基于低壓脈沖法和脈沖電流法的電纜故障測距分析

蘇燕民

(福建棉花灘水電開發(fā)有限公司，福建龍巖364000)

0 引言

電纜供電以其安全、可靠、有利于美化城市與工礦布局等優(yōu)點，獲得了廣泛的應(yīng)用，但隨著其使用量日益增多，電纜故障也在不斷增加，如何快速準(zhǔn)確地找出電纜故障點，測出故障點距離及定位，這就要求測試人員首先要選好和用好測試儀，并能正確識別波形。目前國內(nèi)外廣泛使用低壓脈沖法和脈沖電流法檢測波形，本文基于這兩種方法對電纜各種故障測距進行分析，給出電纜故障探測步驟，結(jié)合實例對波形識別總結(jié)，以期達到節(jié)省人力物力、提高電纜故障尋測效率及縮短處理電纜事故時間的效果。

1 電纜故障的原因

電纜故障的原因大致可歸納為:機械損傷、絕緣受潮、絕緣老化變質(zhì)、過電壓引起的絕緣損壞、材料缺陷、護層的腐蝕、電纜過熱、電纜的絕緣物流失以及中間接頭和終端頭的設(shè)計和制作工藝問題等。總的來說，由于制造缺陷而造成的電纜故障是不多的，而機械損傷引起的電纜故障占電纜事故很大的比例，除此以外，故障常見的部位還多數(shù)發(fā)生于終端頭、中間接頭部分，因為施工質(zhì)量不良、工藝差，用料不當(dāng)，安裝中殘留缺陷如潮氣未去除干凈等，運行后缺陷逐漸發(fā)展造成故障。

2 電纜故障性質(zhì)分類

由電纜絕緣損壞而引起的故障的類型大體上分為四大類:低電阻(或短路)故障、開路故障、閃絡(luò)性故障及高電阻故障。

(1)低電阻(或短路)故障。電纜的一芯或數(shù)芯對地絕緣電阻或者芯與芯之間絕緣電阻低于200 Ω(注意:這里所說的低電阻值與用電橋法測試時所指的低電阻不一樣，電橋法認為小于100 kΩ的故障為低電阻故障，因為傳統(tǒng)的電橋法可以測量這類故障)，一般常見的有單相接地、兩相短路或接地及三相短路或接地等。

(2)開路故障。電纜有一芯或數(shù)芯導(dǎo)體不連續(xù)，有時還伴有經(jīng)電阻接地的現(xiàn)象。

(3)閃絡(luò)性故障。電纜的一芯或數(shù)芯對地絕緣電阻或者芯與芯之間絕緣電阻比較高，但當(dāng)對電纜進行直流(或交流)耐壓到某一值時，出現(xiàn)突然擊穿現(xiàn)象。這類故障大多在進行預(yù)防性耐壓試驗時發(fā)生，故障現(xiàn)象不穩(wěn)定。

(4)高電阻故障。電纜的一芯或數(shù)芯對地絕緣電阻或者芯與芯之間絕緣電阻低于正常值但高于200 Ω，這種情況由于電阻不是很高，電壓加不上。

3 電纜故障探測的步驟

電纜故障的探測一般要經(jīng)過診斷、測距、定點三個步驟。

3.1 電纜故障性質(zhì)的診斷

電纜故障性質(zhì)的診斷，即確定故障的類型與嚴重程度，以便于測試人員對癥下藥，選擇適當(dāng)?shù)碾娎|故障測距與定點方法。

可以根據(jù)故障發(fā)生時出現(xiàn)的現(xiàn)象初步判斷故障的性質(zhì)。用兆歐表在電纜的一端測量各相對地及各相之間的絕緣電阻，如果測得的絕緣電阻較高時，應(yīng)作導(dǎo)體的連續(xù)性試驗，即在電纜的一端將三相導(dǎo)體短路并接地，在另一端重復(fù)測量，以確定導(dǎo)體是否燒斷;而如果兆歐表測得的絕緣電阻指示為零時，還要用萬用表測量故障電阻的精確值，以確定故障是否屬于低阻;另外，可通過直流(或交流)耐壓試驗確定高電阻與閃絡(luò)性故障，弄清故障點的擊穿電壓。

3.2 電纜故障測距

電纜故障測距，又叫粗測，即在電纜的一端使用儀器確定故障距離。目前普遍采用行波測距法，即低電阻(或短路)故障與開路故障采用低壓脈沖法，它比電橋法簡單直接;閃絡(luò)性故障與高電阻故障用脈沖電流法，兩者均通過脈沖信號在故障點與測量點之間往返一次的時間測距，但前者是主動向電纜發(fā)射探測電壓脈沖，后者是被動記錄故障擊穿產(chǎn)生的瞬間脈沖電流信號，信號的記錄與處理顯示可由同一電路完成，故可使儀器同時實現(xiàn)兩個功能。

