電力電纜的工作原理
電力電纜供電安全、可靠，有利于美化城市和廠房布局等優(yōu)點，獲得越來越廣泛的應(yīng)用，由于電力電纜多埋于地下，個別運(yùn)行單位的運(yùn)行資料不完善以及測試設(shè)備的局限性等原因，使電纜故障的查找非常困難，如何合理選擇故障測試設(shè)備，準(zhǔn)確、快速查找電纜故障，縮短故障停電時間，成為電纜運(yùn)檢人員關(guān)注的問題。一般電纜故障檢測步驟：用兆歐表，萬用表測量時間、相對地的絕緣電阻、判斷故障性質(zhì)；根據(jù)故障類型、性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)墓收蠝y距檢測方法，對故障點進(jìn)行預(yù)定位；根據(jù)粗測結(jié)果，利用故障定點方法沿電纜線進(jìn)行定位；發(fā)現(xiàn)故障點后，挖開進(jìn)行處理。
一、電力電纜電纜故障原因和故障性質(zhì)分類
1、電纜故障原因
（1）機(jī)械損傷。機(jī)械損傷引起的電纜
故障占電纜事故很大的比例。造成機(jī)械損傷的主要原因有安裝時損傷、直接受外力損傷、行駛車輛碾壓損傷、土地沉降造成的電纜接頭和導(dǎo)體損傷。
（2）絕緣受潮。絕緣受潮后會引起故障，造成電纜受潮的主要原因是密封不嚴(yán)進(jìn)水、電纜制造不良、金屬護(hù)套受外力或腐蝕破損。
（3）絕緣老化變質(zhì)。受運(yùn)行中的電、熱、化學(xué)、環(huán)境等因素的影響，電纜的絕緣都會發(fā)生不同程度的老化。
（4）過電壓。大氣與內(nèi)部過電壓作用，使電纜絕緣層擊穿，形成故障。
（5）材料缺陷。電纜制造問題，電纜附件制造上的缺陷，對絕緣材料的維護(hù)管理不善。
2、電纜故障性質(zhì)分類（見表1）
尋測電纜故障點，首先要判明故障的性質(zhì)，以采取相應(yīng)的探測方法。電纜故障性質(zhì)分類見表1：
故障性質(zhì)絕緣電阻故障擊穿情況
開路∞在直流或高壓脈沖下?lián)舸?/span>
低阻<10Zo絕緣電阻不是太低時，可用高壓脈沖擊穿
高阻>10Zo高壓脈沖擊穿
閃絡(luò)∞直流或高壓脈沖下?lián)舸?/span>
注：表中Zo為電纜的波阻抗值，電力電纜波阻抗值一般為10~40Ω之間。
電纜故障大致分為：
（1）因相間或相對外皮間的絕緣介質(zhì)損傷，形成短路、接地或閃絡(luò)擊穿，表現(xiàn)為低阻、泄漏性高阻和閃絡(luò)性高阻三種情況；
（2）電纜芯線的連接性受到破壞，形成斷線和不*斷線的開路故障；
（3）兼有以上類型的混合型故障。本步驟有時易被疏忽，這將導(dǎo)致判斷故障性質(zhì)不全面。
二、電力電纜電纜故障的測試程序
電纜故障測試儀查找埋地電力電纜故障一般要經(jīng)過以下步驟：
（1）分析電纜故障性質(zhì)，了解故障電纜的類型不同的性質(zhì)的電纜故障要用不同的方法測試，不同介質(zhì)的電纜有不同的測試速度，不同耐壓等級的電纜則有不同的耐壓要求。而被測試電纜的接頭位置及zui近是否在電纜上方施過工，這些在測試前都必須做到心中有數(shù)。
（2）選擇合適的測試方法，用電纜故障測試儀進(jìn)行電纜故障粗測對不同電纜故障要用不同的方法，低阻故障（開路、短路等）要用低壓脈沖法測試；而高阻故障（泄漏、閃絡(luò)等）則要用閃絡(luò)法測試。選定方法后測出電纜故障的大致位置，選擇合適的測試方法，對電纜進(jìn)行故障距離粗測。
（3）用路徑儀探測埋地電纜的走向
定點前首先必須知道電纜的路徑，了解電纜走向圖紙。
