電流熱效應(yīng)在電纜故障點(diǎn)速查中的試驗(yàn)研究

摘 要:隨著我國(guó)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，城市中的電網(wǎng)普遍已采用電纜線路，特別是在大中型城市中電網(wǎng)線路電纜化趨勢(shì)發(fā)展的越來(lái)越快。近幾年，電纜也已經(jīng)由原來(lái)的油紙電纜改為了交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，而由于交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜具有的不穩(wěn)定性，電纜發(fā)生故障的機(jī)率也就大于油紙電纜。因?yàn)殡娎|一般都是深埋于地下，因此，在發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)的查找則是一大難題。本文將以低壓電纜故障點(diǎn)的查找為例，對(duì)電流熱效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)其在電纜故障點(diǎn)速查中的應(yīng)用與傳統(tǒng)查找方法在電纜故障點(diǎn)速查中的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞:電流熱效應(yīng) 閃絡(luò)法 電纜故障點(diǎn)速查 試驗(yàn) 應(yīng)用 對(duì)比分析

中圖分類號(hào):TM247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)08(a)-0019-02在改革開(kāi)放政策的影響下，我國(guó)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，城市中的電網(wǎng)已經(jīng)普遍采用了電纜線路，特別是在一些大中型城市中得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年，為提高輸電線路的傳輸效率和質(zhì)量，電纜也逐漸由原來(lái)的油紙電纜變?yōu)榱私宦?lián)聚乙烯絕緣電纜。雖然這大大提高了輸電線路的傳輸效率和質(zhì)量，但是電纜出現(xiàn)故障的機(jī)率相對(duì)于油紙電纜而言更高了，而且電纜在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障也是不能避免的。另外，為了保證供電安全以及不影響周邊的環(huán)境，所以電纜一般都被深埋于地下，相較于架空線路而言就具有了一定的優(yōu)勢(shì)。但是，隨之而來(lái)的新問(wèn)題又出現(xiàn)了，深埋于地下的電纜線一旦發(fā)生故障，對(duì)故障點(diǎn)的查找就成為了一個(gè)難點(diǎn)，如何才能快速準(zhǔn)確的查找出電纜的故障點(diǎn)，盡快的恢復(fù)供電是長(zhǎng)期困擾我們的問(wèn)題。傳統(tǒng)的查找方法是采用高壓沖擊的“閃絡(luò)法”來(lái)進(jìn)行故障的查找的。筆者結(jié)合自身從事電力行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電流熱效應(yīng)法更適合用于低壓電纜故障點(diǎn)的查找。下面我們將對(duì)電流熱效應(yīng)法進(jìn)行分析，并對(duì)該方法研究分析過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，同時(shí)將其與傳統(tǒng)查找法在電纜故障點(diǎn)查找中的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析，現(xiàn)總結(jié)如下。

1 關(guān)于電流熱效應(yīng)的概述

何謂電流熱效應(yīng)？生活中當(dāng)電飯鍋通電后能將水燒開(kāi)、將飯煮熟;燈泡發(fā)光一段時(shí)間過(guò)后會(huì)發(fā)燙，這些生活中所表現(xiàn)出來(lái)的一些現(xiàn)象即為電流熱效應(yīng)，這些家電在接通電源工作后，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量使其表面溫度升高，產(chǎn)生熱力作用之后，將熱量散發(fā)給物體，形成電流熱效應(yīng)。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)電流熱效應(yīng)即是電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量。下面我們將對(duì)該方面的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)電流熱效應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀察與探索之后，了解到電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的熱量的多少與電流的大小、電阻大小以及通電時(shí)間的長(zhǎng)短有著密切的關(guān)系，即熱量Q與電流I、電阻R、通電時(shí)間t三個(gè)因素之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中主要采用的是控制變量法，即改變?nèi)齻€(gè)因素的其中一個(gè)因素，然后觀察熱量Q的變化情況，確定電流熱效應(yīng)的效果。在這個(gè)過(guò)程中需要完成三個(gè)主要步驟以及觀察各值的變化:(1)改變電流I的大小，保持電阻R與通電時(shí)間t不變，然后觀察熱量Q的變化情況，當(dāng)電流I值較大時(shí)，熱量Q值會(huì)相應(yīng)的提高。當(dāng)電流I值較小時(shí)，熱量Q值會(huì)相應(yīng)的降低。因此，隨著電流I值的變化，Q值會(huì)相應(yīng)的形成正比的提高或降低;(2)改變電阻R的大小，保持電流I以及通電時(shí)間t不變，然后觀察熱量Q的變化情況。當(dāng)電阻R值較大時(shí)，熱量Q值會(huì)相應(yīng)的提高。當(dāng)電阻R值較小時(shí)，熱量Q值會(huì)相應(yīng)的降低。因此，隨著電阻R值的變化，Q值會(huì)相應(yīng)的形成正比的提高或降低;(3)改變通電時(shí)間t，保持電流I以及電阻R的大小不變，然后觀察熱量Q的變化情況。當(dāng)通電時(shí)間t值較大時(shí)，熱量Q值會(huì)相應(yīng)的提高。當(dāng)通電時(shí)間t值較小時(shí)，熱量Q值會(huì)相應(yīng)的降低。因此，隨著通電時(shí)間t值的變化，Q值會(huì)相應(yīng)的形成正比的提高或降低。

