电缆故障及定位论文

高压电缆故障分析及定位.引言电力电缆在电力系统中的应用越来越广，保障电缆线路的安全运行是对电力系统运行的基本要求。随着社会的高速发展，土地资源日趋紧张，电力线路逐渐由以往占地多的明线方式改为地埋方式。特别是最近几年，随着我国城乡及国防现代化建设的发展和科技的不断进步，使电力电缆的应用更加广泛，其数量成倍增长。电缆线路的安全运行与人们的生产、生活息息相关，电缆线路的故障隐患严重地威胁着人民生命财产的安全，电缆故障对社会造成的影响也越来越大。突发的断电事故不仅会给人们的正常生产和生活造成严重混乱，也会给电力公司造成巨大的损失。人们己经不能接受因电缆线路故障造成工矿生产事故，或银行系统、铁路运输系统、机场调度系统和生活供电的中断。另一方面，电缆线路的故障检测比架空输电线路故障检测任务要艰巨很多，因为电缆线路不像架空线路那样具有直接可观测性。如果电缆故障的检测结果与实际故障相差较大，那么也就失去了意义。所以，电缆故障检测要求精确度更高的方法。2.电缆基本信息与常见故障分析2.1电缆的分类电缆的分类主要以绝缘材料考虑，分为油浸纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆和橡胶绝缘电缆。具体分为表2-1:表2-1电缆分类电缆油浸纸绝缘电缆粘性浸渍纸绝缘型油浸纸干绝缘型不滴油浸渍纸绝缘型塑料绝缘电缆聚氯乙烯聚乙烯绝缘型聚氯乙烯聚乙烯交联聚乙烯绝缘型(简称交联电缆)橡胶绝缘电缆2.2电缆的型号电力电缆的型号组成和含义：图2-1电力电缆组成示意图表2-2电缆型号含义代号含义绝缘代号Z-油浸纸绝缘X-橡胶绝缘Y-聚氯乙烯绝缘YJ(J)-交联聚乙烯绝缘导体代号T-铜芯（一般省略）L-铝芯内护层代号H-橡胶护套Q-铅包L-铝包Y-聚氯乙烯或聚乙烯护套派生代号P-贫油式(干绝缘)D-不滴油F-分相铅包外护层代号22-内钢带铠装聚氯乙烯23-内钢带铠装聚乙烯护套2.3交联电缆的结构以110kV交联电缆为例，其单相结构图2-2所示：图2-2为交联聚乙烯电力电缆断面构造示图。图2-2电缆横截面示意图绝缘交联聚乙烯层线芯铝导线或半铜导线半导体胶层铜带屏蔽填料塑料内衬铠装层塑料外护层2.4交联电缆的型号及意义一般交联电缆的型号表示为：YJL(T)ZUO/U(kV)YJ：交联聚乙烯电缆（称交联电缆）L(T)：铝芯（或铜芯，铜芯材料一般4写）Z：护套名称UO：为电缆线芯对地或对金属屏蔽层间的额定电压（kV）U：表示电缆的额定线电压（kV）如：YJL22-64/110表示的意义为额定线电压110kV铝芯内钢带铠装聚氯乙烯护套交联聚乙烯电缆。2.5交联电缆的优点交联电缆电气性能和耐热性能强，传输容量大，结构轻便，易于弯曲；附件接头简单，安装、敷设方便，不受高度落差的限制；特别是没有漏油和引起火灾的危险，具有维护和环保清洁之优点，现在应用主要是110kV、220kV电压等级。电力电缆故障是指在供电过程中发生干扰、局部电流不均匀造成的。为确定电缆故障位置。必须了解电力电缆的各种参数分布，来推断和测试故障点。电力电缆可看成有许多多的电阻（R）、电导（G）、电容（C）和电感（L）等效元件相联接组成的，这些元件称为电缆的分布参数。一小段电缆的等效电路图如图2-3所示图2-3一小段电缆的等效电路理论上要求这些参数均匀的分布在整条电缆中，也就是说这些参数与电缆总长要成比例。这些参数不仅适用于两条线芯之间，而且也适用于线芯与屏蔽之间。