（4）用定點儀對故障點定位
接好高壓放電設(shè)備，根據(jù)電纜的性質(zhì)及電纜的耐壓等級來決定升壓程度。對電纜故障點進(jìn)行精測。如果故障點在距測試端很近時，特別是在電纜的測試端頭時，采用儀器進(jìn)行定位時，因球隙放電聲音比故障點放電聲音還大，很難區(qū)分真假聲音，在這種情況下課將高壓設(shè)備移至另一端放電定位。
（5）對電纜故障測試結(jié)果進(jìn)行誤差分析，做好測試完的記錄；此步工作對以后的電纜維護(hù)及管理師非常重要和必須的。
三、常用的電纜故障測距檢測方法
1、低壓脈沖反射法
低壓脈沖法的測試范圍為電纜等餓開路、相對地或相間低阻故障，也可測量電纜全長（相當(dāng)于開路）及顯示電纜中間接頭位置。測試原理是：將電纜視為一均勻傳輸線，電磁波在電纜中傳播遇到波阻抗變化點（如分支、接頭、故障點或中斷）會發(fā)生反射波。根據(jù)電磁波在電纜張的傳播速度，可測出故障點到測試端的距離。聚氯乙烯塑料電力電纜v=184m/μs，交聯(lián)電力電纜v=172/μs，油浸紙電力電纜v=160/μs。傳播速度v也可用儀器直接測量（前提條件電纜條件電纜長度一度要準(zhǔn)確）。
1）低壓脈沖測量法應(yīng)用范圍
用低壓脈沖法可以直觀地看到低阻、短路故障及短路故障。據(jù)統(tǒng)計這類故障約占電纜故障的10%。低壓脈沖法還可以測量電纜的長度，電磁波在電纜中傳播速度，還可以區(qū)分電纜的中間接頭，終端頭。對于判斷結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電纜線路往往具有相當(dāng)重要的參考價值。
2）電力電纜工作原理
測試時，按照（1）接線方式：在電纜故障相上加上低壓脈沖，改脈沖沿電纜傳播直到阻抗失配的地方，如中間接頭、短路點、斷路點和終端頭等等，在這些點上都會引起電波的反射，反射脈沖回到電纜測試端時被故障測試儀接收，可以適時顯示這一變化過程。
根據(jù)電纜的測試波形可以判斷故障的性質(zhì)，當(dāng)發(fā)生脈沖與反射脈沖同相時，表示是斷路故障或終端頭開路。當(dāng)發(fā)射脈沖與反射脈沖反相時，則是短路接地或低阻故障。凡是電纜故障點絕緣電阻下降到該電纜的特性阻抗，甚至電流電阻為零的故障均稱為低阻故障或短路故障。（注：這個概念是從采用低壓脈沖反射法的角度，考慮到阻抗不同對反射脈沖的極性變化的影響而定義的）。
3）對低壓脈沖波形的理解
（1）中間接頭波形；在完好的電纜相上接入低壓脈沖；由于在接頭部分存在阻抗不匹配點，會出現(xiàn)一個小的反射波形；其幅值與接頭的阻抗性質(zhì)有關(guān)，一般幅值很小。如圖（2）所示。圖2中間接頭波形
（2）斷路故障波形；脈沖在斷路點產(chǎn)生全反射，反射脈沖與發(fā)送脈沖同極性。圖3給出了斷路故障反射波形；波形上*個故障點反射脈沖之后，還有若干相距故障距離的反射脈沖，這是由于脈沖在測量端與故障點之間多次反射的結(jié)果；由于脈沖在電纜中傳輸存在損耗脈沖幅值逐漸減小，并且波頭上升變得愈來愈緩慢，實際上有用是*個反射脈沖，不要把后續(xù)反射脈沖誤認(rèn)為其它故障點的反射脈沖。圖3斷路故障脈沖反射波形
（3）短路故障波形；脈沖在短路點產(chǎn)生全反射，反射脈沖與發(fā)送脈沖極性相反；圖4給出了短路故障反射波形。波形上*個故障點反射脈沖之后的脈沖極性出現(xiàn)一正一負(fù)的交替變化，這是由于在故障點反射系數(shù)為-1而在測量端反射為正的緣故。
2．直流高壓閃絡(luò)測量法