3.3 電纜故障定點

電纜故障定點，又叫精測，即按照故障測距結(jié)果，根據(jù)電纜的路徑走向，找出故障點的大體方位來，在一個很小的范圍內(nèi)，利用聲磁同步測試法或音頻感應(yīng)測試法確定故障點的準(zhǔn)確位置。

一般來說，成功的電纜故障探測都要經(jīng)過以上三個步驟，而其中最關(guān)鍵的是故障測距，因為只有測出故障距離，確定一個大體方位來，再在一個很小的范圍內(nèi)(10 m左右)來回移動定點儀器探測電纜故障點聲磁或音頻信號精確定點就容易多了。

4 低壓脈沖法測距波形的分析

低壓脈沖反射法，又叫雷達法。主要是用于電纜的低阻(或短路)故障及開路故障的測距。這種方法比較簡單直觀，通過觀察故障點反射脈沖與發(fā)射脈沖的時間差進行測距。不同的故障性質(zhì)具有不同的反射波，如果發(fā)射脈沖是正極性的，回波脈沖也是正極性的，表示是開路故障;如果回波脈沖是負極性的，則是低阻(或短路)故障。對于低壓脈沖法測距波形的分析如圖1所示:

(1)良好電纜反射波形分析。t1時刻是測距儀發(fā)射脈沖，t2時刻為終端反射脈沖(即電纜全長反射)，t3時刻為終端二次反射脈沖(即電纜全長二次反射)，t1～t2或t2～t3所顯示的距離為電纜全長。

(2)低阻(或短路)故障波形分析。t1時刻是發(fā)射脈沖，t2時刻為低阻(或短路)故障反射脈沖，t3時刻為終端反射，t4時刻為低阻(或短路)故障點二次反射。故障點距離為t1～t2或者t2～t4所顯示的距離。

(3)開路故障波形分析。t1時刻是發(fā)射脈沖，t2時刻為開路故障的反射脈沖，t3時刻為開路故障點二次反射。開路故障距離為t1～t2或者t2～t3所顯示的距離。

對于低壓脈沖法測距波形的分析，要把握住“極性、幅度、時間”三個要點。

圖1 低壓脈沖法測距波形分析

5 脈沖電流法測距波形的分析

電纜的高阻與閃絡(luò)性故障由于故障點電阻較大(大于10倍的電纜波阻抗)，低壓脈沖在故障點沒有明顯的反射(反射脈沖幅度小于5%)，故不能用低壓脈沖法測距。脈沖電流法是將電纜故障點用高電壓擊穿，使用儀器采集并記錄下故障點擊穿產(chǎn)生的電流行波信號，通過分析判斷電流行波信號在測量端與故障點往返一趟的時間來計算故障距離。脈沖電流法采用線性電流耦合器采集電纜中的電流行波信號。脈沖電流法分直流高壓閃絡(luò)與沖擊高壓閃絡(luò)兩種測試方法，下面分別介紹。

5.1 直流高壓閃絡(luò)測試法(直閃法)波形分析

直流高壓閃絡(luò)測試法(簡稱直閃法)用于測量閃絡(luò)性故障，即故障點電阻極高，在用高壓試驗設(shè)備把電壓升到一定值時就產(chǎn)生閃絡(luò)擊穿的故障，一般在預(yù)防性試驗中出現(xiàn)的電纜故障多屬于該類故障。直閃法測試接線如圖2所示。

圖2 直閃法測試接線圖

直閃法典型波形如圖3所示，圖中第一個脈沖是由故障點傳來的放電脈沖，而第二脈沖是從故障點返回的反射脈沖。

圖3 直閃法典型波形

5.2 沖擊高壓閃絡(luò)測試法(沖閃法)波形分析

在故障點電阻不是很高時(＞200 Ω的高阻故障)，因泄漏電流較大，電壓幾乎全降到了高壓試驗設(shè)備的內(nèi)阻上，電纜上電壓很小，故障點形不成閃絡(luò)，故不能用直閃法，須使用沖擊高壓閃絡(luò)測試法(簡稱沖閃法)。當(dāng)然，沖閃法除適用于高阻故障外，也適用于測試大部分閃絡(luò)性故障。沖閃法測試接線(見圖4)，與直閃法測試接線圖比較，不同之處只是在高壓試驗設(shè)備與電纜導(dǎo)體之間串入一球形間隙G。

圖4 沖閃法測試接線圖

沖閃法典型波形如圖5所示，圖中第一個電流脈沖是電容對電纜的放電造成的，第二個脈沖是由故障點傳來的放電脈沖，放電脈沖在整個波形上幅值最大，且變化十分尖銳，在故障點擊穿后，放電脈沖到達測量點后產(chǎn)生反射折回故障點，在故障點又被反射回到測量點，這一過程不斷進行。故障點放電脈沖與相應(yīng)的故障點反射脈沖之間的時間差即故障點距離。

