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电力电缆故障探测培训教程-高压闪络法(2)
时间: 2020-05-06 11:17 浏览次数:
电缆故障学习教程
电力电缆故障探测培训教程-高压闪络法(2)

电缆故障学习教程

前面我们对高压闪络法做了简单的分析说明,下面就测试理论部分做简单分析:
      一、 高压脉冲电流法(也叫高压闪络法-电流取样)介绍
       电缆的高阻泄漏性故障与高阻闪络性故障,由于故障点电阻较大(大于10倍的电缆特性阻抗),低压脉冲在故障点没有明显的反射(反射脉冲幅度小于5%),故不能用低压脉冲反射法测距。
       高压脉冲电流法,是将电缆故障点用高电压击穿,使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号,通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一趟的时间来计算故障距离。脉冲电流法采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号。
      
图1    冲击高压闪络测试的接线示意图 
     图1是冲击高压闪络测试的接线示意图,电流耦合器L放置在储能电容C接电缆外皮的接地引线旁。L实际上是一个空心线圈,与地线中电流产生的磁场相匝链。设时间t2与t1时电流分别为i2与i1,t1小于t2但接近t2,根据电磁感应定律求出线圈的输出电压:
             V=K(i2-i1)/(t2-t1)=KΔi/Δt 
    其中参数K是一取决于线圈匝数、形状及与地线相对位置的常数,电流变化量:
Δi=i2-i1,时间变化量:Δt=t2-t1。通过计算公式说明,线性电流耦合器的输出电压与地线电流的变化率成正比,而不是与地线中电流本身成正比。
             图2 a.地线中的电流  b. 电流取样合器的输出
    图2给出了地线中的电流与对应的电流取样器的输出,可以看出电流取样器在地线中电流开始上升时,输出是一个尖脉冲,而在地线中电流趋于平稳后,输出为零。因此,在故障点击穿产生的电流行波到达后,线性电流耦合器输出一脉冲信号,可以从电流耦合取样器有无脉冲信号输出,判断测量点是否有电流行波出现。
与脉冲电压法使用电阻、电容分压器进行电压取样不同,脉冲电流法使用的电流耦合取样器平行地放置在低压侧地线旁,与高压回路无直接的电气连接,对记录仪器与操作人员来说,特别安全、方便。
    实际测试中,电流取样器有采用空心线圈的,放置在地线旁边,优点是方便,缺点是放置的位置,远近影响成采集脉冲波形的大小。也有采用高频磁芯的电流取样器,直接串接在地线中, 优点是采集波形稳定,缺点是接线稍微比空心线圈的复杂一些。图3是几种电流取样耦合器的外型图:
           
           图3a 感应式空心线圈取样器   b  高频磁芯串接式取样器
    图4是高频磁芯串接式取样器与高压脉冲电容器的连接图,图中,将取样器与放电间隙直接与脉冲电容器连接,简化了高压接线,高压脉冲波形比较正规容易识别,本培训教程中的实测波形,大都是用这种取样方式取得的。
   
