电力电缆故障原因分析及探测方法探讨.docx

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电力电缆故障原因分析及探测方法探讨

电力电缆故障原因分析及探测方法探讨

山西神头第二发电厂：

郭红红　李辉

摘要：

本文主要针对电力电缆的常见故障，从结构设计，人为因素，运行环境等方面进行分析，并提出快速、准确、方便地判断和查找故障的方法。

关键词：

电力电缆故障　原因分析　探测方法　探讨

引言

电力电缆作为电力系统的重要设备，它的安全运行具有重要意义。

一旦发生故障它直接影响着机组的安全稳定运行，同时，也可能引发火灾事故，扩大事故范围，导致全厂停电。

尤其是在多雨、潮湿的夏季，电缆最容易受潮，从而导致电缆故障的发生。

通过神头二电厂的五起电缆接地故障和两起电缆断相故障（12输备变电缆C相，#2输煤变电缆A相，#2防冻变电缆A相，在进行直流耐压时击穿）的查找。

总结出一种能够快速、准确、方便地查找电缆接地故障和断相故障的方法，快速排除电缆故障，将会给予机组安全、稳定运行以强有力的支援。

1　形成电缆故障的原因分析

致使电缆发生故障的原因是多方面的，现将常见的几种主要原因归纳如下：

1.1　机械损伤导致电缆故障。

很多故障是由于电缆安装时不小心造成的机械损伤或安装后靠近电缆路径作业造成的机械损伤而直接引起的。

有时如果损伤轻微，在几个月甚至几年后损伤部位的破坏才发展到铠甲铅皮穿孔，潮气侵入而导致损伤部位彻底崩溃形成电缆接地、相间短路等故障。

1.2　电缆外皮受电腐蚀导致电缆故障。

如果电力电缆埋设在附近有强力地下电场的地面（如大型行车、电力机车轨道附近），往往出现电缆外皮铅包电腐蚀至穿的现象，导致潮气侵入，绝缘降低发展为电缆绝缘破坏现象。

1.3　化学腐蚀导致电缆故障。

电缆路径在有酸碱作业的地区通过，或煤气站的苯蒸汽往往造成电缆铠甲和铅包大面积长距离被腐蚀。

1.4　地面下沉导致电缆故障。

此现象往往发生在电缆穿越公路、铁路及高大建筑物时，由于地面的下沉而使电缆垂直受力形变。

导致电缆铠甲、铅包破裂甚至折断而造成电缆接地、相间短路和断相等类型的故障。

1.5　电缆绝缘物的流失导致电缆故障。

电缆敷设时地沟凸凹不平，或处在电杆上的户外头，由于电缆的起伏，高低落差悬殊，高处的电缆油流向低处而使高处电缆绝缘性能下降，导致电缆绝缘击穿故障发生。

1.6　长期过负荷运行导致电缆故障。

由于过负荷运行，电缆的温度会随之升高，尤其在炎热的夏季，电缆的温升常常导致电缆薄弱处和对接头处首先被击穿。

在夏季和秋季，此类电缆的故障率较高。

1.7　震动破坏导致电缆故障。

铁路轨道下运行的电缆，由于剧烈的震动导致电缆外皮产生弹性疲劳而破裂，形成故障。

1.8　环境潮湿导致电缆故障

由于电缆长期在潮湿的环境中运行导致电缆绝缘层受潮，电缆绝缘性能降低，电缆绝缘层长期受电化腐蚀的作用引发电缆接地或相间短路。

特别是有中间接头的电缆长期在潮湿的环境中运行很容易使水蒸汽进入接头内部，引发电缆接地或相间短路。

1.9　电缆接头制作工艺不当导致的电缆故障

在潮湿的气候条件下作电缆接头，使接头封装物内混入水蒸气而耐不住试验电压往往形成闪络性故障。