對于高阻故障，由于故障點電阻較大，用低壓脈沖法測量時，故障點反射脈沖很小或不存在反射波，因而無法采用低壓脈沖法探測高阻故障。常用直流高壓閃絡(luò)法，它分為直閃法和沖閃法，是一種無需燒穿故障點的方法，可大大縮短測量時間，從而得到了廣泛使用。測量時，在電纜故障相上加一直流高壓或沖擊高壓，使故障點閃絡(luò)放電。故障點瞬間被電弧短路產(chǎn)生一躍變電壓波在測試端到故障點間來回反射，用故障測試儀測出兩次反射波的時間，其基本原理與低壓脈沖法一樣。
兩種測試方法的不同之處是：（1）直閃法是高壓變壓器輸出的交流電壓經(jīng)硅堆整流后直接加于電纜故障相，由于受到高壓電源輸出功率的限制，僅用于測試閃絡(luò)性高阻故障；（2）沖閃法首先由直流高壓給儲能電容器充電，當(dāng)電容器上的電壓達(dá)到一定幅值時，球隙被擊穿放電，負(fù)高壓加于電纜故障相上，用于測量泄漏性高阻和閃絡(luò)性高阻故障。沖閃法波形為一衰減的余弦震蕩波，其測量接線如圖5所示。
注：QS為低壓電源隔離開關(guān)；T1為調(diào)壓器（容量3KVA，調(diào)壓范圍0~250V）；T2為升壓變壓器（容量3KVA,變比1/500）；VD為硅堆；R為保護(hù)電阻；C為電容器（容量4μF）；J為球形放電間隙。
1）沖閃法的應(yīng)用范圍
在故障點電阻不很高時，因直流泄漏電流較大，電壓幾乎全降到了高壓試驗設(shè)備的內(nèi)阻上了，電纜上電壓很小故障點形不成閃絡(luò)，必須使用沖擊高壓閃絡(luò)測試法，沖閃法亦適用于測試大部分閃絡(luò)性故障。
2）沖閃波形的理解
（1）故障點不擊穿的脈沖電流波形
電容器電壓達(dá)到一定值時球間隙間擊穿放電，但由于故障點絕緣電阻過大未能使故障點擊穿放電，這是球間隙放電后即被子電弧短路，儲能電容相當(dāng)于直流電源，對高頻行波信號呈短路狀態(tài)電流波反射系數(shù)為-1，當(dāng)球間隙擊穿在電纜上產(chǎn)生一個向前運(yùn)動的電流波，在電纜的遠(yuǎn)端產(chǎn)生一個負(fù)的反射波，返回測量端，遠(yuǎn)端反射波在測量端產(chǎn)生正的反射運(yùn)動到遠(yuǎn)端后對被倒相反射回來，電流波將如此來回反射直到能量全部消耗掉。其波形如圖6可見故障點未擊穿時脈沖電流波形是交替變化極性的脈沖，相鄰脈沖之間的距離對應(yīng)電纜長度。
（2）直接擊穿的脈沖電流波形；
在高壓設(shè)備通過球間隙加到電纜上的高信號幅值大于故障點的臨界擊穿電壓時，電壓波穿過故障點電離擊穿放電這種情況叫高壓脈沖直接擊穿。如圖7給出直接擊穿波形，脈沖電流波形的*個脈沖式球間隙擊穿時電容對電纜放電引起的第二個脈沖則是故障點傳來的故障點放電脈以及測量點反射脈沖迭加的結(jié)果，以后的脈沖則是電流波形在故障點與測量點之間來回反射造成的，第二個脈沖與第三個脈沖之間對應(yīng)測量點與故障點之間的距離，不要把*個脈沖與第二個脈沖之間的時間誤認(rèn)脈沖在測量點與故障點往返一次的時間，因為它比測量點與故障點往返時間多一個放電延時時間，而這個放電延時時間是不確定的它與施加到故障點上的電壓，故障點破壞程度電纜絕緣材料等因素有關(guān)。
（3遠(yuǎn)端反射電壓擊穿的脈沖電流波形
在球間隙擊穿施加到電纜上的電壓小于故障點臨界擊穿電壓時，電壓波穿過故障點運(yùn)動到電纜的開路遠(yuǎn)端，由于電壓反射系數(shù)為+1產(chǎn)生極性相同的電壓波向測量端回送，反射電壓波所到之處出現(xiàn)電壓幅值加倍如超過故障點臨界擊穿電壓，在遠(yuǎn)端反射電壓波穿過故障點后，故障點電離一定時間延時后擊穿，這種情況稱為遠(yuǎn)端反射電壓擊穿；圖（8）給出了一個遠(yuǎn)端反射電壓擊穿的脈沖電流波形；從波形上分析可看出*個正脈沖與第二個正脈沖對應(yīng)脈沖在電纜遠(yuǎn)端與測試端往返一次的時間而第二個正脈沖與第三個正脈沖對應(yīng)故障點電離后脈沖在故障點與測試端往返一次的時間。