從上述實(shí)驗(yàn)中可以看出，當(dāng)電流I與通電時(shí)間t一定時(shí)，電阻R的值越大，產(chǎn)生的熱量越多;當(dāng)電阻R與通電時(shí)間t一定時(shí)，電流I的值越大，產(chǎn)生的熱量越多;當(dāng)電阻R與電流I一定時(shí)，通電的時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量越多，電流熱效應(yīng)也就越明顯。由此可見(jiàn)，電阻產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，與電阻大小成正比，與通電時(shí)間的長(zhǎng)短成正比，即Q=I2Rt。該定律是由英國(guó)物理學(xué)家焦耳發(fā)現(xiàn)的，因此被命名為焦耳定律，即電流熱效應(yīng)。它適用于自然界一切電路中通電產(chǎn)生熱量的情況，因此，在輸電電纜中，由于其存在一定的電阻，且有電流通過(guò)，必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量，形成電流熱效應(yīng)。在電纜中查找故障點(diǎn)，就是采用上述步驟，確定熱量Q與電流I、電阻R、通電時(shí)間t三個(gè)因素之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的快速查找。

2 關(guān)于電纜故障類型的分析

對(duì)于電纜故障而言，由于電纜有高壓電纜與低壓電纜之分，因此，我們發(fā)現(xiàn)高壓電纜和低壓電纜的故障有許多不同之處。高壓電纜的故障一般都是以運(yùn)行故障為主，而且大多數(shù)是高阻故障，高阻故障又分為泄漏和閃絡(luò)兩大類型。而低壓電纜故障常見(jiàn)的有接地故障、短路故障以及斷路故障三種，這三種常見(jiàn)的電纜故障類型具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)一相或多相接地;(2)二相線間短路;(3)相線間完全短路;(4)一相斷線或多相斷線。

我們所談到的電流熱效應(yīng)法進(jìn)行電纜故障的速查主要也是查找低壓電纜的故障。因此，對(duì)低壓電纜在運(yùn)行中所具有的特點(diǎn)進(jìn)行分析是非常必須的，其在實(shí)際使用過(guò)程中低壓電纜與高壓電纜對(duì)比具有以下特點(diǎn):(1)敷設(shè)的隨意性較大，路徑敷設(shè)不清楚，顯得電纜線路的混亂;(2)相對(duì)于高壓電纜而言，其敷設(shè)中埋深較淺，容易受到外力的作用而發(fā)生故障;(3)低壓電纜一般較短，幾十米到幾百米不等，而高壓電纜一般在幾百米到幾公里，對(duì)電纜故障的檢查產(chǎn)生了一定的阻力;(4)低壓電纜的絕緣強(qiáng)度要求較低，處理故障接頭時(shí)工藝也較簡(jiǎn)單;相反，高壓電力對(duì)于絕緣強(qiáng)度的要求較高，處理故障接頭時(shí)的工藝要求較為復(fù)雜;(5)無(wú)論是低壓電纜還是高壓電纜，電纜故障點(diǎn)都有十分明顯的燒焦現(xiàn)象;(6)低壓電纜由于所帶負(fù)載的變化較大，而且相間常常出現(xiàn)不平衡的情況，容易發(fā)熱，從而導(dǎo)致電纜發(fā)生故障的情況就很常見(jiàn)了;高壓電纜由于負(fù)載的變化較小，相間相對(duì)較為平衡且不容易發(fā)熱，發(fā)生故障的情況較少，但若發(fā)生電力故障，維修的工序也就更為復(fù)雜。

