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電力電纜故障探測(cè)基礎(chǔ)理論（2）

   三、電纜故障的性質(zhì)與分類

   電纜故障從型式上可分為串聯(lián)與并聯(lián)故障。串聯(lián)故障指電纜一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體（包括鉛、鋁外皮）斷開；通常在電纜至少一個(gè)導(dǎo)體斷路之前，串聯(lián)故障是不容易發(fā)現(xiàn)的。并聯(lián)故障是導(dǎo)體對(duì)外皮或?qū)w之間的絕緣下降，不能承受正常運(yùn)行電壓。實(shí)際的故障型式組合是很多的，圖1給出了可能性較大的幾種故障形式。例如：圖1.c所示，導(dǎo)體斷路往往是電纜故障電流過大而燒斷的，這種故障一般伴有并聯(lián)接地或相間絕緣下降的情況。實(shí)際發(fā)生的故障絕大部分是單相對(duì)地絕緣下降故障。（不同的電纜故障測(cè)試儀器廠家，對(duì)故障的分類有所區(qū)別）。

                   圖1   幾種電纜故障形式

   電纜故障點(diǎn)可用圖2所示電路來等效。Rf代表絕緣電阻，G是擊穿電壓為Vg的擊穿間隙，Cf代表局部分布電容，上述三個(gè)數(shù)值隨不同的故障情況變化很大，并且互相之間并沒有必然的。

  圖2 電纜故障等效電路

    間隙擊穿電壓Vg的大小取決于放電通道的距離，電阻Rf的大小取決于電纜介質(zhì)的碳化程度，而電容Cf的大小取決于故障點(diǎn)受潮的程度，數(shù)值很小，一般可以忽略。

    根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為開路、低阻、高阻與閃絡(luò)性故障，如表1所示。

表1 電纜故障性質(zhì)的分類
 

   說明：表中Z0為電纜的波阻抗值，電力電纜波阻抗一般在10-40Ω之間。

   以上分類的目的也是為了選擇測(cè)試方法的方便，根據(jù)目前流行的故障測(cè)距技術(shù)，開路與低阻故障可用低壓脈沖反射法，高阻故障要用沖擊閃絡(luò)法測(cè)試，而閃絡(luò)性故障可用直流閃絡(luò)法測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)人員有把Rf<100KΩ的故障稱為低阻故障的習(xí)慣，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電橋法可以測(cè)量這類故障。智能型電纜故障閃測(cè)儀，Rf<1KΩ以下的故障，也就是用萬用表能夠直接測(cè)量出來絕緣電阻的故障，才可以稱為低阻故障。高壓搖表測(cè)試電阻為零，可能還是高阻故障。

   據(jù)統(tǒng)計(jì)，高阻及閃絡(luò)性故障約占整個(gè)電纜故障總數(shù)的90%以上。現(xiàn)場(chǎng)是通過試驗(yàn)方法區(qū)分高阻與閃絡(luò)性故障的。

   圖3給出了電纜耐壓試驗(yàn)等效電路，其中Rs為試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)阻，E為設(shè)備所能提供的直流電壓值，電阻Rf與臨界擊穿電壓為Vg的間隙并聯(lián)代表故障點(diǎn)。

圖3 電纜耐壓試驗(yàn)等效電路

   由圖3可知，在對(duì)電纜進(jìn)行高壓絕緣試驗(yàn)時(shí)，電纜故障點(diǎn)所能獲得的電壓為：

   對(duì)閃絡(luò)性故障來說Rf較大，故障間隙兩端電壓可以增加至很高，當(dāng)試驗(yàn)電壓升至某一值時(shí)，故障點(diǎn)擊穿放電，電流突然升高，電壓突然下降。預(yù)防性試驗(yàn)中發(fā)生的故障多屬閃絡(luò)性故障。
   高阻故障的故障點(diǎn)電阻Rf較小（但大于10Z0，電纜特性阻抗的10倍），導(dǎo)致故障點(diǎn)兩端所加電壓不能升至高于故障點(diǎn)擊穿電壓，也就不能使故障點(diǎn)擊穿。因此，可以從在對(duì)電纜進(jìn)行高壓絕緣試驗(yàn)時(shí)有*點(diǎn)擊穿現(xiàn)象判斷電纜存在高阻還是閃絡(luò)性故障。顯然，高阻與閃絡(luò)性故障的區(qū)分不是的，它與高壓試驗(yàn)設(shè)備的容量或試驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)阻等因素有關(guān)。

