淺談10KV集電線路故障分析與檢查

文 李俊沅　國華（陸豐）風電有限公司
　　摘　要：集電線路作為電力系統的重要組成部分，一旦發生故障將直接影響電力系統的安全運行。因此，如何快速、準確地查找故障，減少故障修復費用及停電損失，成為電力工程領域與研究領域日益關注的問題。本文分析了集電線路電纜故障出現的原因，探討了集電線路電纜的故障測距與定點方法，并對如何組織人員進行快速查找處理進行了討論。
　　1. 引言
　　集電線路作為電力系統的重要組成部分，一旦發生故障將直接影響電力系統的安全運行，并且如故障發現不及時，則可能導致火災、設備嚴重損壞等較大的事故后果。而在設備運行的過程中，為了保證電場集電線路有條不紊的運行，對于集電線路故障的查找我們必須做到迅速、及時、準確，下面我們將以10KV 集電線路為例，探討如何分析集電線路電纜故障出現的原因，對癥下藥，并得出行之有效的檢測方法，確保故障出現的準確情況，最后該如何組織人員有條理的有秩序的進行故障的查找處理。
　　2. 集電線路電纜故障的原因分析
　　致使集電線路電纜發生故障的原因是多方面的，現將常見的幾種主要原因歸納如下：
　　2.1 制造缺陷
　　2.1.1 材料選用問題。多是采用塑料、橡膠等材質作為絕緣材料，且所選用的絕緣材料的維護管理不善，造成電纜絕緣受潮、臟污和老化?！?br /> 　　2.1.2 制作工藝不良。在包纏絕緣過程中，紙絕緣上出現褶皺、裂損、破口和重疊間隙等缺陷。
　　2.1.3 電纜附件制造上的缺陷。如鑄鐵件有砂眼，瓷件的機械強度不夠，其它零件不符合規格或組裝時不密封等。
　　2.2 操作不當
　　2.2.1 運輸不當。電纜在運輸過程中由于車輛受到震動、沖擊或其他外界因素影響，導致電纜絕緣損壞。
　　2.2.2 安裝不當。在安裝時不小心碰傷電纜，機械牽引力過大而拉傷電纜，或電纜過度彎曲而損傷電纜，或安裝后靠近電纜路徑作業造成的機械損傷。
　　2.3 運行不當
　　2.3.1 電纜長期處于過負荷狀態。2.3.2 電纜過于密集、所處的環境通風不良處或熱力管道接近。以上運行管理不當致使電纜過熱，絕緣老化變質，逐漸炭化，影響電纜壽命。
　　2.4 外界因素影響
　　2.4.1 化學腐蝕。電纜路徑在有酸堿作業的地區通過，造成電纜鎧裝和鉛（鋁）護套大面積長距離被腐蝕。
　　2.4.2 絕緣受潮。由于密封不嚴進水、電纜制造不良、金屬護套受外力或腐蝕破損，使電纜絕緣受潮引起故障。
　　2.4.3 過電壓。大氣與內部過電壓作用，使電纜絕緣擊穿，形成故障，擊穿點一般是存在缺陷。
　　2.4.4 人為因素。電纜附近有人施工造成電纜斷裂引起故障?！?br /> 　　3. 集電線路電纜故障探測的步驟
　　電纜故障的探測一般要經過診斷、測距、定點三個步驟。
　　3.1 故障診斷
　　就是用萬用表、兆歐表測量電纜的故障電阻，并根據故障電阻的大小，判斷電纜的故障性質；了解故障性質、故障原因、敷設環境、運行情況等。主要有測試準備與故障性質診斷兩個階段組成。
　　3.2 故障測距
　　故障測距又叫粗測，在電纜的一端使用儀器確定故障距離。
　　3.3 故障定點
　　故障定點又叫精測，即按照故障測距結果，根據電纜的路徑走向，找出故障點的大體方位來，在一個很小的范圍內，利用放電聲測法或其它方法確定故障點的準確位置。主要有路徑探測與故障精確定位兩個階段組成。
　　4. 集電線路電纜絕緣故障的測距方法
　　4.1 電纜故障性質的診斷
　　所謂診斷電纜故障的性質，就是指確定：故障電阻是高阻還是低阻；是閃絡還是封閉性故障；是接地、短路、斷線，還是它們的混合；是單相、兩相，還是三相故障。
　　可以根據故障發生時出現的現象，初步判斷故障的性質。例如，運行中的電纜發生故障時，若只是給了接地信號，則有可能是單相接地的故障。繼電保護過流繼電器動作，出現跳閘現象，則此時可能發生了電纜兩相或三相短路或接地故障，或者是發生了短路與接地混合故障。發生這些故障時，短路或接地電流燒斷電纜將形成斷線故障。但通過上述判斷不能完全將故障的性質確定下來，還必須測量絕緣電阻和進行“導通試驗”。
