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電力電纜故障探測培訓(xùn)教程－高壓閃絡(luò)法（2）
時(shí)間: 2020-05-06 11:31
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電纜故障學(xué)習(xí)教程
電力電纜故障探測培訓(xùn)教程－高壓閃絡(luò)法（2）
電纜故障學(xué)習(xí)教程
電纜故障學(xué)習(xí)教程
前面我們對高壓閃絡(luò)法做了簡單的分析說明，下面就測試?yán)碚摬糠肿龊唵畏治觯?/div>
一、 高壓脈沖電流法（也叫高壓閃絡(luò)法－電流取樣）介紹
電纜的高阻泄漏性故障與高阻閃絡(luò)性故障，由于故障點(diǎn)電阻較大（大于10倍的電纜特性阻抗），低壓脈沖在故障點(diǎn)沒有明顯的反射（反射脈沖幅度小于5%），故不能用低壓脈沖反射法測距。
高壓脈沖電流法，是將電纜故障點(diǎn)用高電壓擊穿，使用儀器采集并記錄下故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電流行波信號，通過分析判斷電流行波信號在測量端與故障點(diǎn)往返一趟的時(shí)間來計(jì)算故障距離。脈沖電流法采用線性電流耦合器采集電纜中的電流行波信號。
圖1 沖擊高壓閃絡(luò)測試的接線示意圖
圖1是沖擊高壓閃絡(luò)測試的接線示意圖，電流耦合器L放置在儲(chǔ)能電容C接電纜外皮的接地引線旁。L實(shí)際上是一個(gè)空心線圈，與地線中電流產(chǎn)生的磁場相匝鏈。設(shè)時(shí)間t2與t1時(shí)電流分別為i2與i1,t1小于t2但接近t2,根據(jù)電磁感應(yīng)定律求出線圈的輸出電壓：
V＝K(i2－i1)/(t2－t1)＝KΔi/Δt
其中參數(shù)K是一取決于線圈匝數(shù)、形狀及與地線相對位置的常數(shù)，電流變化量:
Δi＝i2－i1，時(shí)間變化量:Δt＝t2－t1。通過計(jì)算公式說明，線性電流耦合器的輸出電壓與地線電流的變化率成正比，而不是與地線中電流本身成正比。
圖2 a.地線中的電流 b. 電流取樣合器的輸出
圖2給出了地線中的電流與對應(yīng)的電流取樣器的輸出，可以看出電流取樣器在地線中電流開始上升時(shí)，輸出是一個(gè)尖脈沖，而在地線中電流趨于平穩(wěn)后，輸出為零。因此，在故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電流行波到達(dá)后，線性電流耦合器輸出一脈沖信號，可以從電流耦合取樣器有無脈沖信號輸出，判斷測量點(diǎn)是否有電流行波出現(xiàn)。
與脈沖電壓法使用電阻、電容分壓器進(jìn)行電壓取樣不同，脈沖電流法使用的電流耦合取樣器平行地放置在低壓側(cè)地線旁，與高壓回路無直接的電氣連接，對記錄儀器與操作人員來說，特別安全、方便。
實(shí)際測試中，電流取樣器有采用空心線圈的，放置在地線旁邊，優(yōu)點(diǎn)是方便，缺點(diǎn)是放置的位置，遠(yuǎn)近影響成采集脈沖波形的大小。也有采用高頻磁芯的電流取樣器，直接串接在地線中， 優(yōu)點(diǎn)是采集波形穩(wěn)定，缺點(diǎn)是接線稍微比空心線圈的復(fù)雜一些。圖3是幾種電流取樣耦合器的外型圖：
圖3a 感應(yīng)式空心線圈取樣器 b 高頻磁芯串接式取樣器
圖4是高頻磁芯串接式取樣器與高壓脈沖電容器的連接圖，圖中，將取樣器與放電間隙直接與脈沖電容器連接，簡化了高壓接線，高壓脈沖波形比較正規(guī)容易識別，本培訓(xùn)教程中的實(shí)測波形，大都是用這種取樣方式取得的。
圖4 串接式取樣器連接示意圖
二、 沖擊高壓閃絡(luò)測試法（簡稱 沖閃法）
1、沖閃法 應(yīng)用范圍：
