電力電纜診斷檢測技術綜述

姜峰

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

【關鍵詞】：電力電纜；診斷；檢測技術

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體對地或其中幾相導體對地或不同相導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)性試驗證明其中一相或者其中數(shù)相導體不連續(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閃絡故障

低電壓運行時絕緣狀態(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)運行一段時間后，電纜出現(xiàn)瞬時擊穿現(xiàn)象稱為閃絡故障。常見類型有單相閃絡，兩相閃絡、三相閃絡。

2、電力電纜診斷檢測技術

2.1經典電橋法

經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阻抗臂。如圖1，電橋電路四個臂的阻抗分別為R1、R2、R3和R4，調節(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以經典電橋法診斷電力電纜故障原理示意

通常認為電纜阻抗與其長度成正比，設被監(jiān)測電纜長度為L0，其近端與故障點間相距Lx，則有：

（2）

求解式（2），可得到電纜近端與故障點間的距離為：

（3）

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

2.2時域行波反射法

時域行波反射法通過監(jiān)測電纜的阻抗變化來確定故障點。這種方法的工作原理類似于雷達，需要在被監(jiān)測電纜的近端注入一個快速脈沖信號，其在電纜中傳輸，電纜故障點阻抗的變化，會導致傳輸信號抖動，繼而會產生一個反射信號。反射信號的正負及大小，取決于故障點阻抗與電纜特征阻抗間的關系。通過比較原脈沖信號與反射信號的關系，可確定故障點位置和故障的嚴重程度。具體地，表征故障點特征的參數(shù)定義為：

（4）

式中zd為電纜故障點的阻抗；z0是電纜的特征阻抗。

ρ的最大值為1，對應電纜開路；最小值為-1，對應電纜短路；若等于0，表明電纜無故障。ρ的具體量值大小，反映被監(jiān)測電纜故障點處故障的嚴重程度。不同類型的故障，以時域行波反射法得到的反射波形會不同。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以時域行波反射法得到的常見故障判定波形

采用時域波形反射法，發(fā)射信號與反射信號的時間差為Δt，對應于行波從發(fā)射處至故障點往返一次的時間間隔，故以這種方法可計算出電纜中的故障點到監(jiān)測脈沖信號發(fā)射點的距離，即：

（5）

式中v為所使用行波脈沖信號的傳播速度。

2.3恢復電壓法

恢復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，所產生的恢復電壓隨時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，首先給被測電纜充電，即在一定時間（約15min）內給被測電纜施加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，測量其開路電壓即恢復電壓。

圖3恢復電壓法的工作原理示意

采用恢復電壓法時，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電壓；Umax（U0）是施加U0充電得到的最大恢復電壓。一般地，D的值在2.0-2.5時，表明被監(jiān)測電纜的工作狀態(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)測電纜老化嚴重，已該檢修或更換。

2.4局部放電法

（1）實現(xiàn)脈沖電流法的線性耦合器

檢測局部放電電流的脈沖電流法，是目前唯一有國際標準IEC60270可依的局部放電檢測方法。實施它時，要采用線性耦合器采集電纜電流行波信號，可實現(xiàn)測量儀器與高壓回路之間的耦合，操作簡單方便，且檢測分辨率較高。

（2）實現(xiàn)聲學檢測法的聲學探測器

電纜發(fā)生局部放電時，電能瞬間得到釋放，隨即將在電纜中產生機械波。因此，電纜上的局部放電，在一定程度上可看作聲波源。如此，利用聲學探測儀器檢測提取所產生的聲波特征，便可得到電纜故障的信息。聲學信號屬機械波，長距離測量衰減嚴重，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。

（3）超高頻天線

在被測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，其頻帶通常在百MHz到GHz量級。超高頻天線可檢測頻率很高的信號，能有效避開低頻噪聲干擾，具有較高的檢測靈敏度。

（4）鉑電極對

在電纜絕緣接線盒兩側的護套上各貼一對鉑電極，就可采集電纜局部放電信號并校驗脈沖輸入。當局部放電在一側發(fā)生時，另一側電纜作為耦合電容，可將局部放電脈沖轉化為電壓信號，再經過放大就便于監(jiān)測了。

（5）耦合傳感器

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

結語

由于社會的不斷發(fā)展，使得我國的電纜技術也在逐漸變化和進步，很多新涌現(xiàn)出的技術開始逐步應用到實際領域當中。不過顯然，相關的各類技術并不能攻克全部電纜故障問題，應該在實際的處理當中，利用相對精確度高一些的故障距離檢測方式，以便在縮短維修故障時間的同時，讓其產生的危害影響最小化。

【參考文獻】：

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[2]袁剛，戴庭勇.當前電力電纜故障探測及運行維護的探討[J].中國新技術新產品，2013（22）：16-18.