当电缆发生故障时，初步确定电缆故障位置起决定作用的参数为特征阻抗和波速度V。电缆的特性阻抗z表示导线某一点上特性电压与特性电流之比，因此它不受位置和时间的限制，只与电缆结构、绝缘材料和导体材料有关。波速度V是指脉冲电压波从电缆一端传到另一端需要一定时间，是电缆长度与传播时间之比。如果在运行和测试状态下的这些电缆特性参数均无变化，即可认为这条电缆无故障，但只要电缆某个位置存在特胜阻抗发生变化，电缆的均匀性就会受到影响，电缆就称为有故障电缆。2.6电力电缆故障及分析由于电力电缆的绝缘材料、运行方式、工作电压等不同，导致了大量的各种各样电缆故障，按故障性质分主要有：接地故障、短路故障、断线故障、闪络故障和综合故障；按故障电阻值分为：低阻故障和高阻故障。传统上把电缆故障点的直流电阻小于电缆特性阻抗称为低阻故障，反之则称为高阻故障。2.6.1接地故障电缆－线芯或数线芯接地而发生的故障。当电缆绝缘由于各种原因被击穿后发生低阻接地故障或高阻接地故障，按脉冲反射仪测试波形划分，一般接地电阻在1KΩ以下为低阻故障，以上为高阻故障。2.6.2短路故障电缆线芯之间绝缘完全破损形成短路而发生的故障。一般线芯之间电阻RF小于lOΩ。2.6.3断线故障电缆一线芯或数线芯断开而发生的故障。通常是由于电缆线芯被短路电流烧断或外力破坏引起。2.6.4闪络故障电缆进行试验时绝缘间隙放电，造成绝缘击穿，此为击穿故障。在某种情况下，绝缘击穿后又恢复正常，即使提高试验电压也不再击穿，此为封闭性故障。此时电缆存在故障，但该故障点没有形成通道，这两种故障都属于闪络故障。该故障大多情况发生在电缆接头或终端内，主要表现为：当试验电压升到某一值时，电缆泄漏电流突然升高，并且测量表针呈规律性摆动，降低电压时现象消失，测量绝缘电阻值仍很高。2.6.5综合故障同时具有上述两种以上的故障称为综合故障。2.7电缆常规试验及标准介绍2.7.1绝缘电阻测试国网运行规程一般要求运行中电力电缆绝缘电阻值不得低于500兆欧。2.7.2交流耐压试验交流耐压试验的机理：交联电缆在交流电压作用下，取决于介质的介电常数，其介电常数为2.1-2.3，因此，不受湿度的影响，电场强度分布是稳定的，能模拟运行工况。而直流耐压电场分布取决于材料的体积电阻率，不能反映实际运行工况。交联电缆的弱点是绝缘内易发生水树枝，对于交流电压单纯的水树枝还能保持相当的耐压值，并能保持一段时间。直流耐压对于水树枝加速绝缘劣化，以至运行后在工频电压作用下被击穿。实践表明，交流电压下电缆绝缘最易发生击穿的地点而在直流电压下不能击穿。直流耐压存储积累单极性残余电荷，需要很长时间才能释放，很容易叠加到工频电压数值上，导致电缆绝缘击穿。因此，直流耐压不能代替交流耐压，交流耐压更加有效的发现交联电缆的缺陷。2.8交联电缆试验标准的介绍目前，交联电缆的交接、预试国标中交流耐压试验值还没有规定，一般只做直流耐压试验，只有IEC和部分地区标准中有所规定。IEC和华北电力集团公司颁发《电力设备交接和预防性试验规程》有关交联电缆交流耐压值标准介绍:IEC规定：交接耐压：√3UO(50Hz)5分钟或UO24小时。华北规定：交接：√3UO5分钟(50Hz)预试：1.36UO5分钟(50Hz)推荐标准：在国标没有规定之前，交联电缆交接、预试可按下列进行：交接：√3UO5分钟(50Hz)预试：1.36UO5分钟(50Hz)3.