四、電力電纜常用的電纜故障定點方法
1、聲測定點法
聲測定點法師電纜故障的主要定點方法，主要用于測量高阻與閃絡(luò)性故障，測量時使用高壓設(shè)備使故障點擊穿放電，故障間隙放電時產(chǎn)生的機(jī)械振動，傳到地面，便聽到“啪、啪”的聲音，利用這種現(xiàn)象可以十分準(zhǔn)確地對電纜故障進(jìn)行定點，缺點是受外界干擾較大。
2、聲磁法
在向電纜加沖擊高壓信號使故障點放電時，會在電纜的外皮與大地形成的回路中感應(yīng)出環(huán)流來，這一環(huán)流在電纜周圍產(chǎn)生脈沖磁場，在聽到聲音信號的同時，接受到脈沖磁場信號，即可判斷該聲音是由故障點放電產(chǎn)生的，故障點就在附近。
3、音頻感應(yīng)法
音頻感應(yīng)法一般用于探測故障電阻小于10Ω的低阻故障，探測時，用1kHz的音頻信號發(fā)生器向待測電纜通音頻電流。發(fā)出電磁波；然后在地面上用探頭沿被測電纜路徑接收電磁場信號，并將之送人放大器進(jìn)行放大，將放大后的信號送人耳機(jī)或指示儀表。根據(jù)耳機(jī)中聲響的強(qiáng)弱或指示儀表的指示值大小而定出故障點的位置，當(dāng)探頭從故障點前移1~2m時，音頻信號中斷，則音頻信號zui強(qiáng)處為故障點。
五、電力電纜電纜故障檢測應(yīng)注意的問題
1、高阻抗、低阻抗并沒有區(qū)分，實際操作中可以多嘗試幾種方法進(jìn)行比較，綜合判斷。35KV電纜情況比較復(fù)雜，H接頭，中間頭比較多，接頭故障波形不易分辨，如判斷是接頭故障，則應(yīng)采取使故障點充分放電的措施，以獲得正確的測距效果。
2、若從電纜一端測試放電不充分，或采集不到波形，可以從另一端升壓測試。無論使用哪種方法測試波形，若故障點距離測試端太近，均會產(chǎn)生盲區(qū)，使得波形難以判斷識別，此時可嘗試到電纜的另一端進(jìn)行測試。
3、在定點時，設(shè)備應(yīng)在距故障點近的一端，這樣能量沿電纜衰減較小，便于聲磁同步法的定點，快速查出故障點。使用聲磁同步法時，要在粗測點的5%范圍內(nèi)反復(fù)進(jìn)行查找，偵聽耳機(jī)中聲音，要仔細(xì)分辨故障點處聲音與金屬屏蔽層上傳輸聲音的差別。
4、定點儀可以探測到的距離放電聲音大小、泥土的濕度和松散情況有關(guān)。放電聲越大，泥土越干燥、越結(jié)實，可以探測到的距離越遠(yuǎn)。施工時的原始資料保存完好,電纜路徑明確，所有接頭處在現(xiàn)場都有標(biāo)志樁，可縮短查找電纜故障的時間，同時在做試驗時提前準(zhǔn)備好柴油或汽油發(fā)電機(jī)作為試驗儀器的電源。
六、結(jié)束語
在電力電纜故障檢測中，應(yīng)認(rèn)真、冷靜的分析故障的類型和性質(zhì)，正確應(yīng)用查找方法和儀器，多積累故障查找經(jīng)驗。目前，電力電纜故障檢測的方法中還存在著一些局限性，國內(nèi)外的電力電纜故障診斷儀器和技術(shù)還有一定的差距，隨著科技的進(jìn)步，電力電纜故障診斷技術(shù)正在不斷提高。
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