或者，在制作电缆中接头时，由于压接工艺不当或压接质量不高，导致接头在运行中发热，使电缆绝缘逐渐老化引起电缆接地、相间短路或断相等故障。

或者，在制作电缆中接头时，由于接头封装物填充工艺不当，使接头不能良好密封，电缆受潮引发电缆接地或相间短路。

1.10　电缆制造质量差导致的电缆故障

综上所述，导致电缆故障的原因很多，但概括起来主要有三种：

即恶劣运行环境所致、施工和检修工艺质量差所致和电缆本身质量差所致。

不管哪种原因所致，在正常运行中总是在所难免的。

因此，快速准确判断电缆故障，及时处理缺陷，恢复正常运行，也是我们探讨和研究的对象。

2　电缆故障查寻常用方法及原理分析：

2.1　小电缆接地故障的粗测法：

电缆故障的粗测方法有很多，以下主要介绍神头二电厂常用测故障的电阻电桥法、电容电桥法、特别是电感冲闪法。

．

2.1.1　电阻电桥法：

它主要是利用电阻的大小跟电缆的长度成正比，利用电桥原理测出故障相电缆的端部与故障点之间的电阻大小，并将它与无故障相做比较，近而确定故障点距离其端部的原理进行的。

其测量接线原理图

（1）

电阻电桥法原理接线图

（1）

当电缆呈断路性质时，由于直流电桥测量臂未能构成直流通路，所以，采用电阻电桥法将无法测量出故障距离，只有采用电容电桥法或其它方法来测试．其测量接线原理如图

（2）

电容电桥法原理接线图

（2）

2.1.2电感冲闪法

电电感冲闪法原理接线图（3）

电感冲闪法的实测波形图（4）

（a）电感冲闪时在测量端用闪测仪观察到的闪络全过程

（b）将（a）图扩展后观察到的回波脉冲

工作原理：

电源接上以后，整流器对电容C充电。

当充电电压高到一定数值时，球间隙被击穿，电容器C上的电压通过球间隙的短路电弧和一小电感L直接加到电缆的测量端。

这个冲击电波沿电缆向故障点传播。

只要电压的峰值足够高足够大，故障点就会因电离而放电（注：

因为欲使故障点闪络放电，不但需要足够高的电压，还需要一定的电压持续时间）。

故障点放电所产生的短路电弧使沿电缆送去的电压波反射回去。

因此，电压波就在电缆端头和故障点之间来回反射。

为了使反射波不至于被测试端并联的大电容短路，在电缆和球隙之间串联一电感线圈L（几微亨到几十微亨）组成电感微分电路。

因为电感对突变电压有较大的阻抗，有了它，就可以借助于闪测仪观察到来回反射的电压波形。

如下图所示，从波形中可以看出电缆里衰减的余弦振荡及叠加在余弦振荡上的快变化尖脉冲。

对波形中的慢变化的衰减余弦振荡可以这样解释：

故障点放电所形成的短路电弧使电缆相当于一根短路线，球间隙击穿瞬时就是充电电容器C对短路线放电的过程。

由于短路线可等效成一个电感，因而它们相当于一电容充放电振荡回路。

考虑到回路损耗，得到的就是一个衰减的余弦振荡。

如上图（a）所示。

球间隙放电后形成的短路电弧将电容器上的电压通过电感L加到电缆测量端，这是一个负的冲击电压。

由于电感L和传播过程中电压积累时间的影响，加到故障点的电压有一个渐变过程，如下图（b）中的虚线①所示。

因为故障点放电要有一定的高压，而且故障点电离还要有一定的迟延时间，所以冲击电压的前一段将越过故障点而向终端传播过去。

当电压积累到一定时候，故障点放电，放电形成的短路电弧将冲击电压的后面部分反射回测试端，其反射波形成如下图（b）中的阶跃曲线②所示（为分析方便起见，近似为正向阶跃电压）。