电缆故障的定位技术及路径仪信息3.1识别故障并确定故障性质将电缆脱离供电系统，首先用兆欧表测量每相对地绝缘电阻，如果绝缘电阻为零，再用万用表测量故障电阻，以判断是高阻故障还是低阻故障，然后测量相间绝缘电阻，判断是否存在相间短路，有准确的电缆故障性质判定结论后，便可选择合适的测试方法和仪器。3.2电缆故障预定位从电缆一端测试，给出测试端到故障点的距离，也就是地埋电缆从测试端到故障点的长度。3.3电缆故障精定位由于地埋电缆的长度在地面丈量会存在误差，再加上脉冲反射仪（TDR或雷达）的测距误差，所以需要对故障点进行精确定点。3.4电缆故障预定位方法从电缆故障类型可分为断线故障、低阻绝缘故障、高阻绝缘故障和闪络故障，不同故障所采用的测试方法和测试仪器也不同，必须分别对待。3.4.1低压脉冲法低压脉冲法可对断线故障、短路故障、低阻故障和电缆全长进行预定位，同时也可识别电缆的中间接头。其原理为：脉冲发射仪给电缆发射低压脉冲，该脉冲沿电缆传播直到特性阻抗不匹配点（如断线点、短路点、终端点等），在这些点上会引起脉冲波的反射，并返回到测试端，脉冲反射仪给出测试轨迹，见图3-1。图3-1低压脉冲法测试示意图故障距离L是由下面公式3-1计算：L=Vt/2(3-1)其中，V是波速度，如油浸纸绝缘电缆的波速度为160m/μs，交联聚乙烯绝缘电缆的波速度为172m/μts。t是发射脉冲从测试端到故障点，再由故障点返回到测试端的往返时间，由脉冲反射仪测出，单位为微秒（μs）。3.4.2高压弧反射法关于电缆的高阻故障、闪络故障，低压脉冲法就无能为力了，但可设法使故障电阻瞬时短路，就可以用脉冲反射仪测出故障波形。这一测试过程的设想就为高压弧反射法诞生奠定了基础，该方法可用于查寻高阻故障、闪络故障。主要设备有：直流高压单元、高压冲击单元、脉冲发生器、祸合单元、脉冲反射仪。直流高压给高压冲击单元中的电容器充电，然后由球隙放电，产生一个高压脉冲传输到故障电缆的线芯，高压脉冲在故障点击穿燃弧，高阻故障点瞬时产生闪络放电，故障点由于电弧接地而导通，呈现低阻状态，同时脉冲发生器由内部通信装置触发而产生低玉测量脉冲，此脉冲在故障点处由于电弧短路而被反射，从而测出故障轨迹波形。脉冲反射仪自动把f民玉波形和高压波形显示在屏幕上，故障点处会有明显的发散，见图3-2，兰色曲线为故障电缆的全长波形，红色曲线为高阻或闪络故障波形，故障点自动定位。图3-2高压弧反射法测试示意图3.5电力电缆故障精定点方法当给故障电缆线芯加上一个足够高的冲击电压和冲击能量时，故障点会击穿并发生闪络放电，在故障点就会产生相当大的“啪、啪”放电声，这种声音可传到地面，一般闪络放电间隔为6-15秒。3.5.1声测定点法当电缆故障预定位给出故障距离后，在故障电缆测试端给故障线芯加上冲击高压，使故障点闪络放电，同时用定点仪（含探头、接收机、耳机）在预定故障点附近的地面来听测故障点的放电声，听测出最响点，即为故障点的准确位置，见图3-3。图3-3声测定点示意图3.5.2声磁同步定点法当采用冲击放电时，在故障点除产生放电声外，还会产生高频电磁波向地面传播。在地面用声磁探头可同时接收声信号和磁信号，电磁波起辅助作用，用来确定所听到的声音是否是故障点的放电声，由于声波与电磁波的传播速度不同，在地面每一点可用声磁同步定点仪测出声信号和磁信号的时间差，时间差最小点即为故障点的准确位置，见图3-4图3-4声磁时间差测定点示意图3.5.3音频感应法当电缆故障点处于相间短路或相地短路（死接地）时（RF<10(Ω），用冲击放电器冲击，故障点不放电，也就是说故障点不产生放电声，所以不能用声测法精定故障点。