摘要：随着城市电网改造工作的开展,高压电力电缆的应用逐渐增多。为了提高电力电缆故障检修效率,保证供电可靠性,需要对出现的故障点进行快速准确探测。分析了脉冲法对不同类型电缆故障的探测原理及效果,并结合现场应用,验证了脉冲法对电缆故障探测的准确可靠性。
关键词：电力电缆；故障探测技术；电网
1电力电缆故障探测方法
电缆故障探测工作的第一步是判明故障性质,根据故障点导体绝缘电阻Rf大小,电缆故障可以分为开路故障、低阻故障和高阻故障3种类型。电缆故障的探测方法取决于故障的性质,不同的电缆故障采用不同测试方法。首先,对故障点进行测距,为找到确切的故障点,还需要配合一些方法进行故障定点。直流电桥法是至今仍使用的一种测距方法。该方法基于电缆沿线均匀、电线长度与缆芯电阻成正比的特点,并根据惠斯通电桥的原理将电缆短路接地、故障点两侧的环线电阻引入直流电桥,测量其比值。由测得的比值和电缆全长获得测量端到故障点的距离。当对地电阻较大(Rt≥3kΩ)时,就必须采用高压直流电桥,或对高电阻进行烧穿。由于灵敏度不高,并且比较复杂,已很少使用。脉冲法的基本探测原理是将电缆视为均匀长线,应用行波理论进行分析,通过观测脉冲在电缆中往返所需时间来计算故障点距离。该方法认为电缆中波的传播速度只与电缆的绝缘介质性质有关,而与电缆导体芯线的材料及截面积无关,因而脉冲法得到越来越多的应用。开路与低阻故障可用低压脉冲反射法,高阻故障可以采用脉冲电流法。
目前国际上提出了“二次脉冲法”(也称多次脉冲法)测试技术,可测35kV以下等级电缆的高阻故障、低阻故障和断路故障。二次脉冲法综合了低压脉冲反射法和冲击脉冲法的优点,利用冲击高压或直流高压击穿故障点,闪络通道的低阻状态有一定的维持时间,在这一时段内,发射低压脉冲,检测反射脉冲,计算它们的时间间隔,得到故障点距离。但二次脉冲法也存在一些问题:二次脉冲法测量时,故障点电阻需要降到很低的水平,如果故障点绝缘受潮严重,故障点击穿过程较长,故障电阻降低需要较长的时间,使得测试时间增加。另外,电缆维持低阻状态的时间是不确定的,给施加二次低压脉冲的控制带来一定的困难,使得整个测试过程更加复杂。二次脉冲法测量是一种较新的测试方法,应进行更深入的探讨。
2故障点测距方法及定位
2.1低压脉冲反射法测距
低压脉冲反射法的测距原理:用仪器测量低阻或开路故障时,由仪器机内产生一宽度为0.1～2μs、幅度大于120V的低压脉冲,在t0时刻加到电缆故障相一端,此时脉冲便以速度V向电缆故障点传播,经Δt时间后到达故障点,并产生反射脉冲,反射脉冲波以同样的速度V向测量端传播。并且经过同样时间Δt于t1到达测量端。若设故障点到测量端的距离为L,则有L=V·Δt=V·(t1-t0)/2,所以仪器只要记录t0和t1时刻,就可以测出测量端到故障点的距离。脉冲在电缆中的波速度对于准确计算出故障距离很关键,在不清楚电缆波速度值情况下,如已知被测电缆的长度,首先根据发送脉冲与电缆终端反射脉冲之间的时间Δt,就可推断出电缆中的波速度:V=2L/Δt(1)。
2.2脉冲电流法测距
对于高阻故障,由于故障点电阻较大,此点的反射系数β很小或几乎等于零,用低压脉冲法测量时,故障点的反射脉冲幅度很小或不存在反射,因而仪器分辨不出来。
