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电缆故障测试仪特点用途知识讲座

浏览次数:408发布日期:2014-11-07

一.概述:
    电力传输是电力供应系统中的重要环节,近年来由于城市建设的加快和安全供电的需要,地埋电缆和沟道电缆越来越多的在广大城乡电力设施中得到广泛的应用。电缆与架空线相比有下列优点:
    1.占地面积小,地下敷设不占地面空间,可避免在地面设电杆、导线,有利于安全和市容美观。
    2.运行可靠,不受外界环境的影响,可避免风灾、水灾、风筝、鸟类等造成的短路与接地故障。
    3.人身安全可靠,地下敷设可有效的避免线路断线造成的人身触电事故。
    4.电缆的电容量大,有利于提高电网的功率因素。
    正是由于以上原因,使得电缆在现代城市建设中得到广泛的应用。但是由于电缆埋入地下,而且有些传输电缆还比较长(几公里),所以当电力电缆发生故障而影响正常供电时也给查找电缆故障点带来一定的困难。其主要原因在于电缆埋入地下,看不见,摸不着,有时在电缆敷设位置不清时将更难处理。过去在没有先进的测试设备的情况下,查找一个电缆故障点往往需要几天或十几天时间。并会造成难以估量的停电损失。因此电缆故障的查找是多年来捆扰供电部门的重要问题之一。


二.电缆故障的原因分析:
    电力电缆发生故障的原因是多方面的,但常见的故障原因主要有以下几种:
    1.机械损伤:很多故障是由于电缆安装时不小心造成的、或靠近电缆附近施工作业造成的。有时如果损伤不严重,要到几个月甚至几年后损伤部位的破坏才发展到铠装铅皮穿孔,潮气侵入而导致损伤部位彻底崩溃形成故障。
    2.电缆外皮的电腐蚀:如果电力电缆埋设在有强力地下电场的地面下(如大型航车,电力机车轨道附近),往往出现电缆的铅包外皮腐蚀致穿,导致潮气侵入,绝缘破坏。
    3.化学腐蚀:如电缆路径穿过酸、碱性的地区,煤气站的苯蒸气往往造成电缆的铠装和铅皮大面积和长距离的被腐蚀。
    4.地面下沉:此现象往往发生在电缆穿越公路、铁路、林区及建筑群时,由于地面的下沉、树根的生长而造成电缆垂直受力变形。导致电缆铠装、 铅皮破坏甚至折断而造成各种类型的故障。
    5.电缆绝缘物的流失:电缆敷设时地沟凹凸不平,或处在电杆上的户外头,由于电缆的起伏、高低落差悬殊,高处电缆的绝缘油流向低处而使高处电缆绝缘性能下降,导致故障发生。
    6.长期过荷运行:由于过荷运行,电缆的温度会随之上升,尤其在炎热的夏季,电缆的温升常常导致电缆薄弱处首先被击穿,在夏季,电缆故障多的原因正是如此。
    7.震动破坏:铁路轨道下运行的电缆,由于剧烈规律的运动导致电缆外皮产生弹性疲劳而破裂,形成故障。
    8.拙劣的技工:拙劣的接头与不按技术要求敷设电缆往往是形成电缆故障的主要原因。
    9.在潮湿的气候条件下作接头,使接头的封装物内混人水蒸气而耐不住试验电压,往往形成闪络性故障。
    10.外力损伤:近年来由于城市建设施工,大型施工机械的使用,而施工人员又不了解施工现场的地下情况而造成的电力电缆被铲断或挖坏。
    在对电缆故障发生原因的分析中,极重要的是要特别注意了解电缆敷设中的情况,如电缆外表发现可疑之点,则应查阅电缆安装敷设工作完成后的正确记录,这些记录应包括这样的细节:铜芯或铝芯电缆的截面积、绝缘方式、各接头的位置、电缆路径的走向、在地下关系中,某一电缆到别的电缆或接头的情况(这一点应特别注意),以及两种不同截面积的电缆对接头的位置:有无反常的敷设深度或者有特别的保护措施,如钢板、穿管、和排管等;电缆敷设中的技术人员的姓名(这些人是提供重要原始资料的来源之一);以及电缆历次发生故障的详细记录(地点及排除经过)。