此时应采用音频感应法来探测定位故障点。该方法需要相当的故障测试经验和对电缆各方面的情况（如接头位置、埋设深度等）有详细的了解，才能取得较好的效果。其测试原理是多芯电缆纽绞结构，当音频信号传输到电缆故障线芯时，在故障点前会产生有规则升降的电磁信号，到故障点电磁信号突然增大，过故障点电磁信号下降并保持均匀，见图3-5。图3-5音频感应法定位示意图3.6电缆路径仪的探测技术和性能分析电磁法是电缆路径探测和深度测量常用而又有效的方法，所用探测设备就是电缆路径仪，随着技术的进步，各种仪器的性能及适用范围也各不相同。以下将重点介绍该类仪器的技术特点及适用范围，以便供使用单位选择合适的仪器。3.6.1电磁法探测的原理由于敷设在地下的电缆与周围的土壤介质在导电性、导磁性、密度或其他理化性质上存在着差异，从而能被探测、识别和区分。目前应用于电缆探测的方法大致有电磁法、直流电法、地震波法、放射性跟踪法和地质雷达等。其中电磁法由于探测精度高、操作简便、抗干扰能力强、适用范围广、成本低，效率高等特点而成为电缆探测工作中最常用的方法。电磁法探测电缆，主要是利用电磁感应原理。当采用专用的发射机向待测电缆施加（直连或感应）一定频率的信号电流I后，该电流在待测电缆中流动并在其周围空间产生一个电磁场，其强度H可由下式确定H=K·（I/R），式中K为场强系数，I为电流强度，R为电缆周围任意一点距电流中心的距离，如图3-6所示，图中P为电缆周围任意一点，I为电流强度，R为P点距电流中心的距离，H为P点的电场强度，Hx为场强的水平分量，Hz为场强的垂直分量。用接收机在地面上测量该电磁场的强度及其分布便可确定被测电缆的位置和埋深，实现被测电缆的定位。图3-6电缆周围电磁场会布3.6.2信号连接方式电缆路径仪从发射机的连接方式来讲可分为直连法、夹钳祸合法、磁感应法。下面分别叙述：直连法是将发射机一端接地，另一端接到被测电缆上（此时要确保电缆不带电），这样由发射机发出的信号直接加到被查电缆上。它的特点是：信号强、定位、定深精度高，易分辩相邻电缆，见图3-7。图3-7直连方式示意图夹钳藕合法利用电缆路径仪配备的夹钳，夹套在电缆上，通过夹钳的感应线圈把信号直接加到电缆上，见图3-8。图3-8夹钳祸合方式示意图这种方法的特点是信号强，定位、定深精度高，尤其是运行中的电缆，不需停电便可测试。磁感应法是将发射机放置在电缆上方，利用发射机的发射线圈产生电磁场，从而在电缆中产生感应电流，该电流在电缆周围产生二次电磁场，接收妇L接收电缆周围产生的二次电磁场信号，从而可定位电缆。其特点是发射、接收均不需接地，操作灵活，方便、效率高、效果好。可用于搜索电缆，但在电缆密集或相邻电缆较近的场合，应慎用，见图3-9。图3-9磁感应方式示意图上述三种方法可以有效的定位已知电缆，然而对于未知来源和去向的电缆，就需要另一种方法一盲查，来定位电缆，如施工前对工地的勘察。盲查需要两个操作者，一人手提发射机，另一人操作接收机。两者相距约35英尺（12m），平行横向和纵向走过被测地区。当操作者一起横向走过被测地区，经过地下电缆时，接收机指示电缆存在，在搜索路线上标出各电缆的位置。见图3-10。在横向搜索完成后，搜索方向改变90度，搜索同一地区。两个方向搜查结束后，回到出发点，再用磁感应法（见图3-10）跟踪各标出的电缆。