電流熱效應在電纜故障點速查中的試驗研究

摘 要:隨著我國電力工業的不斷發展，城市中的電網普遍已采用電纜線路，特別是在大中型城市中電網線路電纜化趨勢發展的越來越快。近幾年，電纜也已經由原來的油紙電纜改為了交聯聚乙烯絕緣電纜，而由于交聯聚乙烯絕緣電纜具有的不穩定性，電纜發生故障的機率也就大于油紙電纜。因為電纜一般都是深埋于地下，因此，在發生故障時，故障點的查找則是一大難題。本文將以低壓電纜故障點的查找為例，對電流熱效應進行試驗研究，并對其在電纜故障點速查中的應用與傳統查找方法在電纜故障點速查中的應用進行對比分析。

關鍵詞:電流熱效應 閃絡法 電纜故障點速查 試驗 應用 對比分析

中圖分類號:TM247文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(a)-0019-02在改革開放政策的影響下，我國電力工業的不斷發展，城市中的電網已經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用。近幾年，為提高輸電線路的傳輸效率和質量，電纜也逐漸由原來的油紙電纜變為了交聯聚乙烯絕緣電纜。雖然這大大提高了輸電線路的傳輸效率和質量，但是電纜出現故障的機率相對于油紙電纜而言更高了，而且電纜在使用過程中出現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勢。但是，隨之而來的新問題又出現了，深埋于地下的電纜線一旦發生故障，對故障點的查找就成為了一個難點，如何才能快速準確的查找出電纜的故障點，盡快的恢復供電是長期困擾我們的問題。傳統的查找方法是采用高壓沖擊的“閃絡法”來進行故障的查找的。筆者結合自身從事電力行業的經驗，通過實驗進行分析，發現電流熱效應法更適合用于低壓電纜故障點的查找。下面我們將對電流熱效應法進行分析，并對該方法研究分析過程進行簡要的闡述，同時將其與傳統查找法在電纜故障點查找中的應用進行對比分析，現總結如下。

1 關于電流熱效應的概述

何謂電流熱效應？生活中當電飯鍋通電后能將水燒開、將飯煮熟;燈泡發光一段時間過后會發燙，這些生活中所表現出來的一些現象即為電流熱效應，這些家電在接通電源工作后，都會產生相應的熱量使其表面溫度升高，產生熱力作用之后，將熱量散發給物體，形成電流熱效應。經過研究發現電流熱效應即是電流通過導體時產生的熱量。下面我們將對該方面的問題進行實驗探究，對電流熱效應進行簡要分析。

在經過長期的觀察與探索之后，了解到電流通過導體時所產生的熱量的多少與電流的大小、電阻大小以及通電時間的長短有著密切的關系，即熱量Q與電流I、電阻R、通電時間t三個因素之間的關系。實驗研究過程中主要采用的是控制變量法，即改變三個因素的其中一個因素，然后觀察熱量Q的變化情況，確定電流熱效應的效果。在這個過程中需要完成三個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與通電時間t不變，然后觀察熱量Q的變化情況，當電流I值較大時，熱量Q值會相應的提高。當電流I值較小時，熱量Q值會相應的降低。因此，隨著電流I值的變化，Q值會相應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以及通電時間t不變，然后觀察熱量Q的變化情況。當電阻R值較大時，熱量Q值會相應的提高。當電阻R值較小時，熱量Q值會相應的降低。因此，隨著電阻R值的變化，Q值會相應的形成正比的提高或降低;(3)改變通電時間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。當通電時間t值較大時，熱量Q值會相應的提高。當通電時間t值較小時，熱量Q值會相應的降低。因此，隨著通電時間t值的變化，Q值會相應的形成正比的提高或降低。

從上述實驗中可以看出，當電流I與通電時間t一定時，電阻R的值越大，產生的熱量越多;當電阻R與通電時間t一定時，電流I的值越大，產生的熱量越多;當電阻R與電流I一定時，通電的時間越長，產生的熱量越多，電流熱效應也就越明顯。由此可見，電阻產生的熱量與電流的平方成正比，與電阻大小成正比，與通電時間的長短成正比，即Q=I2Rt。該定律是由英國物理學家焦耳發現的，因此被命名為焦耳定律，即電流熱效應。它適用于自然界一切電路中通電產生熱量的情況，因此，在輸電電纜中，由于其存在一定的電阻，且有電流通過，必然會產生相應的熱量，形成電流熱效應。在電纜中查找故障點，就是采用上述步驟，確定熱量Q與電流I、電阻R、通電時間t三個因素之間的關系，實現故障點的快速查找。

2 關于電纜故障類型的分析

對于電纜故障而言，由于電纜有高壓電纜與低壓電纜之分，因此，我們發現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行故障為主，而且大多數是高阻故障，高阻故障又分為泄漏和閃絡兩大類型。而低壓電纜故障常見的有接地故障、短路故障以及斷路故障三種，這三種常見的電纜故障類型具體表現在以下幾個方面:(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法進行電纜故障的速查主要也是查找低壓電纜的故障。因此，對低壓電纜在運行中所具有的特點進行分析是非常必須的，其在實際使用過程中低壓電纜與高壓電纜對比具有以下特點:(1)敷設的隨意性較大，路徑敷設不清楚，顯得電纜線路的混亂;(2)相對于高壓電纜而言，其敷設中埋深較淺，容易受到外力的作用而發生故障;(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，對電纜故障的檢查產生了一定的阻力;(4)低壓電纜的絕緣強度要求較低，處理故障接頭時工藝也較簡單;相反，高壓電力對于絕緣強度的要求較高，處理故障接頭時的工藝要求較為復雜;(5)無論是低壓電纜還是高壓電纜，電纜故障點都有十分明顯的燒焦現象;(6)低壓電纜由于所帶負載的變化較大，而且相間常常出現不平衡的情況，容易發熱，從而導致電纜發生故障的情況就很常見了;高壓電纜由于負載的變化較小，相間相對較為平衡且不容易發熱，發生故障的情況較少，但若發生電力故障，維修的工序也就更為復雜。

