高壓電力電纜故障分析及探測技術

電力電纜具有供電安全、可靠,適宜煤礦井下特殊環(huán)境而在礦山得到了廣泛應用。常用高壓電力電纜主要有紙絕緣繞包型、交聯(lián)聚乙烯絕緣擠包型及橡膠絕緣擠包型等。井下電纜運行環(huán)境相對比較惡劣,生產(chǎn)負荷不均勻性等綜合外界因素,致使電纜容易發(fā)生故障,影響供電安全、可靠。正確分析電纜故障產(chǎn)生的原因,了解電纜敷設環(huán)境,確切判斷出電纜故障性質,選擇合適的探測方法,快速、準確地判定出故障點,能夠提高供電可靠性,減少故障修復費用及停電損失。

1 電纜故障分析

1.1 故障原因

(1) 機械損傷

機械損傷引起的電纜故障占電纜事故很大比例。安裝時碰傷電纜、機械牽引力過大而拉傷電纜及過度彎曲而損傷電纜;直接受外力損壞以及自然現(xiàn)象造成的損傷,如車輛擠壓、巖石冒落砸傷、環(huán)境腐蝕等,易造成電纜本體故障。

(2)絕緣受潮主要是中間接頭、終端接頭安裝工藝不良造成密封失效而導致潮氣侵入,破壞絕緣性能。

(3)絕緣老化變質電纜絕緣介質內部氣隙在電場作用下產(chǎn)生游離使絕緣下降;過熱也會引起絕緣層老化變質造成絕緣下降。

(4)過電壓大氣過電壓與操作過電壓、故障暫態(tài)過電壓作用使電纜絕緣擊穿形成故障。

(5)設計和制造工藝不良中間接頭和終端接頭的防潮、電場分布設計不完善、材料選用不當、制作工藝不良、不按操作規(guī)程要求制作等,都會造成電纜頭絕緣故障。

(6)材料缺陷電纜本身絕緣層材料缺陷;包纏絕緣層過程中,絕緣層上出現(xiàn)褶皺、裂損、破口和重疊間隙等缺陷;電纜接頭附件制造缺陷,不符合規(guī)程或組裝時不密封等;對絕緣材料維護管理不善,造成電纜絕緣層受潮、臟污和老化。

1.2 故障性質

電纜故障從形式上可分為串聯(lián)與并聯(lián)故障。串聯(lián)故障指電纜一個或多個導體斷開;并聯(lián)故障是指導體對外絕緣層或導體之間的絕緣下降,不能承受正常運行電壓?，F(xiàn)場實際故障形式有許多種組合,運行經(jīng)驗統(tǒng)計,高壓電纜故障大部分是單相對地絕緣下降引起故障。電纜故障等效電路如圖1所示。

根據(jù)故障電阻Rf與擊穿間隙G,電纜故障性質分為開路、低阻、高阻與閃絡性故障。開路故障Rf≈∞,擊穿間隙G在直流或高壓脈沖作用下?lián)舸?。低阻故障Rf一般小于100Ω,可用高壓脈沖擊穿;高阻故障絕緣電阻Rf一般大于400Ω,可用高壓脈沖擊穿。閃絡性故障絕緣電阻Rf≈∞,可用直流高壓或高壓脈沖擊穿。預防性試驗中發(fā)生的故障多屬閃絡性故障?，F(xiàn)場還有一種封閉性故障,多發(fā)生于電纜接頭和電纜外護套無明顯破損痕跡的電纜本體,在某一試驗電壓下絕緣擊穿,待絕緣恢復,擊穿現(xiàn)象便消失,但不能維持正常運行電壓。

2 電纜故障探測

2.1故障探測步驟

電纜故障探測一般要經(jīng)過判斷、測距、定點3個步驟。

(1)電纜故障性質判斷

應初步了解電纜敷設、故障及修復情況、故障發(fā)生地點及排除經(jīng)過、電纜規(guī)格、絕緣方式、接頭形式、絕緣種類、接頭的精確位置、周圍環(huán)境情況以及運行、校驗情況,包括試驗電壓、時間、泄漏電流及絕緣電阻數(shù)值、歷史故障記錄等。這些情況對確定故障類型與嚴重程度是十分重要的。現(xiàn)場可根據(jù)故障發(fā)生時出現(xiàn)的各種信號指示、跳閘范圍等現(xiàn)象,初步判斷故障性質。利用兆歐表測量電纜絕緣電阻值,短路放電火花大小判斷絕緣狀況,用萬用表進行導通試驗,判定故障電阻是高阻還是低阻;閃絡性還是封閉性故障;是接地、短路、斷線,還是組合型故障;是單相、兩相還是三相故障。統(tǒng)計煤礦井下電纜故障情況,高阻及閃絡性故障占總數(shù)的95%之多,一般多為相間或相對地高阻或低阻故障,而泄漏性高阻最為常見,且絕大多數(shù)故障集中表現(xiàn)在各種電纜頭上。

