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原创‖技术‖光伏电站电缆故障分析及探测

随着光伏行业的快速发展,越来越多的电缆成为了输电线路的重要组成部分,特别是交联聚乙烯电力电缆,由于结构简单、现场安装条件要求低、附件安装工艺日趋成熟、施工方便等优点,更是得到电力系统建设单位的推广和青睐。

电缆线路作为输电线路的重要组成部分,其安全的运行也是保障供电可靠的一个重要方面。然而由于环境因素、暴力施工等因素电缆很容易发生故障。对于埋于地表下的电缆很难发现和排查故障,那么如何确定故障类型、确定故障点对于长距离的直埋电缆就至关重要了。笔者曾经参与了江西一个2MWp光伏电站内的直埋铠装交联聚乙烯电缆故障的排查工作,最终精确找到故障点。

电缆故障分类

电缆故障情况比较复杂,分类方法也相应较多,如:

1)按故障现象分有:电缆绝缘击穿、电缆外力拉断、导体烧断。

2)按故障责任分有:人员过失、设备缺陷、自然灾害、正常老化、外力损坏等。其中设备缺陷、外力损坏故障所占比例较多。

3)按故障性质分有:接地故障、短路故障、断线故障、闪络性故障及混合故障。

现在主要分类方式为开路(断线)故障、低阻故障(相间或接地)、高阻故障(相间或接地)。

1)低阻故障:电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间绝缘电阻低于10ZC(ZC为电缆特性阻抗,一般不超过40Ω)时,而导体连续性能良好者称为低阻故障。10ZC这一界限并非一精确值,只是脉冲反射技术应用中的一般经验值。一般来说绝缘电阻大约在10ZC以下的电缆故障可用低压脉冲法测试,否则低压脉冲法不能测试。

2)高阻故障:电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间绝缘电阻低于正常值很多,但高于10ZC,而导体连续性能良好者称为高阻故障。

3)断线故障:电缆各芯绝缘良好,但有一芯或数芯导体不连续者为断线故障。

4)泄漏性故障:是高阻故障的一种极端形式。在电缆进行预试时,泄漏电流随试验电压的升高而增大,直至超过允许值此时试验电压并未达到额定试验电压值,这种高阻故障称为泄漏性故障。

5) 闪络性故障:是高阻故障的又一种极端形式。在电缆进行预试时,泄漏电流小而平稳。但当试验电压升至某一值时,泄漏电流突然增大并迅速产生闪络击穿,这种高阻故障称为闪络性故障。闪络性故障的绝缘电阻极高,通常都在合格标准以上。具有闪络性故障的电缆,短期内,在较低电压下其闪络击穿的现象可能会完全停止并显现较好的电气性能。

电缆故障原因

1)绝缘击穿

电缆绝缘击穿的故障比较普遍,其主要原因有以下几个方面:

电缆及附件质量不合格:

主要有以下四个方面。一是电缆制造质量不合格,电缆本体绝缘质量一般取决于电缆制造过程中,由于制造过程中出现护层的缺陷,比如在绝缘层上存在缺陷褶皱、破裂和重叠间隙等;二是电缆附件质量不合格,如铸铁件有砂眼,磁件及其他配件不符合规格等;三是施工不良,在运输、施工过程中碰伤电缆绝缘造成损伤;或者是电缆绝缘受潮等;四是,在设计过程中的电缆型号、载流量等选型不合实际要求。

受潮:

主要表现在两个方面。一是电缆损伤后,在日后的运行中造成的绝缘受潮;二是电缆出厂的质量问题,如铅包上有小孔、裂缝、钢错接头不当等都会导致电缆受潮。

腐蚀:

腐蚀是引起电缆绝缘受潮的主要原因,主要有两种。一是电腐蚀,电缆在强电场附近敷设外护套就会腐蚀、受潮,从而破坏绝缘。二是化学腐蚀,电缆埋设如果途径酸碱作业区域会造成电缆错装和护套的腐蚀、开裂或穿孔,绝缘受损形成故障。

过热:

造成电缆过热的内因主要是,电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热,使绝缘炭化;外因主要是电缆超负荷运行,会导致电缆温度升高,当夏季时温升会更加明显。还有就是外界环境过热导致电缆绝缘加速老化,比如电缆安装在电缆沟、隧道、穿管等通风不良处,或是埋设地点接近热力管道等。过热会导致电缆绝缘加速老化,绝缘性能下降,缺陷薄弱和中间接头处就容易发生击穿故障。

