任廣為 段玉杰 黃梁英 楊三泉
摘 ? 要:隨著我國電力系統(tǒng)不斷的發(fā)展,高壓電纜在發(fā)電、輸電、變電以及配電等環(huán)節(jié)中起到重要的作用。本文首先通過對高壓電纜常見故障類型進(jìn)行闡述,然后介紹當(dāng)前國內(nèi)外高壓電纜故障檢測方法以及不足,最后采用獨(dú)創(chuàng)的故障點(diǎn)電流檢測法,提出一套完整的高壓電纜金屬性接地故障快速定點(diǎn)檢測方法,這對于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除電纜安全隱患,提高故障處理水平具有重要意義。
關(guān)鍵詞:高壓電纜 ?故障 ?電流檢測法
中圖分類號:TM755 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-098X(2020)02(c)-0027-04
Abstract: With the continuous development of China's power system, high-voltage cables play an important role in power generation, transmission, substation and power distribution. This paper firstly describes the common fault types of high-voltage cables, then introduces the current high-voltage cable fault detection methods and shortcomings at home and abroad, and finally uses a unique fault point current detection method to propose a complete high-voltage cable metal ground fault rapid fixed-point detection method. This is of great significance for the timely detection and elimination of cable safety hazards and the improvement of fault handling levels.
Key Words: High voltage cable; Fault; Current detection method
1 ?高壓電纜故障類型
電纜故障根據(jù)發(fā)生情況不同可分為不同的故障類型。當(dāng)故障出現(xiàn)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為主絕緣故障和金屬護(hù)套故障;當(dāng)故障出現(xiàn)在不同的電纜線路位置可分為本體故障和接頭故障;而短路和開路故障則屬于按故障性質(zhì)進(jìn)行的分類。電纜的絕緣損傷和缺陷是高壓電纜的絕大多數(shù)故障出現(xiàn)的原因,其中最為常見是短路故障。根據(jù)故障電阻的大小,低電阻故障、高阻抗故障和閃絡(luò)故障為短路故障的三種類型。
低阻故障:該故障是指電纜的絕緣電阻小到特定阻抗值時(shí),其絕緣性相對地?fù)p壞,此時(shí)低壓脈沖法是一種比較好的測量方法。出現(xiàn)低阻故障時(shí),絕緣電阻將會(huì)變小到特定阻抗值,低于10Z0(Z0電纜波阻抗,一般小于40Ω)。低阻故障一個(gè)常見的特例就是短路故障。
高阻故障:該故障是指絕緣電阻較大,但這是與低阻故障相比較的,具體來說一般大于10Z0,此時(shí)低壓脈沖法測量已經(jīng)不適用了。
閃絡(luò)性故障:一般故障在故障點(diǎn)都會(huì)形成電阻通道而閃絡(luò)性故障僅在放電間隙或閃絡(luò)性表面。它的明顯的特點(diǎn)是它的阻值可以為無限大,但是降壓后絕緣可自行恢復(fù)其絕緣性。
從可靠性來講,電纜線路是明顯高于架空線路的,但由于各種因素的影響,電力電纜在實(shí)際運(yùn)行中也會(huì)發(fā)生故障。例如強(qiáng)大的外力損壞,設(shè)計(jì)和制造工藝不過關(guān),絕緣性受潮,絕緣出現(xiàn)老化變質(zhì),過電壓,電纜的絕緣物流失,護(hù)套遭受腐蝕和材料存在缺陷等,這些都是導(dǎo)致電纜出現(xiàn)故障的主要原因。電纜由于深埋地下,發(fā)生故障時(shí)很難準(zhǔn)確尋找到它的故障點(diǎn)。因此,如何以較低的經(jīng)濟(jì)成本精確、迅速地找出電纜出現(xiàn)故障的地方,成為了在高壓電力電纜故障測尋技術(shù)中困擾供電公司和施工單位的重要難題。