回波快速脉冲形成过程图（5a）

回波快速脉冲形成过程图（5b）

（a）求U1的等效电路

（b）波形图

这个反射的正向阶跃电压U1＋向电缆测量端传播，称为第一入射波。

当它传到测量端时，将在测量端产生电压U1。

根据传输线理论，电压u1可由上图（a）等效电路求得。

为了便于分析，先暂不考虑电缆损耗，图中Z0是电缆的特性阻抗。

由于电容器C的容量较大，在研究测量端的反射时可暂且近似为短路。

这样，上图（a）就形成了一个时常数t＝L/Z0的微分电路。

因此u1＋在测量端得到的电压u1是一个尖顶的微分脉冲。

U1的起点较u2开始闪络的时间滞后了电波从故障点到测量端传播所需的时间T/2。

U1在测量端还会被反射。

反射波电压u1－等于u1和u1＋之差。

U1－到达故障点后又会被故障点的短路电弧反射，然后又传到测量端，成为第二入射波，以u2＋表示。

U2＋较u1－滞后了电波在测量端到故障点之前往返所需的时间T，而极性相反。

同理，用上图（a）的等效电路可以的到u2＋在才测量端所产生的电压u2。

我们实际观察到的是u1＋u2＋…。

由于电容器C上的电压不能保持不变，随着电容器C上负压的减小，波形应向上升。

此外，传播损耗和电弧反射的不完全也会使波形的突变部分变得比较圆滑。

考虑到上述因素，实际波形为如上图（a）、（b）所示余弦衰减振荡波形。

因为故障点的延迟放电时间△T随具条件的变化而变化，是随机量，所以测量故障点的位置只能用u1和u2两个波形的起点时间差，而不能用u1滞后于开始加冲击电压的时间差T＋△T。

电感冲闪法的巨大优点在于几乎能适应任何类型的故障。

大量实践证明，电感冲闪法是对付那些被人们用别的方法测不出来而被称之为最顽固的故障的最强有力手段。

2.2电缆接地故障的精确定点

2.2.1冲击放电声测法

利用定点仪寻测故障点，一般是在闪测仪粗测后，已确定大概的距离，并且电缆路径已探测完毕的基础上进行的．一方面在电缆上加冲击高压使其闪络放电，另一方面用定点仪的探头在概略估计的故障位置上沿电缆路径测听．在听到故障点放电后还要沿电缆路径寻测最大发声处．只要照到最响点，一般就是故障点．其接线如图（6）

冲击放电声测法接线原理图（6）

2.2.2　音频法

音频法定点是基于电缆两芯线里流动的电流产生的磁通的相位差和故障点前后磁通变化的规律发展起来的．

然而，在现场应用音频法感应接收定点也是不容易的，因为有许多可变的因素．所以并不常用．

2.3　电缆断线故障测试方法

其测试原理是同种规格的电缆芯线的对地电容与长度成正比例，采用交流差动电桥法测量两相电缆对地电容比值，从而确定故障点。

其接线原理如下图所示：

图（7）

RK同上AO为断路的一相电缆

BO为完好的一相电缆

当电桥平衡时RK：

（1-RK）=Cx/（CL+CY）=Lx/（2L-Lx）

Lx=RK×2L已知

调节RK电阻，当耳机中的噪音为最小时，此时的RK值即为所需的电阻值。

3　实际应用

二00一年七月份就发生了三起电缆故障：

12输备变电缆C相，#2输煤变电缆A相，#2防冻变电缆A相，在进行直流耐压时击穿。

特便是#12输备变电缆比较长，利用一般的方法进行故障点查寻时，所得结果误差较大，但利用电感冲闪法进行电缆故障的粗测。

而后，利用音频法进行电缆故障的精确定点，仅仅用了五个小时就找出了故障点。

其探测过程如下，#12输备变电缆电缆C相在进行直流耐压试验过程中击穿以后就马上进行了绝缘电阻的测试，测得该故障相绝缘电阻为2MΩ，属于高阻接地型故障。

由于#2输煤变有缺陷，而#12输备变如果不在短期内投入运行，将严重影响我厂输煤系统的安全稳定运行，近而影响我厂双机稳定运行。

因为上述电缆故障的探寻方法还处于理论阶段，没有进行过实际的应用，为了更稳妥、更可靠的找出电缆故障点，我们还是利用了以前进行电缆故障探测所用的电阻电桥法进行测试。

但用电阻电桥法进行探测的一个前提条件就是电缆故障必须是低阻接地型故障。

所以，我们对故障点采用了“烧穿”法，使高阻接地故障变为低阻接地故障。

但由于现在的电缆绝缘物一般为多种组分混合以后的聚合物，“烧穿”后，其绝缘物一小部分会炭化，大部分会熔化为糊状液体，过不了多长时间，熔化了的绝缘物会固化，其绝缘又会恢复性升高。