　　測量絕緣電阻時， 使用兆歐表(1 千伏以下的電纜， 用1000 伏的兆歐表；1 千伏以上的電纜， 用2500 伏的兆歐表) 來測量電纜線芯之間和線芯對地的絕緣電阻；進行“導通試驗”時，將電纜的末端三相短接，用萬用表在電纜的首端測量芯線之間的電阻。
　　4.2 常用的電纜故障測距檢測方法
　　根據不同性質的故障，電纜故障的測距采用不同的方法。目前主要有電橋法和根據行波原理發展的低壓脈沖反射法、脈沖電壓法、脈沖電流法、二次脈沖法。電橋法測試電纜受條件限制較多，對于高阻故障無法進行測試。隨著新技術的不斷進步，現在現場上電橋法用得越來越少。
　　4.2.1 低壓脈沖反射法。通過計量發射脈沖和故障點反射脈沖之間的時間差△ t 來測取故障距離。若設脈沖電波在電纜中的傳播速度為v，則電纜故障距離L 可由下式計算：L=V·Δt/2。低壓脈沖反射法適于測定電纜的低阻和開路故障，也可用于校對電纜的全長和顯示電纜中間接頭的位置，還可用于測定電纜的波傳播速度，測量準確率較高，應用較廣。
　　4.2.2 脈沖電壓法。又稱閃測法，是20 世紀70 年代發展起來的用于測量高阻與閃絡性故障的方法。該方法首先將電纜故障點在直流高壓（直閃法）或沖擊高壓（沖閃法）信號下擊穿，然后記錄下放電脈沖在測量點與故障點往返一次所需的時間，再根據電波在電纜中的傳播速度，就可算出故障點的距離。該方法測試速度快，波形清晰易判。但其接線復雜，分壓過大時對人和儀器有危險。
　　4.2.3 脈沖電流法。這是20 世紀80 年代初發展起來的一種測試方法，以安全、可靠、接線簡單等優點顯示了強大的生命力。它與脈沖電壓法大致相同，區別只在于：脈沖電流法是通過一線性電流藕合器來測量電纜故障擊穿時產生的電流脈沖信號。脈沖電流法也包括直閃法和沖閃法兩種類型。直閃法用于測量閃絡性高阻故障；而沖閃法主要用于測量泄漏性高阻故障，也可測量閃絡性高阻故障。直閃法測量線路中包括：電流耦合器、調壓器、高壓試驗變壓器、整流硅堆、儲能電容。測量時，調整儀器從0 開始給電纜加直流電壓，當電壓升到一定值時，故障點閃絡放電，線性電流耦合器輸出第一個電流脈沖。放電脈沖到達故障點后又被反射，折回到儀器端。這一過程不斷進行，直到放電過程結束，則故障點到測量端的距離可由此計算出來。沖閃法測量線路中則有一球間隙，用以改變加到電纜上的沖擊電壓高低和放電間隔時間。測量時從0 調節T，當電壓增加到某一值時，球間隙G 擊穿，使電容對電纜芯線放電。當電壓信號幅值大于故障點臨界擊穿電壓，則高壓信號沿電纜行進到故障點一定的時間后，故障點電離，擊穿放電。閃測儀將記錄到相應的波形，則故障點到測量端的距離可由此計算出，△ t 表示相鄰兩個同極性脈沖（第一個脈沖除外，因為故障點擊穿有延時）的時間差。
　　4.2.4 二次脈沖法。20 世紀90年代，國外發明二次脈沖法。它先用高壓脈沖將故障點擊穿，在故障點起弧后熄弧前，由測試儀器向電纜耦合注入一低壓脈沖。此脈沖在故障點閃絡處（電弧的電阻值很低）發生短路反射，并記憶在儀器中。電弧熄滅后，測量儀器復發一測量脈沖通過故障處直達電纜末端并發生開路反射，比較兩次低壓脈沖波形可非常容易地判斷故障點（擊穿點）位置。二次脈沖法使得電纜高阻故障的測試變得十分簡單，是目前電力電纜故障離線測試最先進的基礎測試方法。
　　4.2.5 低壓脈沖反射法的應用。
　　4.2.5.1 工作原理
　　L=V·Δt/2（V 是電纜的波速度）低壓脈沖測試原理的測試公式L=V·△ t/2 中的V 就是電磁波在電纜中傳播的速度，我們簡稱為波速度；理論分析表明波速度與電纜的絕緣介質有關，與電纜芯線的線徑及芯線的材料無關，也就是說不管線徑是多少線芯是銅芯的還是鋁芯的，只要電纜的絕緣介質一樣，波速度就一樣?，F在大部分電纜都是交聯聚乙烯或油浸紙電纜，它們的參考數椐是：交聯聚乙烯電纜的波速是170-172m/µs、油浸紙電纜的波速為160 m/µs。
　　縱然電纜的絕緣介質相同，不同廠家的、不同批次的電纜波速度也不完全相同，如果知道電纜全長，根據V=2·L △ t，就可以推算出電纜的波速度。
　　4.2.5.2 低壓脈沖方式測試故障距離時的操作步驟
　　4.2.5.2.1 根據全長校正波速度
　　4.2.5.2.2 低壓脈沖法測量開路距離
　　4.2.5.2.3 低壓脈沖法測量短路距離
