电缆故障的分析与探测定位处理
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电缆故障的分析与探测定位处理

发表时间:2019-02-20

作为连接各种电气设备、传输和分配电能的电力电缆,以其安全、维护工作量少,稳定性高,有利于提高电能的质量等优点,已经得到越来越广泛的应用。目前,电力电缆所产生的故障在所有供电故障中占了相当大的比重。如何快速、准确地确定故障点位置和判断出故障类型已成为电力电缆使用和运行过程中十分关键的技术之一。

1. 电缆故障原因

电缆故障的最直接原因是绝缘降低而被击穿。导致绝缘降低的因素很多,根据实际运行经验,归纳起来不外乎以下几种情况:

机械损伤

安装时损伤:

在安装时不小心碰伤电缆,机械牵引力过大而拉伤电缆,或电缆过度弯曲而损伤电缆;

直接受外力损坏:

在安装后电缆路径上或电缆附近进行城建施工,使电缆受到直接的外力损伤:

间接受外力损坏:

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;

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。

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:

因接头盒或终端盒结构不密封或安装不良而导致进水;

电缆制造不良,金属护套有小孔或裂缝;

金属护套因被外物刺伤或腐蚀穿孔;

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、****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。

过热会引起绝缘老化变质。电缆内部气隙产生电游离造成局部过热,使绝缘碳化。电缆过负荷是电缆过热很重要的因素。安装于电缆密集地区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆以及电缆与热力管道接近的部分等都会因本身过热而使绝缘加速损坏。

过电压

过电压主要是指大气过电压(雷击)和电缆内部过电压。对实际故障进行的分析表明,许多户外终端头的故障是由大气过电压引起的。过电压使电缆绝缘层击穿,形成故障,击穿点一般是存在材料缺陷。

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。

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;在包缠绝缘过程中,纸绝缘上出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷;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。

护层腐蚀

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。

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。
2. 故障分类

按故障电阻与芯线情况分类

  • 开路(断线)故障

开路故障,又称断线故障,若电缆相间或相对地绝缘电阻达到所要求的规范值,但工作电压不能传输到终端;或虽终端有电压,但负载能力较差。当绝缘电阻=∞,即为断线故障。

  • 低阻(短路)故障

低阻故障又称短路故障电缆相间或相对地绝缘受损,其绝缘电阻小到能用低压脉冲法测量的一类故障。当绝缘电阻<10kΩ时,为短路故障。


  • 高阻(泄漏性)故障

  • 高阻(闪络性)故障

电缆相间或相对地绝缘损坏,其绝缘电阻较大,当绝缘电阻>100kΩ,不能用低压脉冲法测量的一类故障,它是相对于低阻故障而言的。包括泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障二种类型。

以上故障分类也是为了选择测试方法的方便,根据目前流行的故障测距技术,开路与低阻故障可用低压脉冲反射法,高阻故障要用冲击闪络法,而闪络性故障可用直流闪络法测试。

按表面现象分类

  • 开放性故障

  • 封闭性故障

按接地现象分类

  • 单相接地故障

  • 相间故障

  • 多相接地混合性故障

按故障位置分类

  • 接头故障

  • 电缆本体故障

3. 探测原理

电缆故障的测试是基于电波在传输线中的传输时遇到线路阻抗不均匀而产生反向的原理。

根据传输线理论,每条线路都有其一定的特性阻抗Zc,它由线路的结构决定,而与线路的长度无关。在均匀传输线路上,任一点的输入阻抗等于特性阻抗,若终端所接负载等于特性阻抗,线路发送的电流波或电压波沿线传送,到达终端被负载全部吸收而无反向。当线路上任一点阻抗不等于Zc时,电波在该点将产生全反射或部分反射。反射的大小和极性可用反射系数P表示,其关系式如下:

式中:

Zc为传输线的特性阻抗

Zo为传输线反射点的阻抗

(1)当线路无故障时,Zo=Zc,P=0,无反射。

(2)当线路发生断线故障时,Zo=∞,P=1,线路发生全反射,且反射波与入射波极性相同。

(3)当线路发生短路时,Zo=1,P=-1,线路发生负的全反射,反射波与入射波相性相反。

4. 电缆故障探测基本步骤

电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤。

故障诊断

电缆故障性质的诊断,即确定故障的类型与严重程度,以便于测试人员对症下药,选择适当的电缆故障测距与定点方法。

所谓诊断电缆故障的性质,就是指确定:故障电阻是高阻还是低阻;是闪络还是封闭性故障;是接地、短路、断线,还是它们的混合;是单相、两相,还是三相故障。

可以根据故障发生时出现的现象,初步判断故障的性质。例如,运行中的电缆发生故障时,若只是给了接地信号,则有可能是单相接地的故障。继电保护过流继电器动作,出现跳闸现象,则此时可能发生了电缆两相或三相短路或接地故障,或者是发生了短路与接地混合故障。发生这些故障时,短路或接地电流烧断电缆将形成断线故障。但通过上述判断不能完全将故障的性质确定下来,还必须测量绝缘电阻和进行“导通试验”。

测量绝缘电阻时,使用兆欧表(1千伏以下的电缆,用1000伏的兆欧表;1千伏以上的电缆,用2500伏的兆欧表)来测量电缆线芯之间和线芯对地的绝缘电阻;进行“导通试验”时,将电缆的末端三相短接,用万用表在电缆的首端测量芯线之间的电阻。

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。

长期以来,涌现出了许多故障距离测量方法与仪器,这些方法与仪器适用于不同故障情况,各有优缺点。故障测距测量方法主要有阻抗发、脉冲法、闪络法等。

故障定点

电缆故障定点又叫精测,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。故障顶点主要有声测法、声磁同步接收法、音频信号感应法及跨步电压法等。
5. 电缆故障测距
长期以来,涌现出了许多测量方法与仪器,这些方法与仪器适用于不同故障情况,各有优缺点,这里就故障测距与定点仪器简单地做一下评价和比较。

阻抗法

阻抗法有传统的直流电桥、压降比较法及直流电阻法。

下直流电桥法是一种经典测试方法。电桥法优点是简单、方便、精确度高,但它的重要缺点是不适用于高阻与闪络性故障,因为故障电阻很高的情况下,电桥里电流很小,一般灵敏度的仪表,很难探测,实际上电缆故障大部分属于高阻与闪络性故障。在用电桥法测量故障距离之前,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进行测量的范围,而故障点烧穿是件十分困难的工作,往往要花费数小时,甚至几天的时间,十分不方便,有时会出现故障点烧断,故障电阻反而升高的现象,或是故障电阻烧得太低,呈永久短路,以至不能用放电声测法进行最后定点。电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原始技术资料,当一条电缆线路内是由导体材料或截面不同的电缆组成时,还要进行换算,电桥法还不能测量三相短路或断路故障。现在现场上电桥法用的越来越少了,不过一些测试人员,尤其是老的测试人员,仍然习惯于使用该方法。特别是对一些特殊的故障没有明显的低压脉冲反射,但又不容易用高压击穿,如故障电阻不是太高的话,使用电桥法往往可以解决问题。

工作原理:直流单桥又称惠斯登电桥,其原理接线如图所示,图中R1, R2, R3,和R4(Rx)为电桥的4个臂,其中R4(Rx)为被测电阻。在电桥的对角ab上接直流电源,在另一对角线cd上接检流计。

QF1—A型电缆探测仪(见下图)是目前应用较广、性能较好且又便于操作的电缆故障测试设备,可用于测量低阻接地故障、短路故障和高阻断线故障,并能测量电缆的电容及电阻值。由于其内部有一个电压为15V,300V和600V的直流电源,因而能对故障电阻较高(最高可达100kΩ)的故障进行测量。

低压脉冲(反射)法

低压脉冲反射法,又叫雷达法,低压脉冲反射法用于测量电缆的低阻、短路与断路故障。它通过观察故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差测距。低压脉冲反射法的优点是简单、直观、不需要知道电缆的准确长度等原始技术资料。根据脉冲反射波形还可以容易地识别电缆接头与分支点的位置。

低压脉冲反射法的缺点是不能适用于测量高阻与闪络性故障。

低压脉冲反射法工作原理:

当线路输入一个脉冲电波时,该脉冲便以速度V沿线路传输,当行Lx距离遇到故障点后被反射折回输入端,其往返时间为T,则可表示为:

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