圖5 沖閃法典型波形

6 實例分析

6.1 實例1

(1)地點:廈門正新海燕廠正東變10 kV 921柜至廈門正新實業(yè)(內(nèi)胎廠)開閉所902柜電纜。

(2)電纜概況:型號YJV22 3×300 mm28.7/10 kV，電纜總長約mm，有兩個中間接頭。

(3)故障性質(zhì):單相低阻接地故障(C相)，用萬用表測量C相對地電阻為1 Ω。

(4)使用儀器:山東淄博科匯電氣有限公司T-903A電力電纜故障測距儀。

(5)故障測距:因為是交聯(lián)聚乙烯電纜，波速度選取172 m/μs，用低壓脈沖法測量完好線芯得出電纜長度為1077 m。首先在海燕廠內(nèi)電纜終端頭用低壓脈沖法分別測出B相(完好相)與C相(故障相)波形，兩波形比較后測出故障點在距離海燕廠終端頭527 m處(即離內(nèi)胎廠終端頭550 m處)，波形如圖6所示。

然后，在內(nèi)胎廠內(nèi)電纜終端頭同樣用低壓脈沖法分別測出B相與C相波形，比較后測出故障點在距離內(nèi)胎廠終端頭550 m處(即離海燕廠終端頭527 m處)，與前面在海燕廠測出的故障點數(shù)據(jù)完全吻合，故認定該點為故障點。

圖6 完好相與故障相低壓脈沖波形比較

(6)故障定點:用皮尺從內(nèi)胎廠開閉所電纜終端頭開始測量，一直量到550 m處(即內(nèi)胎廠圍墻外20 m處)，發(fā)現(xiàn)該處幾天前進行過打樁施工，故立即進行開挖后發(fā)現(xiàn)一根長4 m多的水泥樁正好打在該電纜上。

6.2 實例2

(1)地點:廈門嵩嶼電廠#2機主廠房6 kV 2 A段#6B柜(711)至燃料配電室6 kV運煤除灰B段電纜。

(2)電纜概況:型號ZRC-YJV 3×150 mm26/6 kV，電纜總長約592 m，通過橋架→豎井→電纜溝敷設(shè)，沒有直埋部分。

(3)故障性質(zhì):單相高阻接地故障，即B相對地用搖表測絕緣電阻0 MΩ(其他兩相對地絕緣電阻均在10000 MΩ以上)，用萬用表進一步測量B相對地電阻為50 kΩ。

(4)使用儀器:山東淄博科匯電氣有限公司T-903A電力電纜故障測距儀，T-302電纜測試高壓發(fā)生器，T-504電纜故障定點儀。

(5)故障測距:設(shè)波速度為172 m/μs，用低壓脈沖法測量一完好線芯得出電纜長度為592 m左右。因為故障性質(zhì)為單相高阻接地故障，用脈沖電流法之沖閃法進行故障測距。沖擊電壓15 kV，使用2 μf電容器。波形如圖7所示，得出故障點在距離燃料配電室電纜終端頭303 m處。

(6)故障定點:用皮尺從燃料配電室電纜終端頭開始測量到303 m處(該處為草地覆蓋，下有電纜溝)，用電纜故障定點儀采用聲磁同步測試法對故障點進行定點，未聽到放電聲，故繼續(xù)沿電纜敷設(shè)方向探測，最后在332 m處附近聽到明顯放電聲及看到相對應(yīng)的故障點聲磁波形，挖開草地掀起電纜蓋板后，發(fā)現(xiàn)電纜該處有一長1 cm左右裂口對電纜支架放電。

圖7 沖閃波形1

為什么故障測距儀測出距離(303 m)與實際故障點距離(330 m)誤差達27 m呢?重新用沖閃法對電纜進行故障測距錄波查找原因，最后得出真正故障點為332 m處的拐點(見圖8)。

圖8 沖閃波形2

比較圖7、圖8兩次故障測距波形，發(fā)現(xiàn)造成27 m測距誤差的原因是第一次測距時所設(shè)測量范圍(2752 m)太大了，結(jié)果得出的波形把真正故障點(圖7中標(biāo)注實際故障點位置)壓縮掩蓋，而第二次測距時將測量范圍設(shè)為較接近電纜實際長度的688 m，顯示比例由2∶1改為4∶1后，實際故障點(拐點)就顯現(xiàn)出來。此例表明，為提高故障測距的準(zhǔn)確性，合理靈活設(shè)置測量范圍、顯示比例大小很重要。

7 結(jié)束語

電力電纜故障探測是一項技術(shù)性和經(jīng)驗性很強的工作，而故障測距定位經(jīng)驗積累是一個緩慢積累的過程，只有掌握波形的形成原因，及時準(zhǔn)確地采用低壓脈沖法或脈沖電流法進行測距，分析波形的突變拐點，才能為故障的迅速處理贏得寶貴的時間，并能及時排除線路故障而迅速恢復(fù)供電。

［1］陳化鋼.電力設(shè)備預(yù)防性試驗方法及診斷技術(shù)［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

［2］徐丙垠，李勝祥，陳宗軍.電力電纜故障探測技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

［3］王潤卿，呂慶榮.電力電纜的安裝、運行與故障測尋［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.