電力電纜診斷檢測(cè)技術(shù)綜述

姜峰

【摘要】：電力電纜能夠長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行于電力系統(tǒng)且其隱蔽耐用的特點(diǎn)利于美化城市，因此電纜供電在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的引用。但隨著電纜運(yùn)行年限的延長(zhǎng)以及用戶用電負(fù)荷的逐年增加，各種原因引起的電纜故障也越來越頻繁。由于電纜線路鋪設(shè)的隱蔽性及測(cè)試設(shè)備的局限性，一旦發(fā)生故障，尋找起來十分麻煩，往往需要花費(fèi)大量時(shí)間以及人力物力。因此電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)及狀態(tài)檢修被學(xué)者提出并開始應(yīng)用于電力電纜的運(yùn)行維護(hù)中。

【關(guān)鍵詞】：電力電纜；診斷；檢測(cè)技術(shù)

1、電力電纜故障類型

1.1低阻接地或短路故障

電纜線路中其中一相導(dǎo)體對(duì)地或其中幾相導(dǎo)體對(duì)地或不同相導(dǎo)體之間的絕緣電阻值小于正常值較多，即電阻值低于10Zc（Zc為電力電纜波阻抗），但是導(dǎo)體連續(xù)性良好。常見類型有單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路接地故障、三相短路接地故障等。

1.2高阻接地或短路故障

與低電阻接地或短路故障相似，但區(qū)別在于接地或短路的電阻大于10Zc而相導(dǎo)體連接良好。常見類型有單相接地故障、兩相接地故障、兩相短路接地故障、三相短路接地故障等。

1.3開路故障

電力電纜不同相導(dǎo)體的絕緣電阻雖然符合規(guī)定，但是通過電纜的連續(xù)性試驗(yàn)證明其中一相或者其中數(shù)相導(dǎo)體不連續(xù)，或盡管還未斷開但是工作電壓不能傳輸?shù)浇K端，或終端有電壓存在但其負(fù)載能力較差。常見類型有單相斷線故障、兩相斷線故障、三相斷線故障。

1.4閃絡(luò)故障

低電壓運(yùn)行時(shí)絕緣狀態(tài)良好，但電壓升高到一定值或在某一較高電壓狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，電纜出現(xiàn)瞬時(shí)擊穿現(xiàn)象稱為閃絡(luò)故障。常見類型有單相閃絡(luò)，兩相閃絡(luò)、三相閃絡(luò)。

2、電力電纜診斷檢測(cè)技術(shù)

2.1經(jīng)典電橋法

經(jīng)典電橋法用于電力電纜故障診斷和定位，其基本原理如圖1所示。電力電纜終端故障相與非故障相短接，并將故障相和非故障相分別作為電橋電路的兩個(gè)阻抗臂。如圖1，電橋電路四個(gè)臂的阻抗分別為R1、R2、R3和R4，調(diào)節(jié)R2使電橋平衡，便有：

（1）

式中R1和R2的電阻值確切已知。

圖1以經(jīng)典電橋法診斷電力電纜故障原理示意

通常認(rèn)為電纜阻抗與其長(zhǎng)度成正比，設(shè)被監(jiān)測(cè)電纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，其近端與故障點(diǎn)間相距Lx，則有：

（2）

求解式（2），可得到電纜近端與故障點(diǎn)間的距離為：

（3）

施電橋法的電橋又具體細(xì)分為低阻電橋、高阻電橋和電容電橋，分別用于對(duì)電力電纜的短路（低阻）故障、高阻故障和開路故障的監(jiān)測(cè)。

2.2時(shí)域行波反射法

時(shí)域行波反射法通過監(jiān)測(cè)電纜的阻抗變化來確定故障點(diǎn)。這種方法的工作原理類似于雷達(dá)，需要在被監(jiān)測(cè)電纜的近端注入一個(gè)快速脈沖信號(hào)，其在電纜中傳輸，電纜故障點(diǎn)阻抗的變化，會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)抖動(dòng)，繼而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射信號(hào)。反射信號(hào)的正負(fù)及大小，取決于故障點(diǎn)阻抗與電纜特征阻抗間的關(guān)系。通過比較原脈沖信號(hào)與反射信號(hào)的關(guān)系，可確定故障點(diǎn)位置和故障的嚴(yán)重程度。具體地，表征故障點(diǎn)特征的參數(shù)定義為：

（4）

式中zd為電纜故障點(diǎn)的阻抗；z0是電纜的特征阻抗。

ρ的最大值為1，對(duì)應(yīng)電纜開路；最小值為-1，對(duì)應(yīng)電纜短路；若等于0，表明電纜無故障。ρ的具體量值大小，反映被監(jiān)測(cè)電纜故障點(diǎn)處故障的嚴(yán)重程度。不同類型的故障，以時(shí)域行波反射法得到的反射波形會(huì)不同。圖2以波形的方式給出了若干種常見故障的判定依據(jù)。