图3-10盲查示意图3.6.3电缆定位、定深的方法从接收机定位方法来讲分为两大类：极大值法、极小值法。在电缆周围空间任一点处，由电缆中流动的电流信号产生的电磁场的场强H是由该信号电流的电流强度I和该点距电流中心的距离R决定的。而该点的场强H在空间上可沿水平方向分解为水平分量Hx，可用水平线圈探测；而沿垂直方向可分解为垂直分量Hz，可用竖直线圈探测。在电缆上半空间电磁场的水平分量Hx和垂直分量Hz的分布特征如图3-11所示。极大值法是用水平线圈测量电磁场的水平分量，由于电缆形成二次电磁场的水平分量在电缆正上方时为最大，所以在电缆正上方投影位置上出现最大值，见图6。图3-11极大值法示意图极小值法是用竖直线圈测量电磁场的垂直分量，由于电缆正上方垂直分量为零，故在电缆正上方为极小值，见图3-12。图3-12极小值法示意图极大值法的特点是磁场幅度大且宽，易发现电缆极小值法定位精度高且受附近电缆影响较大，故而可先采用极大值法找到电缆大致位置，然后用极小值精确定位。电缆路径仪常用的两种测深方法：一种是直读法；一种是45o法。直读法是利用上下两个线圈测量电磁场的梯度从而确定电缆埋深。在接收机中设置测深按钮，用指针表头或数字显示器直接读出电缆的埋深，这种方法比较简单、方便、快捷，见图3-13。该测深方法在电磁场信号弱时误差较大。图3-13直读法测深示意图45o测深法是先精确定位电缆位置，然后用探测线圈与地面成45o角状态，再沿着电缆方向横向移动，寻找“极小值”点，该极小值点与定位点之间的距离11或I2，等于电缆的埋深T，见图3-14。该方法测深较为准确，而且可以减小由磁场变形引起的误差。此外，如果操作者想定位公用地沟中的某一导体，而发射机的信号可能感应到更浅或导电性好的导体。如果遇到此种情况，用深度按钮测量时，可能测得不合理的深度，而用45度法测量，可以进一步确定多个导体的存在，以及多个导体的深度。首先找到第一根导体的深度，然后继续离开导体，标出各导体的深度。然后向另一侧移动，见图3-15。图3-1445o测深法示意图图3-15公用地沟中多个导体深度测量示意图总之，选用何种测深方法，应根据使用的仪器和现场实际情况而定。不论采用那种方法，在测深点前后各4米范围内应是单一电缆，中间不应有分支或弯曲，且相邻电缆不要太近，否则影响测深精度。3.7电缆路径仪选型为了帮助使用单位以较低的投入获得最大的效益，在众多国外、国内电缆定位产品中选择适合本单位需要的仪器，在此，本文从技术性能方面提出以下几点选型原则，供大家参考。3.7.1平面定位方式定位电缆平面位置是电缆探测中最重要的一步，电缆定位精度取决于仪器所具备的定位方法，目前定位方法有极大值法（用水平线圈探测）、极小值法（用垂直线圈探测）及最佳极大值洲水平线圈与垂直线圈同时探测）。换句话说，电缆定位仪的定位方法越多，定位精度越高，抗干扰越强。3.7.2工作频率工作频率选择的合适与否直接影响着探测效果的好坏。比如：选择了较高的工作频率，对有接头的电缆有较好的挥侧农果，但是信号衰减快，抗干扰性差．篇感应到相邻电缆上，难以区分相邻电缆二相反，较低的频率信号衰减慢，探测距离大，抗干扰性强，易区分相邻电缆，但对有接头的电缆探测效果较差。因此，要求电缆路径仪应具有2一3档频率，这样就克服了以往仪器灵敏度差、抗干扰性差等弱点，提高了分辨能力。