图4  串接式取样器连接示意图
   二、 冲击高压闪络测试法(简称 冲闪法)
      1、冲闪法 应用范围:
       在故障点电阻不很高时,因直流泄漏电流较大,电压几乎全降到了高压试验设备的内阻上去了,电缆上电压很小,故障点形不成闪络,必须使用冲击高压闪络测试法,简称冲闪法。冲闪法亦适用于测试大部分闪络性故障。当然,由于直闪法波形相对简单,容易获得较准确的结果,有使用条件时,应尽量使用直闪法测试。
       在实际的现场测试工作中,符合直闪法使用条件的机会很少,我们一般都是在电压脉冲测试完毕后,直接用冲闪法测试 。
      2. 冲闪法接线:
      冲闪法接法如图5所示,它与直闪法接线基本相同,不同的是在储能电容C与电缆之间串入一球形间隙G。首先,通过调节调压升压器对电容C充电,当电容C上电压足够高时,球形间隙G击穿,电容C对电缆放电,这一过程相当于把直流电源电压突然加到电缆上去。
图5    冲闪法测试接线(感应式取样器)
        图6是一款电缆故障闪络测试仪说明书中,使用串接式电流取样器时,冲闪法接线图:
图6      电流取样冲闪法接线图(取样器串接)
   从图5、图6看,接线基本相同,就是取样器接线方法不同。还有,就是图6没有标示大功率限流电阻R以及毫安表。 实际测试工作中,由于使用的交直流试验变压器过负荷能力高,控制操作箱低压测也有电流表显示,所以限流电阻、毫安表大都可以不接进行冲闪法测试。
      3、故障点击穿与否的判断
      冲闪法的一个关键是判断故障点是否击穿放电。一些经验不足的测试人员往往认为,只要球间隙放电了,故障点就击穿了,显然这种想法是不正确的。
       球间隙击穿与否与间隙距离及所加电压幅值有关,距离越大,间隙击穿所需电压越高,通过球间隙加到电缆上的电压越高。而电缆故障点能否击穿取决于故障点电压是否超过临界击穿电压,如果球间隙调整较小,电缆上得到的冲击高压小于故障点击穿电压,故障点就不会出现击穿。
      除了根据仪器记录波形判断故障点是否击穿之外,还可通过以下现象来判断故障点是否击穿:
      (1) 电缆故障点没击穿时,一般球间隙放电声嘶哑,不清脆,而且火花较弱。而故障点击穿时,球间隙放电声清脆响亮,火花较大(这点需要有测试经验)。
     (2) 电缆故障点未击穿时,电流表摆动较小(一般低压测电流表小于5A),而故障点击穿时,电流表指针摆动范围较大(一般低压测电流表大于5A)。
     4. 故障点不击穿时的脉冲电流波形分析:
     图7给出了故障点不击穿时的冲闪测试行波传播网格图、电流波形以及电流取样耦合器的输出。

