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摘 要:随着我国电力工业的不断发展,城市中的电网普遍已采用电缆线路,特别是在大中型城市中电网线路电缆化趋势发展的越来越快。近几年,电缆也已经由原来的油纸电缆改为了交联聚乙烯绝缘电缆,而由于交联聚乙烯绝缘电缆具有的不稳定性,电缆发生故障的机率也就大于油纸电缆。因为电缆一般都是深埋于地下,因此,在发生故障时,故障点的查找则是一大难题。本文将以低压电缆故障点的查找为例,对电流热效应进行试验研究,并对其在电缆故障点速查中的应用与传统查找方法在电缆故障点速查中的应用进行对比分析。
关键词:电流热效应 闪络法 电缆故障点速查 试验 应用 对比分析
中图分类号:TM247 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)08(a)-0019-02在改革开放政策的影响下,我国电力工业的不断发展,城市中的电网已经普遍采用了电缆线路,特别是在一些大中型城市中得到了广泛的应用。近几年,为提高输电线路的传输效率和质量,电缆也逐渐由原来的油纸电缆变为了交联聚乙烯绝缘电缆。虽然这大大提高了输电线路的传输效率和质量,但是电缆出现故障的机率相对于油纸电缆而言更高了,而且电缆在使用過程中出现故障也是不能避免的。另外,为了保证供电安全以及不影响周边的环境,所以电缆一般都被深埋于地下,相较于架空线路而言就具有了一定的优势。但是,随之而来的新问题又出现了,深埋于地下的电缆线一旦发生故障,对故障点的查找就成为了一个难点,如何才能快速准确的查找出电缆的故障点,尽快的恢复供电是长期困扰我们的问题。传统的查找方法是采用高压冲击的“闪络法”来进行故障的查找的。笔者结合自身从事电力行业的经验,通过实验进行分析,发现电流热效应法更适合用于低压电缆故障点的查找。下面我们将对电流热效应法进行分析,并对该方法研究分析过程进行简要的阐述,同时将其与传统查找法在电缆故障点查找中的应用进行对比分析,现总结如下。
1 关于电流热效应的概述
何谓电流热效应？生活中当电饭锅通电后能将水烧开、将饭煮熟;灯泡发光一段时间过后会发烫,这些生活中所表现出来的一些现象即为电流热效应,这些家电在接通电源工作后,都会产生相应的热量使其表面温度升高,产生热力作用之后,将热量散发给物体,形成电流热效应。经过研究发现电流热效应即是电流通过导体时产生的热量。下面我们将对该方面的问题进行实验探究,对电流热效应进行简要分析。
在经过长期的观察与探索之后,了解到电流通过导体时所产生的热量的多少与电流的大小、电阻大小以及通电时间的长短有着密切的关系,即热量Q与电流I、电阻R、通电时间t三个因素之间的关系。实验研究过程中主要采用的是控制变量法,即改变三个因素的其中一个因素,然后观察热量Q的变化情况,确定电流热效应的效果。在这个过程中需要完成三个主要步骤以及观察各值的变化:(1)改变电流I的大小,保持电阻R与通电时间t不变,然后观察热量Q的变化情况,当电流I值较大时,热量Q值会相应的提高。当电流I值较小时,热量Q值会相应的降低。因此,随着电流I值的变化,Q值会相应的形成正比的提高或降低;(2)改变电阻R的大小,保持电流I以及通电时间t不变,然后观察热量Q的变化情况。当电阻R值较大时,热量Q值会相应的提高。当电阻R值较小时,热量Q值会相应的降低。因此,随着电阻R值的变化,Q值会相应的形成正比的提高或降低;(3)改变通电时间t,保持电流I以及电阻R的大小不变,然后观察热量Q的变化情况。当通电时间t值较大时,热量Q值会相应的提高。当通电时间t值较小时,热量Q值会相应的降低。因此,随着通电时间t值的变化,Q值会相应的形成正比的提高或降低。
从上述实验中可以看出,当电流I与通电时间t一定时,电阻R的值越大,产生的热量越多;当电阻R与通电时间t一定时,电流I的值越大,产生的热量越多;当电阻R与电流I一定时,通电的时间越长,产生的热量越多,电流热效应也就越明显。由此可见,电阻产生的热量与电流的平方成正比,与电阻大小成正比,与通电时间的长短成正比,即Q=I2Rt。该定律是由英国物理学家焦耳发现的,因此被命名为焦耳定律,即电流热效应。它适用于自然界一切电路中通电产生热量的情况,因此,在输电电缆中,由于其存在一定的电阻,且有电流通过,必然会产生相应的热量,形成电流热效应。在电缆中查找故障点,就是采用上述步骤,确定热量Q与电流I、电阻R、通电时间t三个因素之间的关系,实现故障点的快速查找。