   實(shí)際上還存在一種封閉性故障，它多發(fā)生于電纜接頭或終端頭內(nèi)，特別是多發(fā)生在浸油的電纜頭內(nèi)。發(fā)生這類故障時(shí)，有時(shí)在某一試驗(yàn)電壓下絕緣擊穿，待絕緣恢復(fù)，擊穿現(xiàn)象便*消失，這類故障稱為封閉性故障，因故障不能再現(xiàn)，尋找起來就比較困難。

  四、電纜故障探測(cè)的步驟

  電纜故障的探測(cè)一般要經(jīng)過診斷、測(cè)距、定點(diǎn)三個(gè)步驟。

  1. 電纜故障性質(zhì)診斷

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

　2. 電纜故障測(cè)距

  電纜故障測(cè)距，又叫粗測(cè)，在電纜的一端使用儀器確定故障距離，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)常用的故障測(cè)距方法有：古典電橋法（高壓電橋、低壓電橋）與現(xiàn)代行波法（脈沖法：低壓脈沖法，高壓脈沖法）。

  3. 電纜故障定點(diǎn)

  電纜故障定點(diǎn)，又叫精測(cè)，即按照故障測(cè)距結(jié)果，根據(jù)電纜的路徑走向，找出故障點(diǎn)的大體方位來，在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，利用放電聲測(cè)法或其它方法確定故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

   一般來說，成功的電纜故障探測(cè)都要經(jīng)過以上三個(gè)步驟，否則欲速則不達(dá)。例如不進(jìn)行故障測(cè)距而利用放電聲測(cè)法直接定點(diǎn)，沿著很長(zhǎng)的電纜路徑（可能有數(shù)公里長(zhǎng)），探測(cè)故障點(diǎn)放電聲是相當(dāng)困難的。如果已知電纜故障距離，確定出一個(gè)大體方位來，在很小的一個(gè)范圍內(nèi)（10米左右）來回移動(dòng)定點(diǎn)儀器探測(cè)電纜故障點(diǎn)放電聲，就容易多了。

   五、電纜故障性質(zhì)的診斷

   所謂診斷電纜故障的性質(zhì)，就是指確定：故障電阻是高阻還是低阻；是閃絡(luò)還是封閉性故障；是接地、短路、斷線，還是它們的混合；是單相、兩相，還是三相故障。

   可以根據(jù)故障發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象，初步判斷故障的性質(zhì)。例如，運(yùn)行中的電纜發(fā)生故障時(shí)，若只是給了接地信號(hào)，則有可能是單相接地的故障。繼電保護(hù)過流繼電器動(dòng)作，出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，則此時(shí)可能發(fā)生了電纜兩相或三相短路或接地故障，或者是發(fā)生了短路與接地混合故障。發(fā)生這些故障時(shí)，短路或接地電流燒斷電纜將形成斷線故障。但通過上述判斷不能*將故障的性質(zhì)確定下來，還必須測(cè)量絕緣電阻和進(jìn)行“導(dǎo)通試驗(yàn)”。

   測(cè)量絕緣電阻時(shí)，使用兆歐表(1千伏以下的電纜，用1000伏的兆歐表；1千伏以上的電纜，用2500伏的兆歐表)來測(cè)量電纜線芯之間和線芯對(duì)地的絕緣電阻；進(jìn)行“導(dǎo)通試驗(yàn)”時(shí)，將電纜的末端三相短接，用萬用表在電纜的首端測(cè)量芯線之間的電阻。現(xiàn)將一故障電纜的測(cè)量結(jié)果列于表2中，供參考。

   根據(jù)表2所列絕緣電阻之測(cè)量結(jié)果，可以分析出此故障是兩相接地；根據(jù)“導(dǎo)通試驗(yàn)”結(jié)果，以確定三相電纜未發(fā)生斷線。此故障點(diǎn)的狀態(tài)，如圖4所示。

表2  絕緣電阻的測(cè)量與“導(dǎo)通試驗(yàn)”
 

圖4  電纜線路故障狀態(tài)圖

  由于兆歐表分辨率比較差，當(dāng)指示為零時(shí)，不能以為故障電阻就是零歐姆，要用萬用表測(cè)量故障電阻的精確值，以確定故障是否是屬于低阻的。可通過耐壓試驗(yàn)確定高阻與閃絡(luò)性故障，弄清故障點(diǎn)的擊穿電壓。