 
 图7     故障点不击穿时脉冲电流波形分析
     下面分析一下电流波形的产生过程。首先说明,球间隙放电后,即被电弧短路,储能电容相当于直流电源,对高频行波信号呈短路状态,电流波反射系数ρ=+1;而电缆远端开路,电流波反射系数ρ=-1。
      假设在t=0,电容上电压为-E时,球间隙击穿,产生沿电缆向前运动的电流波i0=-E/Z0,电流波在电缆远端产生负的反射波ρi0=-i0,返回测量端,远端反射电流波在测量端产生正的全反射,运动到远端后,又被倒相反射回来??,电流波将如此来回反射,直到能量全部消耗掉。把测量端所有电流行波相加后,可得到如图7.b所示的电流波形,图7.c对应的是电流取样耦合器输出。可见,故障点未击穿时,脉冲电流波形是交替变化极性的脉冲,相邻脉冲之间的距离对应电缆长度。
       需要说明的是,上面波形是基于对反射原理的描述,实际使用的测试仪器-闪测仪,标定的脉冲波形,有负脉冲触发、正脉冲触发之分,所以闪测仪显示的波形极性会完全相反。图7c波形是负脉冲触发波形,本系列培训教程中的现场测试波形,均是正脉冲触发波形,二者极性不同,读者分析波形时要注意区别。
       图8是我们的一款电缆故障闪测仪说明书中,对故障点不击穿放电时波形以及说明:  
图8   闪测仪描述的的故障点不放电波形 
     4. 故障点直接击穿的脉冲电流波形:
      在高压设备通过球间隙加到电缆上的高压信号幅值大于故障点临界击穿电压时,电压波穿过故障点一定时间后,故障点电离,击穿放电,这种情况叫高压脉冲直接击穿。
 图9   故障点直接击穿的脉冲电流波形分析
      如图9.a行波网格图所示,球间隙击穿后,高电压波-E沿电缆向前运动,相应的电流波为i0=-E/Z0,经时间τ后,高电压波到达故障点,故障点开始电离,在经放电延时td后,击穿放电。电压从-E突跳到0,产生如直闪法击穿类似的行波过程,相应的电流波形与电流取样耦合器的输出分别见图9.b与9.c 。
      脉冲电流波形的第一个脉冲是球间隙击穿时电容对电缆放电引起的,第二个脉冲则是由故障点传来的故障点放电电流脉冲,以及在测量点反射脉冲迭加的结果,幅值是故障点放电电流脉冲的两倍,即为2E/Z0(考虑传播损耗,实际值要小),以后的脉冲则是电流行波在故障点与测量点之间来回反射造成的。波形上第二个负脉冲与第三个负脉冲之间的时间差Δt=2τ,对应于电流脉冲在故障点与测量点之间往返一次所需的时间,可用来计算故障点与测量点间的距离。
       需要注意,不要把电容对电缆的放电脉冲与故障点放电脉冲的时间差,即波形上第一个与第二个负脉冲之间的时间,误认为是脉冲在故障点与测量点往返一次的时间2τ,由图8看出,它比2τ多出了放电延时时间td,而td是不确定的,它与施加到故障点上的电压、故障点破坏程度、电缆绝缘材料等因素有关。
       也就是说,图9c中,第一个波形与第二个波形之间,时间差稍微大一些,第二个波形与第三个波形之间,测试数据相对准确。 实际测试工作中,有时反射波形比较复杂时,对波形分析原理不是非常熟悉时,我们就直接分析后面有规律的反射波形,可以不管前面的自己不会分析的波形。
        除了故障点不击穿波形,故障点正常击穿波形,实际测试工作中,还有近端故障测试波形,故障点二次击穿波形 ,详见电缆故障测试仪使用说明书第八章。
        三、直流高压闪络测试法(直闪法)
    高压闪络法,按测试方法分为直闪法、冲闪法,下面介绍直闪法 
    1. 直闪法应用范围
    直流高压闪络测试法(简称直闪法)用于测量闪络击穿性故障,即故障点电阻极高,在用高压试验设备把电压升到一定值时就产生闪络击穿的故障。
    据统计,能用直闪法测量的电缆故障,约占电缆故障总数的不到20%,在预防性试验中出现的电缆故障多属于该类故障。直闪法获得的波形简单、容易理解。而一些故障点在几次闪络放电之后,往往造成故障点电阻下降,以致不能再用直闪法测试,故实际工作中应珍惜能够进行直闪测试的机会。
    2. 接线
    直闪法接线如图5所示,T1为调压器、T2为高压试验变压器,容量在1~5千伏安之间,输出电压在10~50千伏之间;C为储能电容器;L为线电流取样耦合器。电流取样耦合器L的输出经屏蔽电缆接测距仪器(闪测仪)的输入端子。注意:一般感应式电流取样耦合器L的正面标有放置方向,应将电流耦合器按标示的方向放置,否则,输出的波形极性会不正确。
                          图10   直闪法测试接线
    储能电容C对高频行波信号呈短路状态,在故障点击穿产生的电压、电流行波到达后,起产生电流信号的作用,脉冲电容器,也可使用6千伏-40千伏(根据电缆电压等级确定)的电力电容器,电容容量宜选在1~8微法。实际测试中,应尽可能使电容容量大一些,这有助于使故障点充分放电,获得的脉冲电流波形规范,容易识别。
     在实际测试中,往往出现因接线或电流取样耦合器L放置不当而造成的波形不规范,不容易识别故障点距离。应严格按图10接线,把高压发生器接地线与电容器
低压侧出线连接在一起后接电缆的外皮。图11是一种不正确的接线方法,操作人员往往图方便,把电容低压侧出线接在接地网上,通过接地网与电缆外皮相接。行波经过接地网传播,可能因传输距离较长,造成脉冲电流波形不规范。应尽量缩短电容与电缆之间的连线,以避免因导引线过长造成波形失真。电流取样耦合器L应放在
电容器低压侧出线上。
                          图11   不正确的接地
    为安全起见,高压设备、电容器的外壳、电缆的完好线芯一定要就近接电站的接地网。
    图10是相对地故障的接线,对于相对相故障来说,可把其中一个故障芯线与地接在一起后进行测试。其故障点击穿产生的电流波过程与相对地类似,故不再单独
叙述。
    实际测试中,我们对其中一根故障相加压,其余相不管有没有故障,都可以直接与电缆铠装相连后接地,如图12所示:
图12  高压闪络法电缆接线示意图 
     3. 故障点击穿与否的判断
     逐渐升高加在电缆上的直流电压,当电压超过故障间隙击穿电压时,故障点击穿放电。故障点击穿,除了测量仪器被触发显示出波形外,还可通过以下现象判断:
    (1) 电压突然下降(操作箱电压表指针向刻度零点摆动);
    (2) 直流泄漏电流突然增大(微安表指针突然向上摆动);
    (3) 过电流继电器动作(使用直闪法,操作箱过流保护一定要打开);
    (4) 与试验设备相接的地线处出现“回火”,听到“啪,啪”的响声。
   4. 直闪法测试脉冲电流波形
     直闪法,冲闪法两种测试方法,只是接线方式有所区别,脉冲反射的原理形同,所以,波形分析的方法与前面讲过的冲闪法相同。

电力电缆故障探测培训教程-高压闪络法(2)

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