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電力電纜故障探測培訓教程－高壓閃絡法（2）
時間: 2020-05-06 11:31
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電纜故障學習教程
電力電纜故障探測培訓教程－高壓閃絡法（2）
電纜故障學習教程
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前面我們對高壓閃絡法做了簡單的分析說明，下面就測試理論部分做簡單分析：
一、 高壓脈沖電流法（也叫高壓閃絡法－電流取樣）介紹
電纜的高阻泄漏性故障與高阻閃絡性故障，由于故障點電阻較大（大于10倍的電纜特性阻抗），低壓脈沖在故障點沒有明顯的反射（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，是將電纜故障點用高電壓擊穿，使用儀器采集并記錄下故障點擊穿產生的電流行波信號，通過分析判斷電流行波信號在測量端與故障點往返一趟的時間來計算故障距離。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 沖擊高壓閃絡測試的接線示意圖
圖1是沖擊高壓閃絡測試的接線示意圖，電流耦合器L放置在儲能電容C接電纜外皮的接地引線旁。L實際上是一個空心線圈，與地線中電流產生的磁場相匝鏈。設時間t2與t1時電流分別為i2與i1,t1小于t2但接近t2,根據電磁感應定律求出線圈的輸出電壓：
V＝K(i2－i1)/(t2－t1)＝KΔi/Δt
其中參數K是一取決于線圈匝數、形狀及與地線相對位置的常數，電流變化量:
Δi＝i2－i1，時間變化量:Δt＝t2－t1。通過計算公式說明，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，輸出是一個尖脈沖，而在地線中電流趨于平穩后，輸出為零。因此，在故障點擊穿產生的電流行波到達后，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，判斷測量點是否有電流行波出現。
與脈沖電壓法使用電阻、電容分壓器進行電壓取樣不同，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，優點是方便，缺點是放置的位置，遠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， 優點是采集波形穩定，缺點是接線稍微比空心線圈的復雜一些。圖3是幾種電流取樣耦合器的外型圖：
圖3a 感應式空心線圈取樣器 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容易識別，本培訓教程中的實測波形，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、 沖擊高壓閃絡測試法（簡稱 沖閃法）
1、沖閃法 應用范圍：
在故障點電阻不很高時，因直流泄漏電流較大，電壓幾乎全降到了高壓試驗設備的內阻上去了，電纜上電壓很小，故障點形不成閃絡，必須使用沖擊高壓閃絡測試法，簡稱沖閃法。沖閃法亦適用于測試大部分閃絡性故障。當然，由于直閃法波形相對簡單，容易獲得較準確的結果，有使用條件時，應盡量使用直閃法測試。
在實際的現場測試工作中，符合直閃法使用條件的機會很少，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，不同的是在儲能電容C與電纜之間串入一球形間隙G。首先，通過調節調壓升壓器對電容C充電，當電容C上電壓足夠高時，球形間隙G擊穿，電容C對電纜放電，這一過程相當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（感應式取樣器)
圖6是一款電纜故障閃絡測試儀說明書中，使用串接式電流取樣器時，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沒有標示大功率限流電阻R以及毫安表。 實際測試工作中，由于使用的交直流試驗變壓器過負荷能力高，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行沖閃法測試。
3、故障點擊穿與否的判斷
沖閃法的一個關鍵是判斷故障點是否擊穿放電。一些經驗不足的測試人員往往認為，只要球間隙放電了，故障點就擊穿了，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，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。而電纜故障點能否擊穿取決于故障點電壓是否超過臨界擊穿電壓，如果球間隙調整較小，電纜上得到的沖擊高壓小于故障點擊穿電壓，故障點就不會出現擊穿。
除了根據儀器記錄波形判斷故障點是否擊穿之外，還可通過以下現象來判斷故障點是否擊穿：
(1) 電纜故障點沒擊穿時，一般球間隙放電聲嘶啞，不清脆，而且火花較弱。而故障點擊穿時，球間隙放電聲清脆響亮，火花較大（這點需要有測試經驗）。
(2) 電纜故障點未擊穿時，電流表擺動較小（一般低壓測電流表小于5A)，而故障點擊穿時，電流表指針擺動范圍較大（一般低壓測電流表大于5A)。
4. 故障點不擊穿時的脈沖電流波形分析：
圖7給出了故障點不擊穿時的沖閃測試行波傳播網格圖、電流波形以及電流取樣耦合器的輸出。
圖7 故障點不擊穿時脈沖電流波形分析
下面分析一下電流波形的產生過程。首先說明，球間隙放電后，即被電弧短路，儲能電容相當于直流電源，對高頻行波信號呈短路狀態，電流波反射系數ρ＝+1；而電纜遠端開路，電流波反射系數ρ＝-1。