圖2以時(shí)域行波反射法得到的常見故障判定波形

采用時(shí)域波形反射法，發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)的時(shí)間差為Δt，對(duì)應(yīng)于行波從發(fā)射處至故障點(diǎn)往返一次的時(shí)間間隔，故以這種方法可計(jì)算出電纜中的故障點(diǎn)到監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)發(fā)射點(diǎn)的距離，即：

（5）

式中v為所使用行波脈沖信號(hào)的傳播速度。

2.3恢復(fù)電壓法

恢復(fù)電壓法基于如下考慮：電力電纜在施加一定直流電壓并放電后，所產(chǎn)生的恢復(fù)電壓隨時(shí)間的變化中包含有電纜老化和潛在故障的信息。該方法的工作原理如圖3所示，首先給被測(cè)電纜充電，即在一定時(shí)間（約15min）內(nèi)給被測(cè)電纜施加1kV-2kV的直流高電壓充電，之后，借助接地電阻使該電力電纜放電2s-5s，測(cè)量其開路電壓即恢復(fù)電壓。

圖3恢復(fù)電壓法的工作原理示意

采用恢復(fù)電壓法時(shí)，一般定義電纜的老化系數(shù)為：

（6）

式中Umax（2U0）為給電纜施加2U0

電壓充電下得到的最大恢復(fù)電壓；Umax（U0）是施加U0充電得到的最大恢復(fù)電壓。一般地，D的值在2.0-2.5時(shí)，表明被監(jiān)測(cè)電纜的工作狀態(tài)良好；D在2.5-3.0，其工作狀態(tài)一般；D大于3.0后，即意味著被監(jiān)測(cè)電纜老化嚴(yán)重，已該檢修或更換。

2.4局部放電法

（1）實(shí)現(xiàn)脈沖電流法的線性耦合器

檢測(cè)局部放電電流的脈沖電流法，是目前唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60270可依的局部放電檢測(cè)方法。實(shí)施它時(shí)，要采用線性耦合器采集電纜電流行波信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器與高壓回路之間的耦合，操作簡(jiǎn)單方便，且檢測(cè)分辨率較高。

（2）實(shí)現(xiàn)聲學(xué)檢測(cè)法的聲學(xué)探測(cè)器

電纜發(fā)生局部放電時(shí)，電能瞬間得到釋放，隨即將在電纜中產(chǎn)生機(jī)械波。因此，電纜上的局部放電，在一定程度上可看作聲波源。如此，利用聲學(xué)探測(cè)儀器檢測(cè)提取所產(chǎn)生的聲波特征，便可得到電纜故障的信息。聲學(xué)信號(hào)屬機(jī)械波，長(zhǎng)距離測(cè)量衰減嚴(yán)重，故這種傳感器系統(tǒng)更適于近距離如電纜接頭故障的檢測(cè)。

（3）超高頻天線

在被測(cè)電纜的中間接頭或終端接頭處放置超頻天線，它可耦合電纜的局部放電電磁波信號(hào)，其頻帶通常在百M(fèi)Hz到GHz量級(jí)。超高頻天線可檢測(cè)頻率很高的信號(hào)，能有效避開低頻噪聲干擾，具有較高的檢測(cè)靈敏度。

（4）鉑電極對(duì)

在電纜絕緣接線盒兩側(cè)的護(hù)套上各貼一對(duì)鉑電極，就可采集電纜局部放電信號(hào)并校驗(yàn)脈沖輸入。當(dāng)局部放電在一側(cè)發(fā)生時(shí)，另一側(cè)電纜作為耦合電容，可將局部放電脈沖轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過放大就便于監(jiān)測(cè)了。

（5）耦合傳感器

耦合傳感器可通過電容傳感器、方向傳感器等實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的耦合。耦合信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化，可用于判斷被測(cè)電纜局部放電信號(hào)的傳播方

結(jié)語(yǔ)

由于社會(huì)的不斷發(fā)展，使得我國(guó)的電纜技術(shù)也在逐漸變化和進(jìn)步，很多新涌現(xiàn)出的技術(shù)開始逐步應(yīng)用到實(shí)際領(lǐng)域當(dāng)中。不過顯然，相關(guān)的各類技術(shù)并不能攻克全部電纜故障問題，應(yīng)該在實(shí)際的處理當(dāng)中，利用相對(duì)精確度高一些的故障距離檢測(cè)方式，以便在縮短維修故障時(shí)間的同時(shí)，讓其產(chǎn)生的危害影響最小化。

【參考文獻(xiàn)】：

[1]曹維國(guó)，趙江，韓旭.淺談電力電纜絕緣性試驗(yàn)[J].科技視界，2016（03）：32-34.

[2]袁剛，戴庭勇.當(dāng)前電力電纜故障探測(cè)及運(yùn)行維護(hù)的探討[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（22）：16-18.