(2)電纜故障測距

根據(jù)電纜故障性質和電纜敷設狀況,現(xiàn)場常用行波法進行故障測距,即在電纜一端使用測試儀器確定故障距離。低阻、短路、斷路故障采用低壓脈沖反射法,通過觀察故障點反射脈沖與發(fā)射脈沖的時間差測距。通過識別反射脈沖的極性,判定故障的性質及計算故障點距離。斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同,短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。高阻與閃絡性故障應用脈沖電壓法和脈沖電流法,使用測試儀器使電纜故障在直流高壓或脈沖高壓信號作用下?lián)舸?儀器測試故障擊穿產(chǎn)生的瞬間脈沖信號,通過觀察放電電壓脈沖在觀察點與故障點之間往返一次的時間測距。脈沖電流法與脈沖電壓法區(qū)別在于:脈沖電流法是通過線性電流耦合器測量電纜故障擊穿時產(chǎn)生的電流脈沖信號;脈沖電壓法是通過電容、電阻、電感分壓器測量電壓脈沖信號,儀器與高壓回路有電的耦合。井下常用電壓脈沖法測試故障電纜,其接線原理如圖2所示。

該測試方法適用于泄漏性高阻故障及閃絡性高阻故障。圖中已充電的大容量電容器作為大功率直流電源,通過球隙擊穿短路將電壓加到故障電纜使故障點閃絡放電形成瞬間短路,球間隙擊穿后,由閃測儀記錄脈沖波形并進行復雜的數(shù)學處理,計算出故障點距離。根據(jù)電纜型號及故障性質,調節(jié)球間隙間距使電纜承受的最高沖擊電壓為電纜耐壓值的3~5倍,使故障點充分放電。

(3)故障定點

電纜故障定點常用方法有沖擊放電聲測法、音頻感應法、聲磁同步檢測等。煤礦井下電纜裸露懸掛較多,現(xiàn)場采用沖擊放電聲測法定點比較直觀、簡單、方便。即利用閃測儀初步計算出故障點距離,判斷出故障點大概位置,利用故障點瞬間沖擊閃絡放電與球間隙擊穿放電同步的原理進行故障定點。故障點擊穿放電,產(chǎn)生較強的機械振動,便聽到“啪”“啪”聲音,利用這種現(xiàn)象在井下便可十分準確地進行故障定位。

2.2故障探測注意事項

(1)脈沖電壓法使用電阻、電容分壓器進行電壓取樣,與高壓回路有電氣連接,按照操作規(guī)程進行接線與拆線操作。裝置使用完畢拆線前一定要用放電棒進行充分放電。

(2)儲能電容對高頻行波信號呈短路狀態(tài),應選用脈沖電容器,也可使用6 kV電力電容器,容量為1~4μF。

(3)嚴格按要求接線,高壓發(fā)生器接地線與電容出線連接在一起接電纜外皮,盡量縮短電容與電纜之間的連線,高壓設備、電容器外殼、電纜完好線芯一定要與接地網(wǎng)相連。

(4)調整球間隙,使通過球間隙加到電纜上的電壓超過故障點臨界擊穿電壓,故障點通過電弧短路擊穿,有利于提高故障點放電產(chǎn)生的地震波強度,便于查找故障點。

(5)球間隙放電時間間隔取2~6 s,放電太快,易損壞控制設備,太慢不易區(qū)別外界干擾。(6)沖擊放電時,若接地不良,可能在電纜護層與接地部分之間有放電現(xiàn)象而誤判斷,特別在電纜裸出部分的金屬部位,應仔細認真辨別真正故障點,故障點聲音較響,且還會有振動、并伴有局部溫升。

(7)輸出引線與端子、電纜芯線要可靠接觸,否則沖擊放電時產(chǎn)生電弧,影響測量效果。