　　4.2.5.2.4 用低壓脈沖法比較法測量電纜B、C 相對地的故障距離
　　4.3 常用的電纜故障定點方法
　　4.3.1 聲測定點法。聲測定點法是電纜故障的主要定點方法，主要用于測量高阻與閃性故障，測量時使用高壓設備使故障點擊穿放電，故障間隙放電時產生的機械振動，傳到地面，便聽到“啪、啪”的聲音，利用這種現象可以十分準確地對電纜故障進行定點，缺點是受外界干擾較大。
　　4.3.2 聲磁法。在向電纜施加沖擊高壓信號使故障點放電時，會在電纜的外皮與大地形成的回路中感應出環流來，這一環流在電纜周圍產生脈沖磁場，在監聽到聲音信號的同時，接受到脈沖磁場信號，即可判斷該聲音是由故障點放電產生的，故障點就在附近。
　　4.3.3 音頻感應法。音頻感應法一般用于探測故障電阻小于10Ω 的低阻故障，探測時，用1 kHz 的音頻信號發生器向待測電纜通音頻電流，發出電磁波；然后在地面上用探頭沿被測電纜路徑接收電磁場信號，并將之送入放大器進行放大，將放大后的信號送人耳機或指示儀表，根據耳機中聲響的強弱或指示儀表的指示值大小而定出故障點的位置，當探頭從故障點前移l~2 m 時，音頻信號中斷，則音頻信號最強處為故障點。
　　5. 故障檢查與處理
　　5.1電纜故障測試前的準備工作
　　5.1.1 測試設備準備。要把測試用的各種儀器儀表帶全，檢查是否擁有足夠的電力；把電工工具帶全；提前把變電站或接線箱上的鑰匙帶好；同時帶上電源線和可能用到的接地線等。
　　5.1.2 人員準備。搶修人員要齊整，分工明確，服從指揮。
　　5.1.3 安全保證。到現場后把電纜兩端孤立起來使電纜各相之間和對其他地方留有足夠的距離；測試時兩端要留人看守以確保安全。
　　5.1.4 了解電纜情況。全長、絕緣性質、接頭、耐壓等級、路徑與何處施過工等。
　　5.2 故障的查找事故發生后，工作負責人應對事故情況進行分析，不盲目地進行查找，如對事故發生地點進行預測。
　　5.2.1 根據繼電保護動作情況預測。電流速斷保護動作跳閘：電流速斷保護的保護范圍，一般為系統最大運行方式下發生短路時，保護范圍最大， 占線路全長的50 ％左右。而當線路處于最小運行方式時，保護范圍最小，占線路全長的15％～ 20％。
　　因此，電流速斷保護裝置動作跳閘，則說明故障點一般位于線路前段( 靠近變電站側)。5.2.2 根據線路路徑情況預測。
　　線路路徑在樹木區的，在夏秋季節有風天氣，該線路發生跳閘事故時，首先應該考慮是由樹木引起的，重點對森林、樹木區線路進行檢查。
　　線路路徑在建設區的，在良好天氣情況下，首先要考慮是施工外力造成的，檢查時應特別注意施工區的情況。
　　5.2.3 根據線路的絕緣水平預測。全電纜線路絕緣最薄弱的地方是終端頭、中間接頭處。所以全電纜線路發生跳閘故障，首先檢查終端頭、中間接頭是否被擊穿。
　　掌握了以上情況再去處理事故，有計劃有方向的進行排除故障，就會大大提高工作效率。
　　5.3 故障查找的組織措施
　　5.3.1 檢查人員的合理安排。檢查人員應分兩組分別進行，一組為測試組，利用集電線路電纜絕緣故障的測距方法進行故障點的查找，測試人員至少兩人以上；一組為檢查組，巡視電纜路徑情況是否存在異?，F象，而檢查組人員的多少則應根據線路的長短、路徑及事故發生時的天氣、時間等確定。線路短，線路路徑交通方便的可以少些；線路長，線路路徑復雜的就要多安排一些人員。故障發生在良好天氣、白天的可少一些人員；故障發生時天氣不好、發生在夜晚時應多安排一些人員。
　　5.3.2 應制定應急預案，開展事故演習。平時要制定好應急預案，經常開展事故演習，有針對性對班組員工進行事故點預測、查找技巧、處理方法進行訓練。每次處理完事故后，要做好總結、積累經驗，從而提高員工的作戰能力和協同作戰能力，這樣在事故發生時，就一定能夠發揮每個員工的作用，事故查找的速度會越來越快。
　　6.結束語
　　綜上所述，在集電線路的故障查找問題上我們需要按步就班，不能草率從事，應認真、冷靜的分析故障的類型和性質，正確應用查找方法和儀器，多積累故障查找經驗。迅速、準確地確定集電線路的故障點， 不僅能提高電力可靠性， 還可以減少故障修復費用及停電損失。