在故障點(diǎn)電阻不很高時(shí)，因直流泄漏電流較大，電壓幾乎全降到了高壓試驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)阻上去了，電纜上電壓很小，故障點(diǎn)形不成閃絡(luò)，必須使用沖擊高壓閃絡(luò)測試法，簡稱沖閃法。沖閃法亦適用于測試大部分閃絡(luò)性故障。當(dāng)然，由于直閃法波形相對簡單，容易獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果，有使用條件時(shí)，應(yīng)盡量使用直閃法測試。
在實(shí)際的現(xiàn)場測試工作中，符合直閃法使用條件的機(jī)會(huì)很少，我們一般都是在電壓脈沖測試完畢后，直接用沖閃法測試 。
2. 沖閃法接線：
沖閃法接法如圖5所示，它與直閃法接線基本相同，不同的是在儲(chǔ)能電容C與電纜之間串入一球形間隙G。首先，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓升壓器對電容C充電，當(dāng)電容C上電壓足夠高時(shí)，球形間隙G擊穿，電容C對電纜放電，這一過程相當(dāng)于把直流電源電壓突然加到電纜上去。
圖5 沖閃法測試接線（感應(yīng)式取樣器)
圖6是一款電纜故障閃絡(luò)測試儀說明書中，使用串接式電流取樣器時(shí)，沖閃法接線圖：
圖6 電流取樣沖閃法接線圖（取樣器串接）
從圖5、圖6看，接線基本相同，就是取樣器接線方法不同。還有，就是圖6沒有標(biāo)示大功率限流電阻R以及毫安表。 實(shí)際測試工作中，由于使用的交直流試驗(yàn)變壓器過負(fù)荷能力高，控制操作箱低壓測也有電流表顯示，所以限流電阻、毫安表大都可以不接進(jìn)行沖閃法測試。
3、故障點(diǎn)擊穿與否的判斷
沖閃法的一個(gè)關(guān)鍵是判斷故障點(diǎn)是否擊穿放電。一些經(jīng)驗(yàn)不足的測試人員往往認(rèn)為，只要球間隙放電了，故障點(diǎn)就擊穿了，顯然這種想法是不正確的。
球間隙擊穿與否與間隙距離及所加電壓幅值有關(guān)，距離越大，間隙擊穿所需電壓越高，通過球間隙加到電纜上的電壓越高。而電纜故障點(diǎn)能否擊穿取決于故障點(diǎn)電壓是否超過臨界擊穿電壓，如果球間隙調(diào)整較小，電纜上得到的沖擊高壓小于故障點(diǎn)擊穿電壓，故障點(diǎn)就不會(huì)出現(xiàn)擊穿。
除了根據(jù)儀器記錄波形判斷故障點(diǎn)是否擊穿之外，還可通過以下現(xiàn)象來判斷故障點(diǎn)是否擊穿：
(1) 電纜故障點(diǎn)沒擊穿時(shí)，一般球間隙放電聲嘶啞，不清脆，而且火花較弱。而故障點(diǎn)擊穿時(shí)，球間隙放電聲清脆響亮，火花較大（這點(diǎn)需要有測試經(jīng)驗(yàn)）。
(2) 電纜故障點(diǎn)未擊穿時(shí)，電流表擺動(dòng)較小（一般低壓測電流表小于5A)，而故障點(diǎn)擊穿時(shí)，電流表指針擺動(dòng)范圍較大（一般低壓測電流表大于5A)。
4. 故障點(diǎn)不擊穿時(shí)的脈沖電流波形分析：
圖7給出了故障點(diǎn)不擊穿時(shí)的沖閃測試行波傳播網(wǎng)格圖、電流波形以及電流取樣耦合器的輸出。
圖7 故障點(diǎn)不擊穿時(shí)脈沖電流波形分析
下面分析一下電流波形的產(chǎn)生過程。首先說明，球間隙放電后，即被電弧短路，儲(chǔ)能電容相當(dāng)于直流電源，對高頻行波信號呈短路狀態(tài)，電流波反射系數(shù)ρ＝+1；而電纜遠(yuǎn)端開路，電流波反射系數(shù)ρ＝-1。
假設(shè)在t＝0，電容上電壓為-E時(shí)，球間隙擊穿，產(chǎn)生沿電纜向前運(yùn)動(dòng)的電流波i0＝-E/Z0，電流波在電纜遠(yuǎn)端產(chǎn)生負(fù)的反射波ρi0=-i0，返回測量端，遠(yuǎn)端反射電流波在測量端產(chǎn)生正的全反射，運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)端后，又被倒相反射回來??，電流波將如此來回反射，直到能量全部消耗掉。把測量端所有電流行波相加后，可得到如圖7.b所示的電流波形，圖7.c對應(yīng)的是電流取樣耦合器輸出。可見，故障點(diǎn)未擊穿時(shí)，脈沖電流波形是交替變化極性的脈沖，相鄰脈沖之間的距離對應(yīng)電纜長度。