导致探测工作进度缓慢。

最后决定使用已有理论基础且具备探测条件的上面所述的探测法进行#12输备变电缆电缆A相故障点的定位工作。

利用电感冲闪法进行电缆的粗测，故障点为距离配电室124米处。

实际故障点为距离配电室124.3米处。

经分析及现场勘测后认为，原因为电缆受潮，绝缘进水所至。

随后又利用该方法在短时间内成功的进行了#2输煤变电缆A相，#2防冻变电缆A相故障点的定位工作。

二零零三年八月

#2保安变电缆A相在作直流耐压试验时，当电压升至7.5KV时发生击穿。

利用上述电缆接地故障探测方法进行了故障点的定位工作，仅仅用了两个小时就在距配电室36米处找到了故障点的准确位置。

同期，我们还利用上面所介绍的电缆断线故障测试方法成功地为我厂自备煤矿白芦煤矿排除了一起电缆断线故障。

其具体过程如下：

二零零三年九月份，我厂自备煤矿白芦煤矿由于电缆故障使其皮带电机停运，生产活动被迫中断。

要求我们为其查找电缆故障点。

当我们到达以后，马上进行了电缆故障性质的确定工作。

通过进行电缆的绝缘测试和综合评估后，认为此次电缆故障为一起控制电缆的断线故障。

于是马上利用上面所介绍的电缆断线故障测试方法进行了电缆故障点的定位工作。

测试数据显示，此电缆故障的故障点位于距测试侧电缆头32米处。

实地检查后发现此电缆故障点位于距测试侧电缆头31.96米处，测试误差相当小，测试所用时间总计还不到2个小时。

高效地为生产单位解决了燃眉之急，将经济损失减少到最小。

二零零四年三月份

发生了两起电缆故障（#12输备变电缆A相、12CM04～12DH03B制氢站用电缆）其中#12输备变为接地故障，而12CM04～12DH03B制氢站用电缆为断线故障。

我们运用以上所介绍的方法进行了故障点的精确定位工作，#12输备变电缆A相的故障点定位所用时间还不到三个小时，由于运用此法熟练程度的提高，比此电缆第一次测试所用时间缩短了两个小时以上。

而12CM04～12DH03B制氢站用电缆断线故障点定位时间也不到两个小时.实践证明利用此法进行电缆故障点的查寻，既方便又快捷，是一种行之有效的电缆故障点准确定位的好方法。

4　结论

在电缆故障测寻时，借助现代化的仪器和设备，便可准确迅速地确定故障点的精确位置，为故障的迅速处理，尽快恢复送电赢得宝贵的时间。

但是如果测寻不得法，则可能导致设备的损坏和故障的扩大，给电厂带来不必要的损失，给测寻工作增添麻烦。

测寻中应注意的几个问题是：

4.1　用冲击放电声定点时（包括测距）应特别注意电缆的耐压等级。

一般情况下，冲击电压的幅度不应超过正常运行电压的3.5倍，即10kV电缆所加电压不应超过35kV。

6kV电缆应不超过21kV。

4.2　精确定点是电缆故障寻测的主要矛盾。

定点顺利时可在1－2h内结束，而不顺利时，有时可能几个小时甚至几天都确定不下来，尤其是封闭性故障和定点时周围环境特别吵闹时，都会使定点工作感到极难。

这时定点人员往往表现出比较急躁。

越是遇到这样的情况，越是需要冷静，否则会把问题越搞越复杂，越搞越糟