    当欲快速定位故障时,所有的这些资料都是重要的。由于制造缺陷而造成的电缆故障是不多见的。因而,对电缆故障的分析,如果考虑到上述的情况和细节,将使电缆维修技术人员得到巨大的好处。

三.脉冲法测试原理:
    几个基本的概念:
    动力电缆在高频运用状态下的传输特性:
    高频电波在电缆传输过程中,其幅度、相位和速度等参数将有规律的发生变化,而非我们正常所想象中的情况。所以我们将利用电波在电缆中传播的微观变化规律,利用雷达测距原理来确定电缆故障点的距离。因此我们必须树立起长线理论、阻抗概念与反射系数的概念。
    长线概念:
    长线是指导线的几何长度比其所传输的电磁波的波长还长或者与之相近似的传输线。一般认为线长 L>λ/10 既可认为是长线。
    例如:对于1000米电缆而言,交流市电的频率为50Hz,其波长为6000公里,1000米电缆可视为短线。而对于5MHz信号,其波长为60米,1000米电缆可视为长线。
    电波在长线上传播时,长线上沿线各点的电流、电压在一般情况下是不相同的,而在短线中沿线各点的电流、电压是相同的。
    长线的特性参数:
    1、特性阻抗Z0: 电缆的特性阻抗与电缆的截面积、尺寸及周围的介质有关。同轴电缆的特性阻抗一般为40—100欧姆,电力电缆一般为10—50欧姆。
    2、传播速度:Vp 电波在电缆中传播时,将以一定的速度向前传播,而传播速度与电缆的介质材料有关。
    对于油浸纸电缆其传播速度为160M/us,不同的电缆介质其传播速度也不同。
    3、反射系数:反射系数与负载阻抗有着密切的,根据分析可知终端反射系数K2为
    K2=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)
    其中ZL 为负载阻抗。
    由上述公式我们可以得出以下结论:
    当故障点短路时,故障点阻抗ZL=0
    K2=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)=-1 出现负反射,幅度等于入射幅度。
    当故障点开路时,故障点阻抗为无穷大 ZL=∝
    K2=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)=1 出现正反射,幅度等于入射幅度。
    当故障点的阻抗等于或接近于电缆的特性阻抗时 ZL=Z0
    K2=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)=0 无反射。
    而故障点阻抗介于0-Z0 之间时
    K2=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)=-1~0 
    出现负反射,幅度小于入射幅度。
    而故障点阻抗介于Z0~∝ 之间时
    K2=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)=0~1 
    出现正反射,幅度大于入射幅度。
    前面讲了电力电缆在传输高频电波时出现的一些物理现象,而这些现象在我们日常的电力输送中是不可能出现的,但是我们正是利用这种物理现象进行电力电缆故障测试的。下面我们看一下一个脉冲波形在电力电缆中传播的全过程。

    脉冲测量法可以直观的从电缆故障测试仪中观察出电缆故障点是开路或着是短路的性质。对于低阻、短路和开路故障zui简单的测试方法就是脉冲测量法。
    工作原理:
    测试时,在故障相上注入低压脉冲发射波形,该脉冲沿电缆进行传播直到阻抗失配的地方,如象中间接头、T型接头、短路点、开路点或终端头等,在这些点上都会引起波的反射。我们可以看到当故障相处于低阻或短路状态时,反射系数为-1~0之间,故障点的反射波形为负反射。在电缆的中间接头处由于阻抗的失配也将出现反射,但波形均比较小,由此我们可以判断出电缆的中间接头的距离。
    如果故障点的负载阻抗ZL大于电缆的特性阻抗Z0 ,电缆将会出现0~1之间的正反射。如ZL 远远大于Z0时该故障点将没有反射波形或波形很小不宜观察。而该脉冲到达终点时,将在电缆的终端出现正反射。故我们观察到的波形为终端波形。显示距离为电缆的全长。而将信号加到好相时出现的是电缆的全长。
故障的性质可由反射波形的方向来决定。当我们在电缆的始端加正极性信号时,如果电缆的反射波形为同方向的正极性波形,则该电缆故障为高阻故障反之为低阻故障,或电缆短路。(这里强调一点:波形反映出来的高阻或低阻故障是针对故障点的阻抗与电缆的特性阻抗之比的特性,而不是我们日常用兆欧表测量出来的高阻或低阻,一般来讲我们将故障点阻抗大于500欧姆的统称为高阻。)
    故障距离由测量脉冲与回波脉冲之间的时间差计算出来,这就涉及到我们前面讲到的电波在电缆中传播的速度问题,高频电波在短线传输时是以一定的速度进行传播的,而且电波的传播速度与电缆的介质有关。例如对于油浸纸电缆其传播速度为160M/US,对于交联电缆其传播速度为172M/US等。高频脉冲在T时间段内,由电缆端头以VP的速度向故障点传播,到达故障点后经过反射,又以VP的速度返回,共行进路程为2倍的始端到故障点的距离,由物理学距离计算公式 S=V×T 可知,实际端头到故障点的距离为 S=V×T / 2, 该距离可通过电缆故障测试仪的显示屏幕直接读出。
    总结电缆故障测试原理要点主要有以下几点:
    1、电波在长线传播中是以一定的速度进行的,并且各点的幅度不同。
    2、电波传播中如发生阻抗不匹配将发生反射,低阻或短路时反射系数为-1~0之间,高阻或开路反射系数为0~1之间。
    3、不同的电缆的传播速度不同。
    4、障距离由S=T×V/2 计算得出。
    前面讲了电缆故障测试的原理,总结了4条基本的概念,这是测试电缆故障的基本思想,下面所讲的是前面所讲内容的延伸。
    首先讨论一下电缆故障的性质和分类:
    电缆故障一般可分为短路故障、低阻故障、高阻故障和开路故障。
    短路故障比较容易理解,既电缆完全短路,电缆故障点阻抗为零。
    低阻故障一般可认为100欧姆以下的故障为低阻故障,注意:该分类是以电缆的特性阻抗而区分的。
    高阻故障则指故障点电阻大于100欧姆的情况。
    开路故障则指电缆完全断开的情况。
    而高阻故障中又可分为泄露和闪络型故障。
    泄露故障是指故障点存在一定的电阻,几K到几百兆之间,高压实验时泄露超标或高压根本就加不上去的情况。
    闪络性故障则是故障点的电阻为无穷大,但在做高压实验时,当电压加高到某一数值时,泄露突然增加,产生放电,高压表指针摆动,而当电压调低后泄露又恢复正常的情况。
了解了电缆故障的情况以后,就可以对症下药的解决问题了。
    对于故障点电阻小于1000欧姆的电缆故障可采用zui为简单的方法(低压脉冲测试法)进行测量。具体接线如下:
    把电缆故障测试仪的测试端头,直接连接电缆的芯线与电缆的外皮之间,选择低压脉冲测试进行测量。利用电缆故障测试仪内部的脉冲发生器产生约100伏左右的低压脉冲信号加到电缆上,信号在电缆上将沿电缆传播,当遇到故障点时(或阻抗不匹配的地方)信号发生振动并且向两端传播,电缆故障测试仪将把发射脉冲信号和由故障点的返回信号进行扑捉,并经微电脑处理在显示屏上显示出来,我们就可以根据波形进行分析了。根据我们前面所讲的理论,故障点故障的情况不同其返回的波形也将不同。短路故障和低阻故障波形将出现与入射拨反向的波形。前面的脉冲信号为电缆故障测试仪所发出的脉冲信号,而后边的信号为电缆故障点的反射信号。我们看到这个信号的发射脉冲与反射脉冲是反向的,由电缆的反射系数的理论我们知道,K值为负,这说明该电缆的故障性质为短路故障。