需要說明的是，上面波形是基于對反射原理的描述，實(shí)際使用的測試儀器－閃測儀，標(biāo)定的脈沖波形，有負(fù)脈沖觸發(fā)、正脈沖觸發(fā)之分，所以閃測儀顯示的波形極性會(huì)完全相反。圖7c波形是負(fù)脈沖觸發(fā)波形，本系列培訓(xùn)教程中的現(xiàn)場測試波形，均是正脈沖觸發(fā)波形，二者極性不同，讀者分析波形時(shí)要注意區(qū)別。
圖8是我們的一款電纜故障閃測儀說明書中，對故障點(diǎn)不擊穿放電時(shí)波形以及說明：
圖8 閃測儀描述的的故障點(diǎn)不放電波形
4. 故障點(diǎn)直接擊穿的脈沖電流波形：
在高壓設(shè)備通過球間隙加到電纜上的高壓信號幅值大于故障點(diǎn)臨界擊穿電壓時(shí)，電壓波穿過故障點(diǎn)一定時(shí)間后，故障點(diǎn)電離，擊穿放電，這種情況叫高壓脈沖直接擊穿。
圖9 故障點(diǎn)直接擊穿的脈沖電流波形分析
如圖9.a行波網(wǎng)格圖所示，球間隙擊穿后，高電壓波-E沿電纜向前運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的電流波為i0＝-E/Z0，經(jīng)時(shí)間τ后，高電壓波到達(dá)故障點(diǎn)，故障點(diǎn)開始電離，在經(jīng)放電延時(shí)td后，擊穿放電。電壓從-E突跳到0，產(chǎn)生如直閃法擊穿類似的行波過程，相應(yīng)的電流波形與電流取樣耦合器的輸出分別見圖9.b與9.c 。
脈沖電流波形的第一個(gè)脈沖是球間隙擊穿時(shí)電容對電纜放電引起的，第二個(gè)脈沖則是由故障點(diǎn)傳來的故障點(diǎn)放電電流脈沖，以及在測量點(diǎn)反射脈沖迭加的結(jié)果，幅值是故障點(diǎn)放電電流脈沖的兩倍，即為2E/Z0（考慮傳播損耗，實(shí)際值要小），以后的脈沖則是電流行波在故障點(diǎn)與測量點(diǎn)之間來回反射造成的。波形上第二個(gè)負(fù)脈沖與第三個(gè)負(fù)脈沖之間的時(shí)間差Δt＝2τ，對應(yīng)于電流脈沖在故障點(diǎn)與測量點(diǎn)之間往返一次所需的時(shí)間，可用來計(jì)算故障點(diǎn)與測量點(diǎn)間的距離。
需要注意，不要把電容對電纜的放電脈沖與故障點(diǎn)放電脈沖的時(shí)間差，即波形上第一個(gè)與第二個(gè)負(fù)脈沖之間的時(shí)間，誤認(rèn)為是脈沖在故障點(diǎn)與測量點(diǎn)往返一次的時(shí)間2τ，由圖8看出，它比2τ多出了放電延時(shí)時(shí)間td，而td是不確定的，它與施加到故障點(diǎn)上的電壓、故障點(diǎn)破壞程度、電纜絕緣材料等因素有關(guān)。
也就是說，圖9c中，第一個(gè)波形與第二個(gè)波形之間，時(shí)間差稍微大一些，第二個(gè)波形與第三個(gè)波形之間，測試數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確。 實(shí)際測試工作中，有時(shí)反射波形比較復(fù)雜時(shí)，對波形分析原理不是非常熟悉時(shí)，我們就直接分析后面有規(guī)律的反射波形，可以不管前面的自己不會(huì)分析的波形。
除了故障點(diǎn)不擊穿波形，故障點(diǎn)正常擊穿波形，實(shí)際測試工作中，還有近端故障測試波形，故障點(diǎn)二次擊穿波形 ，詳見電纜故障測試儀使用說明書第八章。
三、直流高壓閃絡(luò)測試法（直閃法）
高壓閃絡(luò)法，按測試方法分為直閃法、沖閃法，下面介紹直閃法
1. 直閃法應(yīng)用范圍
