电力电缆线路故障检测技术研究

电力电缆线路故障检测技术研究

张洪锋

国网陕西省电力公司榆林供电公司

摘要

随着我国国民经济的快速发展，电力电缆以其供电具有安全、可靠、美化城市布局等优点，在城市配电系统中获得了越来越广泛的应用。然而，电力电缆故障是电力系统中的常见故障。电力电缆多数埋于地下使用，一旦发生电缆绝缘故障，很难较快地找到准确的故障位置。目前大多数企业所使用的电缆事故点检测技术手段相对落后，抢修时间大部分耽误在事故点的查找上。电缆测距是排除电缆故障的前提条件，实现快速、准确的电缆故障测距可以缩短查找故障点的时间，有利于快速排除故障，减少由电缆故障带来的损失。

到目前为止，电力电缆故障测距仍然缺少有效的方法，本文通过研究输电线路故障测距方法，总结了各种电力电缆故障诊断方法存在的优缺点，指出了每种测量方法的适用范围和应用局限性。传统测距方法的是用电桥法测距，而随着电力电子技术的发展，目前在电力电缆故障测距中广泛采用行波法。经过仿真验证了该方法的有效性。

一、电力电缆故障产生原因和分类

1、电力电缆故障发生的原因

随着我国经济的不断发展,国家对电网建设力度加大,我国的电力需求日益增长,电力电缆在电力系统中的使用日益广泛"但是,由于电缆的制造工艺、产品质量、电缆绝缘老化、安装运行环境以及外力作用等原因,电力电缆故障时有发生"总结事故发生的原因可以大致有如下几类:

(1)绝缘损坏

电力电缆绝缘损坏主要包括两个方面。一为制造缺陷:市场上使用的电力电缆多是采用塑料、橡胶等材质作为电力电缆的绝缘材料。绝缘材料在制作工艺上的缺陷是前电缆故障发生的最大隐患"绝缘材料缺陷包括,材料砂眼、材料褶皱、龟裂、材料绝缘性能低下等。二为运行损失:电缆在长期运行情况下,电缆绝缘材料会发生树枝化放电,使得绝缘性能大大降低,可能造成事故"电缆载流量超出额定载流能力,造成导体过热,致使绝缘加速老化;电缆受腐蚀性气体或液体侵袭、电缆长期运行在潮湿的环境。电缆直埋于地下时都会对电缆绝缘的使用寿命受到影响,甚至使电缆绝缘击穿,造成事故。

(2)外力损伤

电缆在使用中因受到外力作用从而造成电缆绝缘损坏或导体断折发生事故。外力作用主要包括机械直接作用、行驶设备碾压、地下不均匀沉降、悬挂电缆自重拉伸、动物啃咬等、外力作用是电力电缆故障产生的最主要原因,该原因占到电力电缆事故发生率的约72%。

(3)过负荷

电缆超负荷电流运行,造成导体过热,直至绝缘材料的破坏甚至燃烧"电缆受到过电压冲击,绝缘材料承受过电压冲击,造成绝缘击穿。

2、电力电缆故障类型

电力电缆发生故障的类型较多,事故类型复杂,具体从故障部位上分有导电部分故障与绝缘部分故障。

导电部分故障主要为导体出现故障,包含导体断线的开路故障!导体短接的短路故障。

绝缘部分故障主要有绝缘层损坏,绝缘性能损坏造成泄露电流增大的泄露性故障和随电压等级升高绝缘击穿,电压降低绝缘增强的闪络性故障。

二、电力电缆故障的距离检测方法

因为电力电缆故障发生的较为复杂,目前技术还没有一种仪器可以检测所有的故障类型。电力电缆故障发生时,针对不同的故障类型,国内外科研人员研究了多种检测手段和仪器,它们各有优缺点。故障检测可以分为距离检测方式与故障点检测方式两种。

经典的故障测距方法是电桥法随着电磁理论的发展,出现了以行波理论为代表的现代行波测距法,包括低压脉冲反射法、高压闪络法等。以下进行详细分析研究。

1. 电桥法

电桥法一直是工程现场检测电缆故障最直接、最简单的操作方法,电桥法按接线形式上可分为正接法和反接法两种。

1. 正接电桥法

电缆断路故障还可以用电容电桥法测量,原理与电阻电桥法类似。正接电桥法优点是简单方便、操作安全、精确度高。缺点是电桥法中对电阻的要求很高,电阻太大将影响电桥的灵敏度,太小容易计算连线电阻造成误差。有时还会出现故障点烧断,故障电阻反而升高的现象。