2)机械损伤

机械损伤类故障比较常见,其故障形式比较容易识别,大多造成停电事故。造成电缆机械损伤主要有以下几个原因:

其他设备造成的损伤:例如,震动或冲击性负荷造成电缆护套开裂;再如,其它电力设备短路引发的极大的短路电流流过电缆,烧断电缆导体等。

直接外力损伤:施工时牵引机用力过大的拉伤;直接受(挖土、打桩、搬运等)外力损伤;电缆敷设时弯曲度过大等,电缆绝缘的损伤严重。

自然现象造成的损伤:比如,地基下沉、地震等引起的过大拉力拉断电缆;或者中间接头或终端头因温度升高或受潮等内绝缘胶胀裂变形。

自然力造成的损坏:这方面的损坏主要有中间接头和终端接头受自然拉力和内部绝缘胶膨胀的作用所造成的电缆护套的裂损,因电缆自然膨胀和土壤下沉所形成的过大拉力,拉断中间接头或导体以及终端头瓷套。

3)过电压

主要是指由于雷电等形成的大气过电压和电缆内部的过电压。过电压主要会引起电缆终端头故障;而且还会加速有缺陷电缆发生故障。

电缆故障测距(粗测)方法及原理[1][2][3]

电缆故障测距(粗测)是排除电缆故障的一个重要步骤。它其实就是运行人员使用相关方式方法和仪器设备,探测出从测试端到故障点的大致距离的过程。无论使用的探测仪器多模高级、分辨率多么高,都只能测出故障点到测试端的电缆长度,而电缆埋设不是一条直线,在终端以及中间接头位置都会有余缆(为以后障后抢修重新制作终端(中间接)头使用)。所以,仪器读出的故障点至测试端的距离和地面实际距离不会完全一致。以下介绍几种测量方法。

1)电阻电桥法

此法早期采用较多,对于短距离电缆故障的测距准确度很高。主要用于电缆单相接地、相间短路或短路接地的故障距离测试,根据电缆故障短路接地电阻值的不同,可分别选用高压电桥回线法和低压电桥回线法。这种测距方法是基于电缆沿线均匀,电缆长度与缆芯电阻成正比的特点。并根据惠斯登电桥的原理,将电缆短路接地故障点两侧的环线电阻引入电桥回路,测量其比值。由测得的比值和已知的电缆全长,计算出测量端到故障点的距离。

然而此方法存在弊端,例如断线故障、电缆三相短路接地故障测距则无法实现。

2)低压脉冲发射法

低压脉冲法是依据微波传输理论( 雷达原理) ,在电缆故障相上加一脉冲信号, 当电波传输到故障点时必然有部分反射回来, 通过分析入射波与反射波的时间差,计算出故障点的距离。由于输出的信号电压低( 通常为 150V) 很安全,因此,被称作低压脉冲法。此方法可用来测量电缆的低阻故障、开路故障、电缆长度以及部分中间接头的位置,但无法测量电缆的高阻故障。

3) 脉冲电压取样法

主要针对闪络性故障和高阻故障的探测方法。其故障探测原理是,对电缆施加直流高压或脉冲高压信号,使故障点在高压作用下击穿,然后观察放电电压脉冲波在测试端到故障点往返一次的时间,并根据波速来计算故障点距离。使用分压器提取电压脉冲波的方法称为脉冲电压取样法。脉冲电压取样法包括直流高压闪络法(直闪法)、冲击高压闪络法(冲闪法)。

但是,脉冲电压取样法存在一定的缺点。如:在进行冲闪时,分压耦合器电压波形变化不尖锐;仪器与高压回路有电耦合,高压信号容易串入损害设备;在进行闪测时,需串入电阻或电感加强信号,接线复杂,且分散了加在故障电缆上的电压等。

4)脉冲电流取样法

脉冲电流取样法是闪络法进行电缆故障测距的另一种形式。也包括直流高压闪络法(直闪法)和冲击高压闪络法(冲闪法)。此法是在电缆故障点击穿时,通过现行耦合器记录产生的电流脉冲信号,分析脉冲波在测试端到故障点往返一次的时间,并根据波速来计算故障点距离。

脉冲电流取样法比脉冲电压取样法,具备接线简单、不用串联电阻与电感、耦合出的脉冲电流波形容易分辨等优点,且较安全。所以脉冲电流取样法使用更为普遍。

5)二次脉冲法

二次脉冲法结合了低压脉冲法的波形简单与脉冲电流法可以测量高阻故障的优点。在直流高压下电缆故障点产生燃弧,并用稳弧器延长故障电弧持续时间,从而得到准确的波形。而后通过脉冲发生器向电缆输入一个低压测量脉冲,并在电缆远端产生反射波,获得的脉冲反射波形,成为电弧脉冲反射波形。测试设备与电缆不带电(故障点不击穿波形比较),波形上开始有明显差异的点即故障点。