3 電流熱效應(yīng)法速查電纜故障點(diǎn)的試驗(yàn)研究

(1)首先用三用表測(cè)量出故障的相電阻大小，若是相電阻小于1000Ω的電纜可以直接采用“低壓電流熱效應(yīng)法”進(jìn)行故障點(diǎn)的查找。其接線如圖1所示:

將隔離變壓器與220V電源相接，并將輸出端接一個(gè)刀閘K后與1kW左右的電爐或電燈串聯(lián)，然后再接到電纜的故障處。當(dāng)電路中接通220V電源后，由于此時(shí)故障點(diǎn)處于低阻的狀態(tài)，所以電爐或電燈將被點(diǎn)亮，這時(shí)，若是電纜發(fā)生了故障，則故障處會(huì)出現(xiàn)電流熱效應(yīng)現(xiàn)象。根據(jù)焦耳-楞次定律可知，通電導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量Q為:Q=0.24I2Rt，根據(jù)這一原理，若是電纜發(fā)生了故障，而在故障相中通4A左右的電流的話，由于電流的熱效應(yīng)，很快電纜故障點(diǎn)的絕緣介質(zhì)就會(huì)發(fā)熱并產(chǎn)生大量的煙霧，因此，檢測(cè)人員只要采用目測(cè)的方法即可發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。在該檢測(cè)過(guò)程中，需要注意的是工作人員應(yīng)在合上開(kāi)關(guān)K前沿電纜的走向分開(kāi)，以不離開(kāi)兩人之間的視線為準(zhǔn)，從而才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜的故障點(diǎn)。另外，檢測(cè)過(guò)程中還可以根據(jù)基爾霍夫電流定律:i入=i出進(jìn)行檢測(cè)，主要的操作步驟就是在通電過(guò)程中用鉗形電流表測(cè)出電流最小的點(diǎn)，該點(diǎn)即為電纜的故障點(diǎn)。采用該方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了確保工作人員的人身安全，測(cè)量過(guò)程中應(yīng)穿絕緣鞋、戴絕緣手套。

(2)對(duì)于高阻故障及相間短路故障而言，由于電纜呈現(xiàn)的是高阻狀態(tài)，故障點(diǎn)的電阻較高，而低于220V的電流就無(wú)法通過(guò)，所以電流熱效應(yīng)法就無(wú)法直接采用，但是我們可以先采用高壓脈沖法將故障點(diǎn)的絕緣介質(zhì)炭化，然后再采用低壓電流熱效應(yīng)法進(jìn)行故障點(diǎn)的查找。其接線如圖2所示:

該方法中所使用到的儀器有30kV、3kW升壓器一臺(tái)，6.3kV、0.5mF左右的電力電容器一臺(tái)，兆歐表、三用表各一只。該檢測(cè)方法的基本原理為:因?yàn)殡娎|呈現(xiàn)高阻的狀態(tài)，故障點(diǎn)的阻抗較高，因此，低壓220V電流無(wú)法通過(guò)，不能直接采用低壓電流熱效應(yīng)法。因此，高壓脈沖法即是利用高壓瞬時(shí)充、放電技術(shù)，對(duì)電纜的故障相進(jìn)行反復(fù)的充、放電操作，從而導(dǎo)致故障點(diǎn)的絕緣介質(zhì)逐漸的炭化，轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，最后再利用低壓電流熱效應(yīng)法進(jìn)行故障點(diǎn)的查找。具體的操作方法為:首先用兆歐表測(cè)出故障相，為工作人員電纜故障速查提供參考;然后將放電棒的一端接上電容器，另一端做成可以在電容和電纜故障之間切換的充、放電開(kāi)關(guān)，以便于工作人員操作;再將升壓器的輸出電壓調(diào)至3kV左右，該電壓可以根據(jù)電纜絕緣情況以及電纜電壓的等級(jí)進(jìn)行改變，讓其經(jīng)過(guò)半波整流后向0.5mF的電容器進(jìn)行充電，在充電完成的瞬間立即對(duì)故障相放電，在這樣反復(fù)進(jìn)行幾次充、放電，直到聽(tīng)到放電的“啪啪”聲增大，故障點(diǎn)絕緣介質(zhì)炭化、擊穿為止，這時(shí)故障點(diǎn)則呈現(xiàn)為低阻的狀態(tài);最后，用三用表測(cè)量其對(duì)地電阻約為1000Ω以下后，則可以采用低壓電流熱效應(yīng)法進(jìn)行電纜故障點(diǎn)的速查了。