利用高压闪络法测量,可以取得满意的结果,其测距原理如下:由直流高压发生器产生一负的直流高压,加到电缆故障相,当电压较高使得电缆故障点产生闪络放电,瞬间被电弧短路,故障点便产生一反射的脉冲电流波,使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波,通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一次的时间来计算故障距离。脉冲电流法采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号。采用直流高压使得故障点产生闪络放电时,瞬间被电弧短路,故障点便产生一跳变电压波在故障点与测量端来回反射,高压闪络电压波测量法采用电阻、电容分压器取样,在测量端取出反射的电压波,利用信号在测量端与故障点往返一次的时间就可以计算出故障点位置。脉冲电流法使用线性电流耦合器放置在低压侧地线旁,与高压回路无直接的电气连接,对记录仪器与操作人员安全、方便。
2.3电力电缆故障点的精确定位
在进行电缆故障测距时,存在一定的距离误差,而且在丈量和绘制埋在地面下的电缆线路图时会存在误差,因此根据测距结果只能判断出电缆故障点的大体位置,为了减少开挖工作量,在测距之后还需要在地面上进行精确定点工作。进行故障精确定点的方法有声测定位法、脉冲信号空间耦合法、声磁信号同步接收定点法等。
(1)声测法。利用与冲击闪络法相同的高压设备,使故障点击穿放电,故障间隙放电时产生的机械振动传到地面,利用声电传感器检测,可以比较准确地对电缆故障点进行定位。声测法比较灵敏可靠,较为常用,一般除接地电阻特别低(小于50Ω)的接地故障外都能适用。
(2)脉冲信号空间耦合法。在向故障电缆施加冲击高压信号使故障点放电时,会在电缆的外皮与大地形成的回路中感应出环流来,这一环流在电缆周围产生脉冲磁场,通过电磁感应,能够可靠地检测出放电激发的磁场。这一定点方法适用于电阻较低的相间故障,包括两相短路、两相短路并接地、三相短路及三相短路并接地。但单相接地时,由于电缆头金属护套一般均在两端接地,因此音频电流在故障点分成两边往回流,在接地点任一侧的信号都不发生变化,故脉冲信号空间耦合法通常不能用于单相接地故障定点。
(3)声磁信号同步接收定点法。由于现场环境存在各种干扰,单独的声测法和磁测法不能区分放电信号与干扰信号。采用声磁信号同步接收法,利用声电传感器监听声音信号,同时接收空间脉冲磁场信号,就可以判断出所测信号是否由故障点的放电产生的,以准确地判断故障点位置。从目前应用的电缆故障定点设备来看,由于环境复杂、灵敏度不高,一般都具有一定的现场局限性。目前对于现场故障点的精确定位,还需结合电缆施工资料,包括铺设走向、总长度及中间头分布情况等。
3脉冲法探测现场故障应用举例
低压脉冲反射法为例。在出现电缆相间、相对地金属性接地故障(低阻故障)时,采用低压脉冲反射法可以对故障点进行有效的测距探测。如常熟供电公司某一10kV开闭所出线电缆出现单相接地故障,经初步试验检测发现非故障相绝缘良好,故障相绝缘电阻为零,由万用表测得其对地电阻为25Ω,故可采用低压脉冲反射法进行故障测距。根据历史资料得知该电缆总长度为1140m,首先在非故障相测得低压脉冲反射波形,由低压脉冲波过程图确认该类型电缆电压波传播速度为168m/μs。根据确认的波传播速度,在故障相也记录低压脉冲反射波形,由故障相的低压脉冲反射波形可确定电缆接地故障点约在884m处。
结束语：在采用脉冲法进行故障点测距时,电力电缆的长度、铺设走向等资料对及时准确对故障点测距非常重要,所以目前在供电企业需要加强电力电缆施工资料的管理;同时,电缆沟或开挖区域里经常是多条电缆并排敷设,在寻找和排除电缆故障时需要区分确认故障电缆,在无标识牌情况下,准确识别故障电缆也是一个重要问题。
参考文献：
[1]陈化钢.电气设备预防性试验方法[M].北京:水利电力出版社,1999.
[2]李建明,朱康.高压电气设备试验方法[M].北京:水利电力出版社,2001.
[3]徐丙垠.电力电缆故障探测技术[M].北京:机械工业出版社,1999.