   六、不同的電纜故障探測(cè)方法的簡(jiǎn)介

  長(zhǎng)期以來，涌現(xiàn)出了許多測(cè)量方法與儀器，這些方法與儀器適用于不同故障情況，各有優(yōu)缺點(diǎn)，這里就故障測(cè)距與定點(diǎn)儀器簡(jiǎn)單地做一下評(píng)價(jià)和比較。

  1.故障測(cè)距

 （1）、電橋法

 電橋法是一種zui為經(jīng)典測(cè)試電纜故障測(cè)距方法。如圖5所示:

圖5   電橋測(cè)距原理

   電橋法測(cè)試線路的連接如圖所示，將被測(cè)電纜終端故障相與非故障相短接，電橋兩臂分別接故障相與非故障相，圖5b給出了等效電路圖。仔細(xì)調(diào)節(jié)R2數(shù)值，總可以使電橋平衡，即CD間的電位差為0，無電流流過檢流計(jì)，此時(shí)根據(jù)電橋平衡原理可得：

          R3/R4=R1/R2       （1.1）

      R1、R2為已知電阻，設(shè)：R1/R2=K，則

      R3/R4=K

   由于電纜直流電阻與長(zhǎng)度成正比，設(shè)電纜導(dǎo)體電阻率為R0，L全長(zhǎng)代表電纜全長(zhǎng)， LX 、、L0 分別為電纜故障點(diǎn)到測(cè)量端及末端的距離，則R2可用（L全長(zhǎng)+L0）R0代替，根據(jù)式（1.1）可推出：

         L全長(zhǎng)+L0=KLX

         而 L0=L全長(zhǎng)-LX，所以

         LX=2L全長(zhǎng)/（K+1）

   電纜斷路故障可用電容電橋測(cè)量，原理與上述電阻電橋類似。

   電橋法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便、度高，但它的重要缺點(diǎn)是不適用于高阻與閃絡(luò)性故障，因?yàn)楣收想娮韬芨?/span>的情況下，電橋里電流很小，一般靈敏度的儀表，很難探測(cè)，實(shí)際上電纜故障大部分屬于高阻與閃絡(luò)性故障。

   在用電橋法測(cè)量故障距離之前，需用高壓設(shè)備將故障點(diǎn)燒穿，使其故障電阻值降到可以用電橋法進(jìn)行測(cè)量的范圍，而故障點(diǎn)燒穿是件十分困難的工作，往往要花費(fèi)數(shù)小時(shí)，甚至幾天的時(shí)間，十分不方便，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障

點(diǎn)燒斷，故障電阻反而升高的現(xiàn)象，或是故障電阻燒得太低，呈*短路，以至不能用放電聲測(cè)法進(jìn)行zui后定點(diǎn)。電橋法的另一缺點(diǎn)是需要知道電纜的準(zhǔn)確長(zhǎng)度等原始技術(shù)資料，當(dāng)一條電纜線路內(nèi)是由導(dǎo)體材料或截面不

同的電纜組成時(shí)，還要進(jìn)行換算，電橋法還不能測(cè)量三相短路或斷路故障。

   現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)上電橋法用的越來越少了，不過一些測(cè)試人員，尤其是老的測(cè)試人員，仍然習(xí)慣于使用該方法。特別是對(duì)一些特殊的故障沒有明顯的低壓脈沖反射，但又不容易用高壓擊穿，如故障電阻不是太高的話，使用電橋法往往可以解決問題。

  (2)、低壓脈沖反射法

  低壓脈沖反射法，又叫雷達(dá)法，是受二次世界大戰(zhàn)雷達(dá)的啟發(fā)而發(fā)明的，它通過觀察故障點(diǎn)反射脈沖與發(fā)射脈沖的時(shí)間差測(cè)距。

  低壓脈沖反射法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直觀、不需要知道電纜的準(zhǔn)確長(zhǎng)度等原始技術(shù)資料。根據(jù)脈沖反射波形還可以容易地識(shí)別電纜接頭與分支點(diǎn)的位置。

   低壓脈沖反射法的缺點(diǎn)是仍不能適用于測(cè)量高阻與閃絡(luò)性故障。

  （3） 高壓脈沖電壓法

   高壓脈沖法，又稱閃測(cè)法，是六十年代發(fā)展起來的一種高阻與閃絡(luò)性故障測(cè)試方法。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)、銷售該原理的電纜故障閃測(cè)儀。