3 電流熱效應法速查電纜故障點的試驗研究

(1)首先用三用表測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“低壓電流熱效應法”進行故障點的查找。其接線如圖1所示:

將隔離變壓器與220V電源相接，并將輸出端接一個刀閘K后與1kW左右的電爐或電燈串聯，然后再接到電纜的故障處。當電路中接通220V電源后，由于此時故障點處于低阻的狀態，所以電爐或電燈將被點亮，這時，若是電纜發生了故障，則故障處會出現電流熱效應現象。根據焦耳-楞次定律可知，通電導體中產生的熱量Q為:Q=0.24I2Rt，根據這一原理，若是電纜發生了故障，而在故障相中通4A左右的電流的話，由于電流的熱效應，很快電纜故障點的絕緣介質就會發熱并產生大量的煙霧，因此，檢測人員只要采用目測的方法即可發現故障點。在該檢測過程中，需要注意的是工作人員應在合上開關K前沿電纜的走向分開，以不離開兩人之間的視線為準，從而才能及時發現電纜的故障點。另外，檢測過程中還可以根據基爾霍夫電流定律:i入=i出進行檢測，主要的操作步驟就是在通電過程中用鉗形電流表測出電流最小的點，該點即為電纜的故障點。采用該方法進行測量時，為了確保工作人員的人身安全，測量過程中應穿絕緣鞋、戴絕緣手套。

(2)對于高阻故障及相間短路故障而言，由于電纜呈現的是高阻狀態，故障點的電阻較高，而低于220V的電流就無法通過，所以電流熱效應法就無法直接采用，但是我們可以先采用高壓脈沖法將故障點的絕緣介質炭化，然后再采用低壓電流熱效應法進行故障點的查找。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，6.3kV、0.5mF左右的電力電容器一臺，兆歐表、三用表各一只。該檢測方法的基本原理為:因為電纜呈現高阻的狀態，故障點的阻抗較高，因此，低壓220V電流無法通過，不能直接采用低壓電流熱效應法。因此，高壓脈沖法即是利用高壓瞬時充、放電技術，對電纜的故障相進行反復的充、放電操作，從而導致故障點的絕緣介質逐漸的炭化，轉變為低阻狀態，最后再利用低壓電流熱效應法進行故障點的查找。具體的操作方法為:首先用兆歐表測出故障相，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、放電開關，以便于工作人員操作;再將升壓器的輸出電壓調至3kV左右，該電壓可以根據電纜絕緣情況以及電纜電壓的等級進行改變，讓其經過半波整流后向0.5mF的電容器進行充電，在充電完成的瞬間立即對故障相放電，在這樣反復進行幾次充、放電，直到聽到放電的“啪啪”聲增大，故障點絕緣介質炭化、擊穿為止，這時故障點則呈現為低阻的狀態;最后，用三用表測量其對地電阻約為1000Ω以下后，則可以采用低壓電流熱效應法進行電纜故障點的速查了。

4 電流熱效應與傳統查找法在電纜故障查找中的對比分析

4.1 電纜故障點的初步測距

傳統的電纜故障點測距方法有電橋法、電容電流法。電橋法是以雙臂電橋測出電纜芯線的直流電阻值，然后按照電纜的長度與電阻的正比例關系計算出故障點的距離。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出每芯線與斷線芯線的比容之比，從而判斷出故障點的距離。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單，但是需要預先知道故障電纜的準確長度，還需要經過復雜的計算過程，而且受到儀器儀表的影響也比較大。而低壓電流熱效應法則不需要對故障點進行精確的初步測距，即可直接按照電纜的長度與電阻的正比例關系計算出故障點的距離，以及在電纜首端和末端測出每芯線與斷線芯線的比容之比，電流熱效應在電纜故障點檢查中，可實現高速度、高效率的速查。

4.2 電纜故障點的準確定位

在電纜故障點的準確定位中，傳統的方法都是采用音頻信號法，即利用高壓電容反復進行充、放電，將電纜故障點擊穿，然后在故障點的大致范圍內應用耳機接收音頻信號，從而判斷出故障點的準確位置。而該方法對環境的要求較高，在接收音頻信號的過程中若是環境過于嘈雜就會對其造成影響。而筆者在前面提出了高阻狀態下低壓電流熱效應法的使用，它可以避免嘈雜的環境對檢測結果的影響，在電纜故障點被擊穿后即可采用低壓電流熱效應法對電纜中的故障點進行精確的定位。即電流熱效應無視環境因素的影響，直接精確定位電纜中的故障點。而且電流熱效應法是讓工作人員經過目測，對電纜的故障點進行測定，降低了勞動的強度，提高了工作人員的工作效率，周圍的環境對其影響不大。

5 結語

電流熱效應法在電纜故障中的應用主要是利用了焦耳定律以及楞次定律，根據電纜故障點在通電的情況下會產生大量熱量的原理，判斷電纜中故障點的準確位置。電流熱效應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，電流熱效應法不能直接查找到電纜的故障點，而需要采用高壓瞬時充、放電技術，將故障點的絕緣介質炭化或是擊穿，然后才能利用電流熱效應法進行故障點的查找。筆者利用電流熱效應法在實際電纜故障點的速查中進行了多次試驗，很多次都在很短時間內找到了電纜的故障點。在此對該方法進行一個總結分析，希望對電纜故障點的查找工作具有一定的借鑒作用。

參考文獻

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