2. 反接电桥法

反接电桥法实际是将正接电桥法中的电源与电流表互换后得到的。它克服了正接法不能测量高阻故障的缺点,在对高阻故障定位时,不必对电缆进行烧穿,还可以通过加大电压的幅度,使故障点击穿,在击穿的同时可以对故障进行定位。

2. 低压脉冲反射法

低压脉冲反射法用于测量电缆的低阻、短路与断路故障。

1. 基本原理

测量时将脉冲信号自测试端送入被测试电缆。该脉冲将沿着电缆传播,当遇到阻抗不匹配点,如短路点、断路点、中间头时,由于波阻抗失配形成反射,脉冲返回到测量端并被记录下来。

2. 距离的计算

已知被测电缆长度,根据发送脉冲与电缆终端反射脉冲之间的时间差可以计算出电缆中的波速度。

低压脉冲反射法的优点是简单!直观!不需要电缆的准确长度的原始资料。它能容易的识别电缆接头与分支点的位置"它的缺点是不能适用于高阻和闪络性故障的测量。

3.直流高压闪络法

直流高压闪络法(简称直闪法)用于测量闪络击穿性故障,即故障点电阻极高,在用高压试验设备把电压升到一定值时就会产生闪络击穿现象。故障点的闪络将产生跃变电压波和电流脉冲波。

采集信号分为两种:利用分压器取出电压脉冲波的方法为脉冲电压法。利用线性电流祸合器(电流互感器)提取出脉冲反射过程的电流行波信息,进而根据电磁波在电缆中传播的速度换算出故障点到测试端的距离,此法称为脉冲电流法.故障点到测量端的距离为:

式中v——行波在电缆中的传播速度；

——故障点到测量端的距离。

直闪法的优点是不必将高阻与闪络故障烧穿,直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号,测试速度快,获得的波形简单、容易理解,读数精度高。缺点是一些故障点在几次闪络放电之后,往往造成故障点电阻下降,形成碳阻通道,以至于不能再用直闪法测试.

三、电力电缆故障的定点检测方法

电缆故障发生时,故障距离检测方法是根据数学理论通过公式计算得到测量点到事故点的理论上距离,通过尺量找到电缆的事故点实际大致位置,从而实施维修处理。为此,国内外的科研人员发明了事故电缆精确定点的检测方法。

1. 冲击放电声测法

声测法定首先要用前面介绍的电缆测距方法对长距离电缆线路进行事故点测距,计算出事故点距离,根据电缆敷设路径找到事故点大致位置。在电缆测试端连接冲击电压装置对电缆施加脉冲高压,故障点产生规则放电,因放电的能量与电缆电容及电压的平方成正比例,较大放电能量在故障点释放,故障点会产生较大的放电声音。然后,在粗测所得的故障点位置的前后,用接收故障点放电声响的装置(即定点仪)来确定故障点的精确位置"放电声最大处,即为电缆故障点所在的位置,实现精确定点。

2. 声磁同步法

声磁同步法是声测法的改进方法,就是在用声测法的同时再利用电磁波接收装置接收放电产生的电磁波。在故障电缆上施加冲击高压使故障点放电发出爆声,用测量仪器同时检测声音信号和故障点放电产生的脉冲磁场信号。电磁波和声波的接收同步,如果能听到振动声波的同时,又显示出故障点放电电磁波的存在,说明故障点就在附近,否则应视为干扰信号。当背景噪声较大时可以运用此方法。

3. 声磁传播时间差法

在实际测量中,哪一点的信号最强并不很明显,这就会给故障点查找带来困难。声磁传播时间差法就是通过检测放电时所产生的电磁信号与声音信号到达测量仪的时间差对电缆故障定点。时间差最小的位置即为故障点所在位置。

4. 音频感应法

音频感应法一般用于探测低阻故障。探测时,用音频信号发生器向待测电缆通入音频电流,发出电磁波;然后,在地面上用探头沿待测电缆路径接受电缆周围电磁场变化的信号,并将之送入放大器进行放大;再将放大后信号送入耳机或指示仪表,根据耳机中声响的强弱或指示仪表示值的大小而定出故障点的位置。这种方法是对上面三种方法的一个补充.

四、本文小结

本文对电力电缆事故产生的原因进行了详细分析并进行了分类。根据电缆事故特点分析了事故测距和定点两种检测方式,研究了电桥法、低压脉冲反射法、冲击高压闪络法、声测法等检测方法的原理,总结了各种检测方法的优点及适用范围。