   首先使電纜故障閃測(cè)儀，在直流高壓或脈沖高壓信號(hào)的作用下?lián)舸┕收宵c(diǎn)，然后，通過觀察放電電壓脈沖在測(cè)試點(diǎn)與故障點(diǎn)之間往返一次的時(shí)間測(cè)距。脈沖高壓法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是不必將高阻與閃絡(luò)性故障燒穿，直接利用故障擊穿產(chǎn)生的瞬間脈沖信號(hào)，測(cè)試速度快，測(cè)量過程也得到簡(jiǎn)化，是電纜故障測(cè)試技術(shù)的重大進(jìn)步。

   高壓脈沖電壓法的缺點(diǎn)如下：

   A.安全性差，儀器通過一電容電阻分壓器分壓測(cè)量電壓脈沖信號(hào)，儀器與高壓回路有電耦合，很容易發(fā)生高壓信號(hào)串入，造成儀器損壞。

   B.在利用閃測(cè)法測(cè)距時(shí)，高壓電容對(duì)脈沖信號(hào)呈短路狀態(tài)，需要串一電阻或電感以產(chǎn)生電壓信號(hào)，增加了接線的復(fù)雜性，且降低了電容放電時(shí)加在故障電纜上的電壓，使故障點(diǎn)不容易擊穿。

   C.在故障放電時(shí)，特別是進(jìn)行沖閃測(cè)試時(shí)，分壓器耦合的電壓波形變化不尖銳，難以分辨。

       （4）、高壓脈沖電流法

   高壓脈沖電流法是八十年代初發(fā)展起來的一種測(cè)試方法，以安全、可靠、接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)顯示了強(qiáng)大的生命力。

   高壓脈沖電流法與高壓脈沖電壓法的區(qū)別在于：前者通過一線性電流耦合器測(cè)量電纜故障擊穿時(shí)產(chǎn)生的電流脈沖信號(hào)，成功地實(shí)現(xiàn)了儀器與高壓回路的電耦合，省去了電容與電纜之間的串聯(lián)電阻與電感，簡(jiǎn)化了接線，傳感器耦合出的脈沖電流波形亦比較容易分辨。

  （5）、對(duì)測(cè)距方法與儀器選擇的建議

  目前，普遍采用脈沖測(cè)距法。低阻與斷路故障采用低壓脈沖反射法，它比電橋法簡(jiǎn)單直接；測(cè)量高阻與閃絡(luò)性故障采用高壓脈沖電流法；兩者都是通過脈沖信號(hào)在故障點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間往返一次時(shí)間測(cè)距，但前者是主動(dòng)向

電纜發(fā)射探測(cè)電壓脈沖，后者是被動(dòng)記錄故障擊穿產(chǎn)生的瞬間脈沖電流信號(hào)；信號(hào)的記錄與處理顯示可由同一個(gè)電路完成，故可方便地使儀器同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。

   2. 故障定點(diǎn)

  電纜故障的定點(diǎn)是故障探測(cè)的關(guān)鍵。目前，比較常用的方法是沖擊放電聲測(cè)法及主要用于低阻故障定點(diǎn)的音頻感應(yīng)法。實(shí)際應(yīng)用中，往往因電纜故障點(diǎn)環(huán)境困素復(fù)雜，如振動(dòng)噪聲過大、電纜埋設(shè)深度過深等，造成定點(diǎn)困難，成為快速找到故障點(diǎn)的主要矛盾。

  聲磁同步檢測(cè)法，提高了抗振動(dòng)噪聲干擾的能力；通過檢測(cè)接收到的磁聲信號(hào)的時(shí)間差，可以估計(jì)故障點(diǎn)距離探頭的位置；比較在電纜兩側(cè)接收

到脈沖磁場(chǎng)的初始極性，亦可以在進(jìn)行故障定點(diǎn)的同時(shí)尋找電纜路徑。

   3. 新一代智能化電纜故障探測(cè)儀器

   現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了電纜故障探測(cè)儀器的進(jìn)步。儀器正向智能化方向發(fā)展，能對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理，自動(dòng)計(jì)算故障點(diǎn)；記憶測(cè)量波形；打印輸出波形及測(cè)量結(jié)果；并具有體積小、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖6是部分智能型電纜故障測(cè)試儀－粗測(cè)儀器閃測(cè)儀的圖片