假設在t＝0，電容上電壓為-E時，球間隙擊穿，產生沿電纜向前運動的電流波i0＝-E/Z0，電流波在電纜遠端產生負的反射波ρi0=-i0，返回測量端，遠端反射電流波在測量端產生正的全反射，運動到遠端后，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對應的是電流取樣耦合器輸出。可見，故障點未擊穿時，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，實際使用的測試儀器－閃測儀，標定的脈沖波形，有負脈沖觸發、正脈沖觸發之分，所以閃測儀顯示的波形極性會完全相反。圖7c波形是負脈沖觸發波形，本系列培訓教程中的現場測試波形，均是正脈沖觸發波形，二者極性不同，讀者分析波形時要注意區別。
圖8是我們的一款電纜故障閃測儀說明書中，對故障點不擊穿放電時波形以及說明：
圖8 閃測儀描述的的故障點不放電波形
4. 故障點直接擊穿的脈沖電流波形：
在高壓設備通過球間隙加到電纜上的高壓信號幅值大于故障點臨界擊穿電壓時，電壓波穿過故障點一定時間后，故障點電離，擊穿放電，這種情況叫高壓脈沖直接擊穿。
圖9 故障點直接擊穿的脈沖電流波形分析
如圖9.a行波網格圖所示，球間隙擊穿后，高電壓波-E沿電纜向前運動，相應的電流波為i0＝-E/Z0，經時間τ后，高電壓波到達故障點，故障點開始電離，在經放電延時td后，擊穿放電。電壓從-E突跳到0，產生如直閃法擊穿類似的行波過程，相應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脈沖是球間隙擊穿時電容對電纜放電引起的，第二個脈沖則是由故障點傳來的故障點放電電流脈沖，以及在測量點反射脈沖迭加的結果，幅值是故障點放電電流脈沖的兩倍，即為2E/Z0（考慮傳播損耗，實際值要小），以后的脈沖則是電流行波在故障點與測量點之間來回反射造成的。波形上第二個負脈沖與第三個負脈沖之間的時間差Δt＝2τ，對應于電流脈沖在故障點與測量點之間往返一次所需的時間，可用來計算故障點與測量點間的距離。
需要注意，不要把電容對電纜的放電脈沖與故障點放電脈沖的時間差，即波形上第一個與第二個負脈沖之間的時間，誤認為是脈沖在故障點與測量點往返一次的時間2τ，由圖8看出，它比2τ多出了放電延時時間td，而td是不確定的，它與施加到故障點上的電壓、故障點破壞程度、電纜絕緣材料等因素有關。
也就是說，圖9c中，第一個波形與第二個波形之間，時間差稍微大一些，第二個波形與第三個波形之間，測試數據相對準確。 實際測試工作中，有時反射波形比較復雜時，對波形分析原理不是非常熟悉時，我們就直接分析后面有規律的反射波形，可以不管前面的自己不會分析的波形。
除了故障點不擊穿波形，故障點正常擊穿波形，實際測試工作中，還有近端故障測試波形，故障點二次擊穿波形 ，詳見電纜故障測試儀使用說明書第八章。
三、直流高壓閃絡測試法（直閃法）
高壓閃絡法，按測試方法分為直閃法、沖閃法，下面介紹直閃法
1. 直閃法應用范圍
直流高壓閃絡測試法（簡稱直閃法）用于測量閃絡擊穿性故障，即故障點電阻極高，在用高壓試驗設備把電壓升到一定值時就產生閃絡擊穿的故障。
據統計，能用直閃法測量的電纜故障，約占電纜故障總數的不到20%，在預防性試驗中出現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。而一些故障點在幾次閃絡放電之后，往往造成故障點電阻下降，以致不能再用直閃法測試，故實際工作中應珍惜能夠進行直閃測試的機會。
2. 接線
直閃法接線如圖5所示，T1為調壓器、T2為高壓試驗變壓器，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的輸出經屏蔽電纜接測距儀器（閃測儀）的輸入端子。注意：一般感應式電流取樣耦合器L的正面標有放置方向，應將電流耦合器按標示的方向放置，否則，輸出的波形極性會不正確。
圖10 直閃法測試接線
儲能電容C對高頻行波信號呈短路狀態，在故障點擊穿產生的電壓、電流行波到達后，起產生電流信號的作用，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。實際測試中，應盡可能使電容容量大一些，這有助于使故障點充分放電，獲得的脈沖電流波形規范，容易識別。
在實際測試中，往往出現因接線或電流取樣耦合器L放置不當而造成的波形不規范，不容易識別故障點距離。應嚴格按圖10接線，把高壓發生器接地線與電容器
低壓側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，把電容低壓側出線接在接地網上，通過接地網與電纜外皮相接。行波經過接地網傳播，可能因傳輸距離較長，造成脈沖電流波形不規范。應盡量縮短電容與電纜之間的連線，以避免因導引線過長造成波形失真。電流取樣耦合器L應放在
電容器低壓側出線上。
圖11 不正確的接地
為安全起見，高壓設備、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。
圖10是相對地故障的接線，對于相對相故障來說，可把其中一個故障芯線與地接在一起后進行測試。其故障點擊穿產生的電流波過程與相對地類似，故不再單獨
敘述。
實際測試中，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 高壓閃絡法電纜接線示意圖
3. 故障點擊穿與否的判斷
逐漸升高加在電纜上的直流電壓，當電壓超過故障間隙擊穿電壓時，故障點擊穿放電。故障點擊穿，除了測量儀器被觸發顯示出波形外，還可通過以下現象判斷：
(1) 電壓突然下降（操作箱電壓表指針向刻度零點擺動）；
(2) 直流泄漏電流突然增大（微安表指針突然向上擺動）；
(3) 過電流繼電器動作（使用直閃法，操作箱過流保護一定要打開）；
(4) 與試驗設備相接的地線處出現“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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