电缆故障定点(精测)方法及原理[1][2][3]

电缆故障测距(粗测)只是告诉我们大概位置,而精确定点,之所以称之为“精”,就是通过这个方法可以精确判断故障点的位置,减少挖掘面积和工作量。电缆故障定点(精测)法主要有声测法、声磁同步法以及音频感应法。

1)声测法

声测法是故障定点最基本的方法,故障点在受到高压冲击击穿时会产生放电声,它就是利用击穿时的放电声而精确定位的技术。

定点时高压发生设备会周期性的向电缆施加高压信号,故障点会击穿放电。故障间隙击穿放电同时会有机械振动产生,声测设备接收传导至地面的放电声音信号从而确定故障点的位置。如果故障为开放性的,可以用耳直接听到放电声音。对于封闭性或埋于地下较深的故障,此时放电振动声要通过高灵敏度的声电转换设备,加强信号还原显示声音强度。在测试时工作人员一般都是用耳机并同时观测电表指针摆动来判断放电声音信号,但是,声音信号短、环境噪声干扰,容易造成误判。

2) 声磁同步法

故障点击穿时,会产生声音信号和磁场信号。磁场传播的速度是可以忽略的,因此要比声音信号快的多。故障测试时以故障测试时以接收到的磁场信号为基准,当探测设备接收到声音信号时即为声音信号从发出到故障点往返一次的时间,测算其和声音传播的时间差乘以声速,就可以得出故障点和测试端的距离。这种就是判断故障点的声磁同步法。

直流高压击穿故障点放电时,会在金属护套与大地形成的回路中感应出环流,并在电缆周围产生脉冲磁场。因为这个脉冲磁场比环境中的其他杂散磁场强很多,可以可靠接收。这样就能接收音频信号的同时接收脉冲磁场信号,并转换显示。如果工作人员在接收音频信号的同时和脉冲磁场显示信号一致,即可以判断为故障点。

在进行声测法定点时,有时由于环境噪声干扰、路面结构影响、故障点放电声音弱等原因,可能造成工作人员识别故障点困难,采用声磁同步接收法可以提高进行故障定点时的抗干扰能力。

3)音频感应法

在电缆故障点接地电阻较低时,放电声微弱,特别是金属性接地故障时,用声测法定位比较困难。这时就需要音频感应法进行定点。此法一般应用于故障电阻小于10欧姆的低阻故障,对两相短路并接地故障、三相短路或三相短路并接地故障适用,一般测得的故障点位置绝对误差不超过2米。其它故障类型若采用特殊探头也可以准确测量。

光伏电站电缆故障分析及探测案例

在江西省某工业园区内的2MWp分布式光伏电站内,从某台交流汇流箱至箱变的一根铠装交联聚乙烯电缆出现故障,电缆长度约220米,敷设方式为直埋且通过园区内多条道路。如果将电缆全部挖开,则耗费人力物力。通过以下来排查故障:一、识别故障类型;二、选定测距仪器(方法);三、故障点粗测定位;四、故障点精确定位。

通过现场绝缘表及万用表现场测量,三相短路接地,绝缘电阻1000欧姆,属于高阻故障。

选用Tanbos品牌WL20 电缆故障波反射定位仪,此设备测量方法为脉冲电流法,需要配合同品牌高压电源使用,高压电源选用LP30/2电缆故障定位电源。精确定位设备选用sebaKMT品牌T16+(digiPHONE+)电缆故障精确定点仪,此设备测量方法为声磁同步法。设备图片分别如下图:

原创‖技术‖光伏电站电缆故障分析及探测
原创‖技术‖光伏电站电缆故障分析及探测
原创‖技术‖光伏电站电缆故障分析及探测

现场通过以上设备测量,首先通过WL20 及LP30/2设备确定故障点在距离测试点16.62米处,通过T16+(digiPHONE+)设备沿电缆路径确定了具体故障点。

原创‖技术‖光伏电站电缆故障分析及探测
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参考文献:

[1] 朱云华 艾芊 陆锋.电力电缆故障测距综述[J]. 继电器,2006 34(14): 81-88

[2] 王巍 刘石川. 电力电缆故障测试技术研究[J]. 电线电缆,2013(1): 34-37

[3] 高晓欣.电力电缆故障分析与探测[D].山东:山东大学2012

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