    分析了电缆故障的性质,下面再分析一下故障点的位置:以发射脉冲的前沿作为起始点,将*光标固定在发射脉冲的起始沿,然后移动第二光标到反向波形的下降沿,由电缆故障测试仪自动计算出故障点的距离,并显示在屏幕的底部。再看一下另外一幅信号图形,我们看到这个信号的发射脉冲与反射脉冲是同向的,而由电缆的反射系数的理论我们知道,K值为正,这说明该电缆的故障性质为高阻故障或开路故障。同样以发射脉冲的前沿作为起始点,将*光标固定在发射脉冲的起始沿,移动第二光标到同向波形的上升沿,我们可以看到在电缆故障测试仪的屏幕的底部,由仪器自动计算出故障点的距离。
    利用低压脉冲测试法我们还可方便的测量出电缆的长度,在电缆无故障或电缆故障点的阻抗远远大于电缆的特性阻抗的情况下,低压脉冲测试波形反映出来的是电缆的全长。测量电缆的全长在电缆测试中有着重要的意义。为了满足不同电缆长度的测试,我们在电缆故障测试仪中设置两种脉冲宽度的发射脉冲,其中窄脉冲用于电缆长度小于1000米以下的电缆故障测试,而宽脉冲用于大于1000米电缆测试。
    从以上的应用我们可以看出,利用电缆故障测试仪的低压脉冲测试法可十分简便的测量出电缆故障的发生点,从而为我们下一步具体定点打下良好的基础。
虽然利用低压脉冲测试法可以解决电缆故障的低阻或短路情况,但对于电缆故障点的阻抗大于1000欧姆的情况,由于起反射波形很小,所以基本上看不到波形,所以说低压脉冲测试适用于低阻情况,对于高阻故障应采用高压冲闪测试,下面介绍高压冲闪测试法。前面讨论了低压脉冲测试的方法以及适用范围,我们知道低压脉冲测试法只是适合于短路、低阻和开路故障,而现实中大量存在的是高阻故障和闪络性故障,所以就必须采用新的测试方法来满足不同的电缆故障测试。而高压冲闪法测试电缆故障由于采用了较高的测试电压,将电缆故障点击穿而获得电缆的传播数据,故高压冲闪测试法可满足绝大多数电缆故障测试。
    高压冲闪测试法可分为电压采样和电流采样两种情况,首先讨论电压采样的情况:高压冲闪电压采样的接线如图2所示。(略)
    高压冲闪测试首先要有高压源,我们的高压源为负向直流高压发生器。还要有一定的储能设备,我们采用高压直流电容作为储能设备。另外还有高压放电球间隙,微分电感、分压电阻R1,R2等组成。其中R1、R2为取样分压电阻,电缆上的电压波形将通过分压电阻分压后引入测试仪器。下面我们分析以下工作过程:当我们调节负向输出电压并向高压电容进行充电达到一定的幅度后,球间隙击穿,高压电压通过球间隙、电感加到被测电缆上,由于球间隙是被负高压瞬间击穿而加到电缆上的,所以我们认为是一个负向高压脉冲加到电缆上,根据长线电缆传播的理论,该负高压脉冲将沿被测电缆进行传播。当负向高压脉冲到达故障点时,故障点被击穿,形成弧光短路,此时等效阻抗将发生变化,由原来未击穿时的高阻变为短路状态。根据电波反射原理,短路状态K为-1,所以在电缆的故障点将产生一个正向脉冲,此正向脉冲将沿电缆向始端传播,当正向脉冲到达始端时由于电感L的存在(电感对脉冲信号表现出高阻状态,其反射系数K为正1),该正向脉冲将被重新反射为正向脉冲,并沿电缆向故障点传播,而当该脉冲再次到达故障点时,由于故障点的放电过程并未结束,仍处于短路状态,根据电波反射原理,短路状态K为-1,因此该正向脉冲将被重新反射为负向脉冲,此负向脉冲将沿电缆再次向始端传播,当负向脉冲到达始端时由于电感L的存在(电感对脉冲信号表现出高阻状态,其反射系数K为正1),该负向脉冲将被重新反射为负向脉冲,并沿电缆向故障点传播。以上过程在电缆中重复运动直到储能电容上的能量用完,电压降低到不能维持故障点放电为止。