2 ?當(dāng)前國內(nèi)外電纜故障檢測方法
高壓電力電纜故障測尋技術(shù)分為故障性質(zhì)確認(rèn)、故障預(yù)定位、測尋故障電纜的敷設(shè)路徑、故障精確定點(diǎn)四個(gè)步驟。
2.1 故障性質(zhì)確認(rèn)
當(dāng)故障出現(xiàn)在電力電纜上時(shí),故障的性質(zhì)的診斷是技術(shù)人員面對的首要問題,在此之后才開始確定采取的故障的預(yù)定位方法。預(yù)定位方法的選擇十分關(guān)鍵,如果選擇不恰當(dāng)不僅故障測尋的時(shí)間會(huì)延長,并且還會(huì)造成測試儀器的損壞。
故障性質(zhì)的確定主要包括幾個(gè)方面:就電阻而言需判斷故障電阻是高阻狀態(tài)還是低阻狀態(tài);就故障點(diǎn)位置而言是閃絡(luò)性故障還是封閉性故障;就故障類型而言是接地、短路、斷線故障;就相數(shù)類型而言是單相、兩相,還是三相故障。通常,不同的故障現(xiàn)象代表著不同的故障類型,通過這個(gè)故障的性質(zhì)可以進(jìn)行初步判斷。如果故障的性質(zhì)還無法通過上述判斷完全將確定下來,此時(shí)就必須對絕緣電阻進(jìn)行測量和“導(dǎo)通試驗(yàn)”。故障點(diǎn)的擊穿電壓有時(shí)難以弄清時(shí)而確定故障的性質(zhì)時(shí),可以采取進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)來確定。
2.2 故障預(yù)定位
故障預(yù)定位是指能夠測量出故障點(diǎn)到電纜任意一處的距離。預(yù)定位有很多種方法,主要可分為阻抗法和行波法兩大類。
(1)阻抗法。
阻抗法是基于線路單端或者多端的電壓、電流和阻抗間的關(guān)系,列寫和求解故障點(diǎn)方程進(jìn)而進(jìn)行故障點(diǎn)預(yù)定位。經(jīng)典電橋法是一種典型的阻抗法,基本原理是被測電纜存在故障相和非故障相,在電纜末端短接它們,并且故障相與非故障相分別接導(dǎo)電橋兩臂上,為了使電橋達(dá)到平衡,需要通過兩臂上的一個(gè)可調(diào)電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用比例關(guān)系和電纜長度是已知的,通過他們計(jì)算計(jì)算可以得出故障距離。電纜預(yù)定位時(shí),低壓電橋測量法常用在電纜低阻擊穿情況上,電纜電容電橋測量則一般用于開路斷線。測試過程簡單而結(jié)果比較精確是電橋法測量的主要優(yōu)點(diǎn),但該方法中的測試回路需要有完好線芯,而且電源電壓不能加太高。此外,在遇到探測高阻和閃絡(luò)性故障的情況該方法無法輕易進(jìn)行,因?yàn)榇藭r(shí)故障的電纜有很大的故障電阻、很小的電橋電流。另外,如前面所述,電纜長度是已知的,但現(xiàn)實(shí)中有時(shí)候無法得知它的長度,并且由不同導(dǎo)體材料或不同截面組成的電纜線路還需要進(jìn)行換算。例如,電橋法無法測量電纜三相短路故障。因此,它的適用范圍比較小。
(2)行波法。
故障點(diǎn)的位置可以通過測量行波在電纜線路故障點(diǎn)和測量端之間往返的傳播時(shí)間來確定,這就是常說的行波法。脈沖電壓法、脈沖電流法、低壓脈沖法和二次脈沖法是常見的基于行波法的離線測距方法,其故障定位原理如下。
①脈沖電壓法。
脈沖電壓法能夠測試出高阻泄漏與閃絡(luò)性故障。它的基本原理是:電纜故障點(diǎn)通過引入脈沖高壓或直流高壓信號進(jìn)行擊穿,放電電壓脈沖將在測量端與故障點(diǎn)之間進(jìn)行往返,通過觀察往返一次的時(shí)間可以準(zhǔn)確地對故障進(jìn)行預(yù)定位。值得注意的高阻與閃絡(luò)性故障在脈沖電壓法并不會(huì)燒穿,而是通過產(chǎn)生于故障點(diǎn)擊穿瞬時(shí)的脈沖信號來直接預(yù)定位,故該方法有測試過程比較簡化并且測試速度快。
②脈沖電流法。
脈沖電流法利用線性電流耦合器測量電纜故障擊穿時(shí)產(chǎn)生的電流脈沖信號,該信號將在測量端與故障端進(jìn)行往返,測量往返一次所需時(shí)間即可對故障進(jìn)行測距。這種方法不僅成功磁耦合了儀器與高壓回路,不考慮串聯(lián)電阻與電感帶來的影響,并且簡化了接線過程,使傳感器耦合出的脈沖電流波形更容易被辨別。
③低壓脈沖反射法。