3.7.3探测深度和距离探测深度主要取决于发射机的输出功率，就磁感应法而言，发射机放置于地面给电缆施加电磁场，如果发射机输出功率小就很难给电缆祸合信号，以至在地面无法探测到电缆周围的电磁场信号。目前电缆路径仪的输出功率为：<1W-2W-3W-5W-l0W->l0W等。电缆的探测距离与发射机的输出功率成正比。3.7.4测深精度目前，许多电缆路径仪采用直读法、45o法探测电缆埋深，直读法操作简单，显示直观，只有在电磁场信号较或时，才具有较高的测深精度。45o法测深较稳定，且能避免磁场变形引起的干扰3.7.5区分平行电缆当探测单一电缆时，一般电缆路径仪均具有较好的探测精度。但当平行电缆同时存在时，就很难区分哪一条是要找的电缆，解决这一问题的方法就是探测电缆的电流信号大小。目标电缆中电流值大，而相邻电缆电流值小；这样就解决了平行电缆的区分问题，见图3-16。图3-16区分相邻导体示意图4.电缆故障举例及分析2008年7月，安徽省合肥金源热电厂就发生了三起电缆故障：1号输备变电缆C相，2号输煤变电缆A相，2号防冻变电缆A相，在进行直流耐压时击穿。特便是1号输备变电缆比较长，利用一般的方法进行故障点查寻时，所得结果误差较大，但利用高压弧反射法进行电缆故障的粗测。而后，利用音频法进行电缆故障的精确定点，仅仅用了五个小时就找出了故障点。其探测过程如下，1号输备变电缆电缆C相在进行直流耐压试验过程中击穿以后就马上进行了绝缘电阻的测试，测得该故障相绝缘电阻为2MΩ，属于高阻接地型故障。由于2号输煤变有缺陷，而1号输备变如果不在短期内投入运行，将严重影响热电厂输煤系统的安全稳定运行，近而影响热电厂双机稳定运行。因为上述电缆故障的探寻方法还处于理论阶段，没有进行过实际的应用，为了更稳妥、更可靠的找出电缆故障点，我们还是利用了以前进行电缆故障探测所用的电阻电桥法进行测试。但用电阻电桥法进行探测的一个前提条件就是电缆故障必须是低阻接地型故障。所以，我们对故障点采用了“烧穿”法，使高阻接地故障变为低阻接地故障。但由于现在的电缆绝缘物一般为多种组分混合以后的聚合物，“烧穿”后，其绝缘物一小部分会炭化，大部分会熔化为糊状液体，过不了多长时间，熔化了的绝缘物会固化，其绝缘又会恢复性升高。导致探测工作进度缓慢。最后决定使用已有理论基础且具备探测条件的上面所述的探测法进行1号输备变电缆电缆A相故障点的定位工作。利用高压孤反射法进行电缆的粗测，故障点为距离配电室124米处。实际故障点为距离配电室124.3米处。经分析及现场勘测后认为，原因为电缆受潮，绝缘进水所至。随后又利用该方法在短时间内成功的进行了2号输煤变电缆A相，2号防冻变电缆A相故障点的定位工作。2010年8月安徽省合肥金源热电厂电所1号变电缆A相在作交流耐压试验时，当电压升至7.5KV时发生击穿。利用上述电缆接地故障探测方法进行了故障点的定位工作，仅仅用了两个小时就在距配电室36米处找到了故障点的准确位置。同期，我们还利用上面所介绍的电缆断线故障测试方法成功地为热电厂排除了一起电缆断线故障。其具体过程如下：2010年12月，热电厂由于电缆故障使其皮带电机停运，生产活动被迫中断。要求我们为其查找电缆故障点。当我们到达以后，马上进行了电缆故障性质的确定工作。通过进行电缆的绝缘测试和综合评估后，认为此次电缆故障为一起控制电缆的断线故障。于是马上利用上面所介绍的电缆断线故障测试方法进行了电缆故障点的定位工作。测试数据显示，此电缆故障的故障点位于距测试侧电缆头32米处。实地检查后发现此电缆故障点位于距测试侧电缆头31.96米