    以上是电缆故障点在被高压电压击穿后,电缆中高压脉冲运动机理。同时我们还应注意在高压电缆在故障点放电过程中的另外一种现象,就是我们常说的高压电缆击穿后的震荡现象。我们知道任何电缆对于高频信号来讲都表现出一定的感抗,并可以认为这种感抗是电缆中每一微元电感的集合。当电缆故障点发生击穿时,就形成了LC回路,根据LC振荡回路的特性在该回路中将产生余弦震荡,我们称之为电缆放电中的余弦震荡现象,这种震荡现象将是我们判断故障电缆是否充分放电的重要标志。
    根据以上所谈到的机理,在电力电缆的高压冲闪测试中,高压电缆在放电过程中,实际上有两种现象,在测量中我们实际上得到的波形是两种现象的叠加波形。如图4(略):
在显示波形全貌的图形上,我们看到的是余弦震荡的波形。而在局部波形图上我们看到的是叠加在余弦大震荡上的反射波形,而我们判断电缆故障点的主要依据是电缆故障点击穿后的反射波形,余弦大震荡是否产生是用来判断电缆故障点是否充分放电,只有电缆故障点充分放电,所产生的反射波形才是我们所要关心的波形。
    高压冲闪测试得到的高压放电波形如图,下边的图形就是我们谈到的电缆放电后产生的余弦大震荡波形图,这证明该电缆已被高压电压所击穿,并充分放电。而我们zui关心的是叠加在余弦震荡上的反射波形。我们可在主显示区看到采集波形的展开图象。下面我们对该图象进行分析:根据我们前面讲到的高压冲闪放电脉冲在故障电缆中来回反射的现象,*个上升脉冲为电缆故障被击穿反射波形,而后的下降脉冲为该脉冲二次到达到电缆故障点后反射回来的反向脉冲。我们就对此脉冲进行分析,移动仪器的*光标到*脉冲的启始沿,移动第二光标到反射脉冲的下降沿,在仪器的故障距离将显示出电缆故障的距离。有时为了效验其正确性也可用测试第二组脉冲进行测量,将仪器的*光标到第二脉冲的启始沿,移动第二光标到反射脉冲的下降沿,在仪器的故障距离将显示出电缆故障的距离。两组数据应该相等,到此为止我们以可以确定电缆故障点的具体位置了。使用这种方法基本上可以解决95%以上的电缆故障,所以我们应对这种测试方法熟练掌握。
   

下面介绍在高压冲闪测试中一些特殊的情况:
    一.靠近终端的故障:
    当故障点在终端附近时,会出现故障点在未击穿之前已有中断反射波形出现,故在我们的仪器上会看到在上升脉冲之前有一个小的负向反射脉冲,这个负向脉冲就是电缆终端的反射脉冲。此脉冲的形成机理为:当球间隙放电而产生的高压负向脉冲到达终点的瞬时,而此时故障点还未被击穿,电缆终端呈高阻状态,根据前面讲的反射理论,高阻的反射系数为+1,所以会产生一同相脉冲并向电缆端头反射,从而形成在电缆故障点被击穿前的负向脉冲,所以我们在电缆故障测试中一般看到在故障波前沿有负向波存在,可判断该故障点距电缆的终端不远。
    二.故障点在始端附近的情况:
    当故障点在电缆的始端附近时,采集的波形将出现以下特点:
    1 采集波形在开始就迅速上冲。
    2 在前部出现密集的小波,这是由于*个脉冲还没有完成而后续波形挤压所至而形成连续小幅度脉冲。
    3 在一群小波之后基本上为一条直线,一般没有余弦大震荡存在。这是由于在整个回路中感抗太小所至。当采集到具有以上特点的波形时可基本判断故障点在端头附近。距离可采用经验公式累计计算。在密集小波中选取3-5个波,看一下显示距离,再用所选波的数目去除以距离,可得出故障点的距离。这种测量一般误差较小,适用于故障距离小于50米的故障点判断。
    三.故障点不放电的情况:
    当放电球间隙调的太小或电容能量不足时有时可能会出现球间隙放电而故障点不放电的情况。故障点不放电则故障点就没有反射波形,也就无法测出电缆故障点的距离,采集的波形特点为逐步上升的抛物线充电波形,在此上升的曲线中叠加有一些小的负向脉冲,此负向脉冲为电缆终端的反射波形。