直流高壓閃絡(luò)測試法（簡稱直閃法）用于測量閃絡(luò)擊穿性故障，即故障點(diǎn)電阻極高，在用高壓試驗(yàn)設(shè)備把電壓升到一定值時(shí)就產(chǎn)生閃絡(luò)擊穿的故障。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，能用直閃法測量的電纜故障，約占電纜故障總數(shù)的不到20%，在預(yù)防性試驗(yàn)中出現(xiàn)的電纜故障多屬于該類故障。直閃法獲得的波形簡單、容易理解。而一些故障點(diǎn)在幾次閃絡(luò)放電之后，往往造成故障點(diǎn)電阻下降，以致不能再用直閃法測試，故實(shí)際工作中應(yīng)珍惜能夠進(jìn)行直閃測試的機(jī)會(huì)。
2. 接線
直閃法接線如圖5所示，T1為調(diào)壓器、T2為高壓試驗(yàn)變壓器，容量在1～5千伏安之間，輸出電壓在10～50千伏之間；C為儲(chǔ)能電容器；L為線電流取樣耦合器。電流取樣耦合器L的輸出經(jīng)屏蔽電纜接測距儀器（閃測儀）的輸入端子。注意：一般感應(yīng)式電流取樣耦合器L的正面標(biāo)有放置方向，應(yīng)將電流耦合器按標(biāo)示的方向放置，否則，輸出的波形極性會(huì)不正確。
圖10 直閃法測試接線
儲(chǔ)能電容C對高頻行波信號呈短路狀態(tài)，在故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電壓、電流行波到達(dá)后，起產(chǎn)生電流信號的作用，脈沖電容器，也可使用6千伏－40千伏（根據(jù)電纜電壓等級確定）的電力電容器，電容容量宜選在1～8微法。實(shí)際測試中，應(yīng)盡可能使電容容量大一些，這有助于使故障點(diǎn)充分放電，獲得的脈沖電流波形規(guī)范，容易識別。
在實(shí)際測試中，往往出現(xiàn)因接線或電流取樣耦合器L放置不當(dāng)而造成的波形不規(guī)范，不容易識別故障點(diǎn)距離。應(yīng)嚴(yán)格按圖10接線，把高壓發(fā)生器接地線與電容器
低壓側(cè)出線連接在一起后接電纜的外皮。圖11是一種不正確的接線方法，操作人員往往圖方便，把電容低壓側(cè)出線接在接地網(wǎng)上，通過接地網(wǎng)與電纜外皮相接。行波經(jīng)過接地網(wǎng)傳播，可能因傳輸距離較長，造成脈沖電流波形不規(guī)范。應(yīng)盡量縮短電容與電纜之間的連線，以避免因?qū)б€過長造成波形失真。電流取樣耦合器L應(yīng)放在
電容器低壓側(cè)出線上。
圖11 不正確的接地
為安全起見，高壓設(shè)備、電容器的外殼、電纜的完好線芯一定要就近接電站的接地網(wǎng)。
圖10是相對地故障的接線，對于相對相故障來說，可把其中一個(gè)故障芯線與地接在一起后進(jìn)行測試。其故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電流波過程與相對地類似，故不再單獨(dú)
敘述。
實(shí)際測試中，我們對其中一根故障相加壓，其余相不管有沒有故障，都可以直接與電纜鎧裝相連后接地，如圖12所示：
圖12 高壓閃絡(luò)法電纜接線示意圖
3. 故障點(diǎn)擊穿與否的判斷
逐漸升高加在電纜上的直流電壓，當(dāng)電壓超過故障間隙擊穿電壓時(shí)，故障點(diǎn)擊穿放電。故障點(diǎn)擊穿，除了測量儀器被觸發(fā)顯示出波形外，還可通過以下現(xiàn)象判斷：
(1) 電壓突然下降（操作箱電壓表指針向刻度零點(diǎn)擺動(dòng)）；
(2) 直流泄漏電流突然增大（微安表指針突然向上擺動(dòng)）；
(3) 過電流繼電器動(dòng)作（使用直閃法，操作箱過流保護(hù)一定要打開）；
(4) 與試驗(yàn)設(shè)備相接的地線處出現(xiàn)“回火”，聽到“啪，啪”的響聲。
4. 直閃法測試脈沖電流波形
直閃法，沖閃法兩種測試方法，只是接線方式有所區(qū)別，脈沖反射的原理形同，所以，波形分析的方法與前面講過的沖閃法相同。
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