低壓脈沖反射法注入脈沖電壓信號到故障電纜測試端,入射電壓行波和反射電壓行波會(huì)有時(shí)間差,通過測量該時(shí)間差來進(jìn)行測距。簡單、直觀是使用低壓脈沖發(fā)射法進(jìn)行測試的一大優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)實(shí)工況中,電纜原始參數(shù)可能遭受了缺失,此時(shí),脈沖反射波能夠發(fā)揮出它的長處,將電纜接頭與分支點(diǎn)的位置輕易識別出來。
電纜中的低阻故障和開路故障常采用低壓脈沖法進(jìn)行測距。在測量電纜全長時(shí)應(yīng)用該方法可以得到比較具有良好的效果。但是,在電纜發(fā)生的是高阻或閃絡(luò)性故障時(shí),該方法就不太適用了。因?yàn)椴捎玫蛪好}沖法測試高阻故障或閃絡(luò)性故障時(shí)需先將故障點(diǎn)燒穿,然后才能得到較低的故障電阻。由于故障點(diǎn)燒穿的具有及其繁瑣的過程并且耗費(fèi)時(shí)間很長,需要配備經(jīng)驗(yàn)比較豐富的操作人員。
④二次脈沖法。
二次脈沖法是指向故障電纜釋放一個(gè)低壓脈沖(不大于20~160V),使故障電纜相對于低壓脈沖是開路。當(dāng)觀察到故障點(diǎn)的接地電阻大于電纜波阻抗5倍時(shí),可認(rèn)為開路情況達(dá)到了。此時(shí)在脈沖釋放端能夠接收到一個(gè)反射波形,該波形相當(dāng)于一個(gè)線芯絕緣良好電纜情況下的波形。然后再向故障電纜釋放一個(gè)高壓脈沖,使線芯絕緣故障點(diǎn)能夠發(fā)生閃絡(luò),為了使故障點(diǎn)相對于低壓脈沖是完全短路,需要同時(shí)觸發(fā)釋放第二個(gè)低壓脈沖,那么在故障點(diǎn)的電弧未熄滅時(shí),可以認(rèn)為在脈沖釋放端接收到一個(gè)的低壓脈沖反射波形,該波形相當(dāng)于一個(gè)線芯對地完全短路的波形。反射波形點(diǎn)的確定是通過兩個(gè)低壓脈沖反射波形在進(jìn)行疊加時(shí)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的發(fā)散點(diǎn)來進(jìn)行的。
低壓脈沖寬度可調(diào)、精度高是此方法的優(yōu)點(diǎn)。此外,在用該方法進(jìn)行測量故障點(diǎn)閃絡(luò)故障時(shí),可以避免強(qiáng)烈電磁干擾。不過,此方法存在著不少的不足之處,比如需要用到的儀器比較多,需要降低故障點(diǎn)電阻到很低值。此外,故障點(diǎn)擊穿時(shí)間在絕緣受潮嚴(yán)重時(shí)會(huì)變得比較長,從而導(dǎo)致了使用該方法的測試時(shí)間相應(yīng)增加。并且,由于故障點(diǎn)電阻需降低到很低,而能維持這個(gè)狀態(tài)的時(shí)間很難確定,所以在第二次施加低壓脈沖的有一定控制的難度,致使現(xiàn)實(shí)測試中成功率不高。
2.3 測尋故障電纜的敷設(shè)路徑
為了對直埋電纜進(jìn)行精確定點(diǎn),需要確定出故障電纜的敷設(shè)路徑與埋設(shè)深度。并且需要測尋電纜的敷設(shè)路徑以便繪制埋地電纜敷設(shè)路徑的圖紙。具體的測尋方法是向電纜中通入音頻信號電流,然后利用路徑接收機(jī)天線線圈接收此音頻信號。根據(jù)電纜正上方的電磁場變化規(guī)律確定電纜在地下的準(zhǔn)確敷設(shè)位置和深度。
2.4 故障精確定點(diǎn)
故障定點(diǎn)也就是確定故障點(diǎn)的精確位置,目前常用聲磁同步法與音頻感應(yīng)法。
(1)聲磁同步法。
由于磁信號和閃絡(luò)聲音信號在地面的傳播速度不同,這就引起了時(shí)間差。聲磁同步法是根據(jù)兩者的最小傳播時(shí)間差來定位故障的。磁信號以接近光速進(jìn)行傳播,但是閃絡(luò)聲音在接近聲速進(jìn)行傳播,不論哪種情況,閃絡(luò)聲的傳播要慢一些。當(dāng)處于故障點(diǎn)的正上方時(shí),時(shí)間差達(dá)到最小值。這種方法相對比單純的依靠耳機(jī)最大聲音,可靠性更加的高。由于閃絡(luò)最大聲處很難確定,尤其是在周圍環(huán)境復(fù)雜的地方,如遇到電纜本體內(nèi)閃絡(luò)、故障點(diǎn)附近有空腔共振或管線交叉的地方。這時(shí)放電聲在很大范圍內(nèi)都能聽見。有干擾的情形下使用這種方法存在一定的局限性。現(xiàn)場聲磁同步信號原理圖如圖1所示,越接近故障點(diǎn),聲音和磁信號的時(shí)間差就越小。
(2)音頻感應(yīng)法。