    造成电缆故障点不放电的一般可分为以下几种情况:球间隙调节太小,导致在电压不高的情况下球间隙被击穿,而此电压不足以击穿电缆的故障点。解决的办法通常采用拉大球间隙、提高工作电压的办法来解决。但应注意提高电压应根据被测电缆的绝缘耐压来确定,一般zui高电压应小于被测电缆耐压的2.5倍。
    高压冲闪测试中储能电容的容量对有效的将电缆的故障点的击穿有着重要的意义。如果储能电容的容量不足,在电容所储能量不足以使电缆故障点有效击穿,故障点将没有反射波形,而形成不放电波形。根据测试经验,对于1000米以下的电缆,电容的容量应在1.5微法左右,zui小不得小于1微法。对于1000米以上的电缆可考虑按每1000米/1微法增加。而对于380伏特的低压电缆。由于电压限制,可考虑按每1000米4-8微法配置。
    四.安全性问题:
    在采用高压冲闪法测试电缆故障时由于测试电压等级较高,所以在测试应特别注意现场的安全性,在测试中应注意以下几个问题:
    1.地线的接线问题:由于本系统在放电过程中电流极大(大约为2万伏特等级的短路电流),所以系统的接地线应可靠。
    2.由于放电回路的电流极大,容易在接触不良的状态下产生地线电位抬高,造成设备损坏或人员触电,所以放电回路的地线应与测量回路的地线应分别接地。
    3.在所有接线完成后应仔细复查后,再通电实验。
    4.在做高压冲闪电压采样时,在接好高压系统后先不接入测试仪,做高压空打实验,在进一步检查地线系统无放电现象、高压系统正常的情况下再接入电缆故障测试仪进行高压采样。
    5.在使用高压组件箱中球间隙做定点放电时应将输出端直接接到球间隙的放电端,并将线圈和分压电阻断开。
    6.其他高压操作的安全问题可参阅国家有关高压电气实验的安全标准。
    下面要讨论的是另一种新的测试方法,叫高压冲闪电流采样法。
    高压冲闪脉冲电流采样的过程,就是利用电流传感器将电缆故障测试中故障点击穿放电的瞬态电磁波的传输过程记录下来。并根据故障点放电脉冲在测试端与故障点来回反射时间计算出电缆故障的距离。
    所需设备配置为高压电压发生器(俗称高压PT),一般电缆故障测试配置为3KV左右,控制保护器,高压脉冲电容,放电球间隙,电流采样器DL等组成。电流传感器的作用是通过空间的电磁耦合,将测试过程中电容C放电回路中的瞬间电流变化信号传导电缆故障测试仪中去。
    测试中,当调节电压高到一定的程度时,放电球间隙被击穿,高压储能电容中的电能将通过放电球间隙向电缆转移,形成放电脉冲电流,当电缆上的电压达到电缆故障点的击穿电压时,电缆故障点产生放电。并在电流传感器上形成放电脉冲。由上一节介绍的故障点特性可知,如果此冲击电压—Ee幅值大于故障点g放电间隙的击穿电压,当此冲击电压沿芯线传输至故障点时故障点放电间隙将被电离,形成短路放电,在回路中产生较大的突跳电流,该突跳电流将被电流传感器所接收,形成触发脉冲。同时产生由—Ec→0的正跃阶电压向电缆的测试端和电缆的终端入射(向终端入射传输的过程可不考虑)。正跃阶入射波传输至测试端时,考虑到球间隙此时仍被电离短路,而贮能电容C也可认为对正阶跃电压呈短路状态,由电缆特性及反射系数概念可知,测试端的外阻抗因接有贮能电容C而变的非常低,远远低于电缆特性阻抗,对由故障点入射来的信号呈短路性质的反射,即反射系数接近于—1。所以,在测试端将产生负反射。该反射将向电缆故障点方向运动,当到达电缆故障点时.故障点被击穿入射脉冲倒相后又向两端传播,这样多次反射消耗能量,直至能量被消耗,放电过程结束。

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