1＜β＜0時(shí)：說明低阻抗點(diǎn)存在反射波，且反射波與入射波反極性。R愈小，β愈大，Ue愈大；
       當(dāng)R＝0為短路故障時(shí)，β＝-1，Ue＝-Ui：電壓波在短路故障點(diǎn)產(chǎn)生全反射；
       當(dāng)0＜β＜＋1時(shí)：說明開路故障點(diǎn)也存在反射波，且反射波與入射波同極性。R愈大，β愈大，Ue愈大；
       當(dāng)R＝∞，即為斷線故障時(shí)，β＝＋1，Ue＝-Ui：電壓波在斷線故障點(diǎn)產(chǎn)生開路全反射。
       實(shí)際用儀器測(cè)量低阻、開路故障時(shí)，是由機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一寬度為0.1～2µs、幅度大于120V的低壓脈沖，在t0時(shí)刻加到電纜故障相一端。此時(shí)脈沖以速度v向電纜故障點(diǎn)傳播，并經(jīng)過同樣的時(shí)間?t時(shí)間后到達(dá)故障點(diǎn)，并產(chǎn)生反射脈沖，反射脈沖波又以同樣的速度v向測(cè)量端傳播，并經(jīng)過同樣的時(shí)間?t于t1時(shí)刻到達(dá)測(cè)量端。若設(shè)故障點(diǎn)到測(cè)量端的距離為L，則有如下關(guān)系：

       所以只要記錄t0和t1時(shí)刻，就可以測(cè)出測(cè)量端到故障點(diǎn)的距離。
       當(dāng)對(duì)電纜全長進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，往往使電纜終端開路。因此，電纜全長的校準(zhǔn)相當(dāng)于電纜斷線故障的測(cè)量情況。電纜存在中間接頭時(shí)，由于接頭處的電纜形狀及其絕緣介質(zhì)等的變化，引起了該點(diǎn)特性阻抗的變化。根據(jù)電磁波傳輸理論，該點(diǎn)也存在一定的反射。
       對(duì)于高阻故障，由于故障點(diǎn)電阻較大，此點(diǎn)的反射系數(shù)β很小或幾乎等于零，用低壓脈沖法測(cè)量時(shí)，故障點(diǎn)的反射脈沖幅度很小或不存在反射，因而儀器分辨不出來。這時(shí)需要用高壓閃絡(luò)測(cè)量法進(jìn)行故障探測(cè)。
       高壓閃絡(luò)法是由直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生一負(fù)的直流高壓，加到電纜故障相，當(dāng)電壓高到一定數(shù)值后，電纜故障點(diǎn)產(chǎn)生閃絡(luò)放電，瞬間被電弧短路，故障點(diǎn)便產(chǎn)生一跳變電壓波在故障點(diǎn)與測(cè)量端之間來回傳輸，這時(shí)只要測(cè)量波兩次經(jīng)過某一端的時(shí)間差即可求出故障點(diǎn)的距離。
       用于擊穿高阻故障點(diǎn)的電源也可以是沖擊高壓。在用沖擊放電進(jìn)行高阻探測(cè)時(shí)，應(yīng)特別注意電纜的耐壓等級(jí)，所選用的沖擊電壓的幅值應(yīng)不超過正常運(yùn)行電壓的3.5倍。
       二、電纜故障定位技術(shù)
       由于電纜線路不可能*直線敷設(shè)，用電纜故障探測(cè)儀僅能對(duì)電纜故障的大致位置進(jìn)行判斷，而不能確切給出電纜敷設(shè)后的準(zhǔn)確故障點(diǎn)，所以電纜故障定位十分重要。
       傳統(tǒng)的電纜故障定點(diǎn)方法是聽聲法。這種方法的特點(diǎn)是簡單易行，特別是放電聲較大的時(shí)候，還是比較理想的。然而，當(dāng)故障點(diǎn)的直流電阻較小時(shí)，放電聲不太大，這時(shí)難以奏效?，F(xiàn)在較普遍使用的定點(diǎn)儀是將微弱的機(jī)械振動(dòng)波首先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由放大電路將這一電信號(hào)進(jìn)行足夠的放大后，再通過耳機(jī)還原成聲音，然后通過人機(jī)的有機(jī)配合，準(zhǔn)確地確定故障點(diǎn)的位置。
       不同性質(zhì)的電纜故障，在定點(diǎn)技術(shù)上略有差異：
       1.對(duì)于高阻故障的定點(diǎn)，由于故障的阻抗較高，探測(cè)時(shí)施加的沖擊電壓較高，故障點(diǎn)才會(huì)發(fā)生閃絡(luò)放電，故放電聲和由此而產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)波一般說來都比較大，較便于收聽、分析和辨別。
       2.對(duì)于低阻故障的定點(diǎn)，由于這類故障電阻小，因此故障點(diǎn)的放電間隙也小，致使施加的沖擊高壓在不很高的情況下，故障點(diǎn)便發(fā)生閃絡(luò)放電。這時(shí)因閃絡(luò)放電而產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)波也小，再加上現(xiàn)場(chǎng)其他因素的干擾，放電聲往往不易分辨甚至聽不到放電聲。這時(shí)可控制沖擊電壓的高低，并通過加大貯能電容器的電容量，增強(qiáng)放電強(qiáng)度，從而獲得較強(qiáng)、較大的放電聲，便于收聽、分析和判斷故障點(diǎn)的位置。
       3.對(duì)于開路故障的定點(diǎn)，是在故障相的一端加沖擊高壓，而故障相的另一端用另外兩相和電纜鉛包連接后充分接地，然后利用定點(diǎn)儀在粗測(cè)范圍內(nèi)進(jìn)行定點(diǎn)。因開路故障類似于高阻故障，其定點(diǎn)方法與高阻故障的定點(diǎn)方法相同。
       如果故障點(diǎn)就在測(cè)試端附近，這時(shí)故障點(diǎn)的放電聲會(huì)被球隙的放電聲所淹沒，因而不易被測(cè)聽到。當(dāng)遇到這種情況時(shí)，可以將球間隙放到遠(yuǎn)離測(cè)試端的另一端，并通過已知的正常相對(duì)故障相加電壓，從而達(dá)到故障相閃絡(luò)放電的目的。這時(shí)因串入回路的球間隙遠(yuǎn)離測(cè)試端，因此故障點(diǎn)的放電聲就比較容易監(jiān)聽到。