當(dāng)電網(wǎng)中的短路故障出現(xiàn)在電纜上并且電纜的接地電阻的阻值較低時(shí),故障處的放電聲音很微小,尤其是在金屬性接地故障點(diǎn)處,因無放電聲而無法進(jìn)行故障點(diǎn)定位。此時(shí),就要用音頻感應(yīng)法來對上述無法定位故障點(diǎn)的情況進(jìn)行故障點(diǎn)定位。音頻感應(yīng)法是將1kHz的音頻信號發(fā)生器發(fā)出的音頻電流信號注入待測電纜,使其發(fā)出電磁波。垂直或者水平地將接收線圈放置于地面上,并將接收線圈接收到的信號傳輸?shù)浇邮諜C(jī)進(jìn)行放大。地面上的磁場主要是在兩個(gè)通有電流的導(dǎo)體間產(chǎn)生的,并且隨著電纜的扭距的變化而變化。因此,當(dāng)探測器的探頭沿著電纜向故障點(diǎn)移動(dòng)時(shí),會(huì)聽到聲音有規(guī)則的變化。當(dāng)探測器的探頭到達(dá)故障點(diǎn)上方時(shí),聽到聲響會(huì)增強(qiáng),再從故障點(diǎn)繼續(xù)沿著電纜向前移動(dòng),音頻信號會(huì)明顯變?nèi)跎踔潦侵袛?。所以,在聲響明顯變強(qiáng)或中斷的點(diǎn)即是故障點(diǎn)。
綜上所述,無論是國內(nèi)還是國外的電纜故障檢測、故障定點(diǎn)方法(見圖2),均無法實(shí)現(xiàn)接地金屬性故障的準(zhǔn)確定點(diǎn),因此亟需找到一種新的能夠?qū)Ω邏弘娎|金屬性接地故障快速定點(diǎn)的方法。
3 ?故障點(diǎn)電流檢測法
高壓電纜金屬性接地故障快速定點(diǎn)檢測思路:在出現(xiàn)接地故障的高壓電纜一側(cè)施加高壓脈沖電流,通過檢測故障點(diǎn)前后形成的電磁波輻射脈沖的波形形狀與幅值,利用獨(dú)創(chuàng)的定位算法,對金屬性接地故障點(diǎn)進(jìn)行快速查找定位。具體實(shí)施步驟如下。
3.1 構(gòu)建故障快速定點(diǎn)檢測裝置系統(tǒng)架構(gòu)
實(shí)現(xiàn)重復(fù)脈沖法檢測裝置系統(tǒng)架構(gòu),通過自耦變壓器、高壓變壓器及高壓整流硅堆對電容器進(jìn)行充電,充電電壓約10kV左右,充好電的電容器通過間隙對故障電纜進(jìn)行間隔約3~5s的脈沖放電,放電形成的電磁波會(huì)在整條電纜上對外環(huán)形輻射。
3.2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化磁場測量傳感器參數(shù)
在出現(xiàn)接地故障的高壓電纜一側(cè)施加直流高壓脈沖電流,整條故障電纜上都會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的間斷電磁波輻射,對于電流所產(chǎn)生的磁場,用安培右手定則辨別通電導(dǎo)線的電流方向及其產(chǎn)生的磁場方向,從而設(shè)計(jì)磁場測量傳感器。
3.3 研究磁場信號接收與判別算法
故障點(diǎn)前后形成的電磁波輻射,無論是輻射波形幅度數(shù)值還是輻射波形的形狀都會(huì)發(fā)生變化,將電磁波的大小形成量化數(shù)值,利用安培右手定則,根據(jù)計(jì)算得到的電磁波方向和數(shù)值大小進(jìn)行判別電纜發(fā)生故障點(diǎn)的前后。
另外根據(jù)有無有規(guī)律的間斷電磁波,根據(jù)計(jì)算得到的電磁波方向和數(shù)值大小可以區(qū)別好電纜和故障電纜。
研究信號接收電路的屏蔽與濾波接收電路為去除干擾雜波,采取了硬件電路和軟件算法進(jìn)行特定頻率的濾波,以便精確結(jié)果判斷。
3.4 設(shè)計(jì)高速采樣系統(tǒng)
硬件系統(tǒng)包括采集模塊、供電模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等。采樣率定為125Ms/s。為了完整保存采樣信號,采集模塊的數(shù)據(jù)存儲容量為32MB。
4 ?結(jié)語
電纜一旦發(fā)生故障,故障點(diǎn)的尋找異常艱難,當(dāng)前電纜故障越來越頻繁,這需要花費(fèi)大量的人力物力,并且還可能承擔(dān)巨大的停電損失。所以,本文所提的故障點(diǎn)電流檢測法不僅能夠迅速查找并定位高壓電纜發(fā)生的高阻故障、閃絡(luò)故障、泄漏故障,還可準(zhǔn)確定位金屬性接地故障,這對于整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要的作用。
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