4 電流熱效應(yīng)與傳統(tǒng)查找法在電纜故障查找中的對(duì)比分析

4.1 電纜故障點(diǎn)的初步測(cè)距

傳統(tǒng)的電纜故障點(diǎn)測(cè)距方法有電橋法、電容電流法。電橋法是以雙臂電橋測(cè)出電纜芯線的直流電阻值，然后按照電纜的長(zhǎng)度與電阻的正比例關(guān)系計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。該方法主要適用于電纜芯線短路故障或低阻故障。電流電容法主要是分別在電纜首端和末端測(cè)出每芯線與斷線芯線的比容之比，從而判斷出故障點(diǎn)的距離。而該方法適用于電纜芯線斷線故障或是高阻故障。這兩種方法雖然都比較簡(jiǎn)單，但是需要預(yù)先知道故障電纜的準(zhǔn)確長(zhǎng)度，還需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，而且受到儀器儀表的影響也比較大。而低壓電流熱效應(yīng)法則不需要對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確的初步測(cè)距，即可直接按照電纜的長(zhǎng)度與電阻的正比例關(guān)系計(jì)算出故障點(diǎn)的距離，以及在電纜首端和末端測(cè)出每芯線與斷線芯線的比容之比，電流熱效應(yīng)在電纜故障點(diǎn)檢查中，可實(shí)現(xiàn)高速度、高效率的速查。

4.2 電纜故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位

在電纜故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位中，傳統(tǒng)的方法都是采用音頻信號(hào)法，即利用高壓電容反復(fù)進(jìn)行充、放電，將電纜故障點(diǎn)擊穿，然后在故障點(diǎn)的大致范圍內(nèi)應(yīng)用耳機(jī)接收音頻信號(hào)，從而判斷出故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。而該方法對(duì)環(huán)境的要求較高，在接收音頻信號(hào)的過(guò)程中若是環(huán)境過(guò)于嘈雜就會(huì)對(duì)其造成影響。而筆者在前面提出了高阻狀態(tài)下低壓電流熱效應(yīng)法的使用，它可以避免嘈雜的環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，在電纜故障點(diǎn)被擊穿后即可采用低壓電流熱效應(yīng)法對(duì)電纜中的故障點(diǎn)進(jìn)行精確的定位。即電流熱效應(yīng)無(wú)視環(huán)境因素的影響，直接精確定位電纜中的故障點(diǎn)。而且電流熱效應(yīng)法是讓工作人員經(jīng)過(guò)目測(cè)，對(duì)電纜的故障點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，降低了勞動(dòng)的強(qiáng)度，提高了工作人員的工作效率，周圍的環(huán)境對(duì)其影響不大。

5 結(jié)語(yǔ)

電流熱效應(yīng)法在電纜故障中的應(yīng)用主要是利用了焦耳定律以及楞次定律，根據(jù)電纜故障點(diǎn)在通電的情況下會(huì)產(chǎn)生大量熱量的原理，判斷電纜中故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。電流熱效應(yīng)法主要適用于懸掛式、直埋式的高壓及低壓電力電纜、控制電纜等各種故障的查找。但是在高阻故障中，電流熱效應(yīng)法不能直接查找到電纜的故障點(diǎn)，而需要采用高壓瞬時(shí)充、放電技術(shù)，將故障點(diǎn)的絕緣介質(zhì)炭化或是擊穿，然后才能利用電流熱效應(yīng)法進(jìn)行故障點(diǎn)的查找。筆者利用電流熱效應(yīng)法在實(shí)際電纜故障點(diǎn)的速查中進(jìn)行了多次試驗(yàn)，很多次都在很短時(shí)間內(nèi)找到了電纜的故障點(diǎn)。在此對(duì)該方法進(jìn)行一個(gè)總結(jié)分析，希望對(duì)電纜故障點(diǎn)的查找工作具有一定的借鑒作用。

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