2 关于电缆故障类型的分析
对于电缆故障而言,由于电缆有高压电缆与低压电缆之分,因此,我们发现高压电缆和低压电缆的故障有许多不同之处。高压电缆的故障一般都是以运行故障为主,而且大多数是高阻故障,高阻故障又分为泄漏和闪络两大类型。而低压电缆故障常见的有接地故障、短路故障以及断路故障三种,这三种常见的电缆故障类型具体表现在以下几个方面:(1)一相或多相接地;(2)二相线间短路;(3)相线间完全短路;(4)一相断线或多相断线。
我们所谈到的电流热效应法进行电缆故障的速查主要也是查找低压电缆的故障。因此,对低压电缆在运行中所具有的特点进行分析是非常必须的,其在实际使用过程中低压电缆与高压电缆对比具有以下特点:(1)敷设的随意性较大,路径敷设不清楚,显得电缆线路的混乱;(2)相对于高压电缆而言,其敷设中埋深较浅,容易受到外力的作用而发生故障;(3)低压电缆一般较短,几十米到几百米不等,而高压电缆一般在几百米到几公里,对电缆故障的检查产生了一定的阻力;(4)低压电缆的绝缘强度要求较低,处理故障接头时工艺也较简单;相反,高压电力对于绝缘强度的要求较高,处理故障接头时的工艺要求较为复杂;(5)无论是低压电缆还是高压电缆,电缆故障点都有十分明显的烧焦现象;(6)低压电缆由于所带负载的变化较大,而且相间常常出现不平衡的情况,容易发热,从而导致电缆发生故障的情况就很常见了;高压电缆由于负载的变化较小,相间相对较为平衡且不容易发热,发生故障的情况较少,但若发生电力故障,维修的工序也就更为复杂。 3 电流热效应法速查电缆故障点的试验研究
(1)首先用三用表测量出故障的相电阻大小,若是相电阻小于1000Ω的电缆可以直接采用“低压电流热效应法”进行故障点的查找。其接线如图1所示:
将隔离变压器与220V电源相接,并将输出端接一个刀闸K后与1kW左右的电炉或电灯串联,然后再接到电缆的故障处。当电路中接通220V电源后,由于此时故障点处于低阻的状态,所以电炉或电灯将被点亮,这时,若是电缆发生了故障,则故障处会出现电流热效应现象。根据焦耳-楞次定律可知,通电导体中产生的热量Q为:Q=0.24I2Rt,根据这一原理,若是电缆发生了故障,而在故障相中通4A左右的电流的话,由于电流的热效应,很快电缆故障点的绝缘介质就会发热并产生大量的烟雾,因此,检测人员只要采用目测的方法即可发现故障点。在该检测过程中,需要注意的是工作人员应在合上开关K前沿电缆的走向分开,以不离开两人之间的视线为准,从而才能及时发现电缆的故障点。另外,检测过程中还可以根据基尔霍夫电流定律:i入=i出进行检测,主要的操作步骤就是在通电过程中用钳形电流表测出电流最小的点,该点即为电缆的故障点。采用该方法进行测量时,为了确保工作人员的人身安全,测量过程中应穿绝缘鞋、戴绝缘手套。
(2)对于高阻故障及相间短路故障而言,由于电缆呈现的是高阻状态,故障点的电阻较高,而低于220V的电流就无法通过,所以电流热效应法就无法直接采用,但是我们可以先采用高压脉冲法将故障点的绝缘介质炭化,然后再采用低压电流热效应法进行故障点的查找。其接线如图2所示:
该方法中所使用到的仪器有30kV、3kW升压器一台,6.3kV、0.5mF左右的电力电容器一台,兆欧表、三用表各一只。该检测方法的基本原理为:因为电缆呈现高阻的状态,故障点的阻抗较高,因此,低压220V电流无法通过,不能直接采用低压电流热效应法。因此,高压脉冲法即是利用高压瞬时充、放电技术,对电缆的故障相进行反复的充、放电操作,从而导致故障点的绝缘介质逐渐的炭化,转变为低阻状态,最后再利用低压电流热效应法进行故障点的查找。具体的操作方法为:首先用兆欧表测出故障相,为工作人员电缆故障速查提供参考;然后将放电棒的一端接上电容器,另一端做成可以在电容和电缆故障之间切换的充、放电开关,以便于工作人员操作;再将升压器的输出电压调至3kV左右,该电压可以根据电缆绝缘情况以及电缆电压的等级进行改变,让其经过半波整流后向0.5mF的电容器进行充电,在充电完成的瞬间立即对故障相放电,在这样反复进行几次充、放电,直到听到放电的“啪啪”声增大,故障点絕缘介质炭化、击穿为止,这时故障点则呈现为低阻的状态;最后,用三用表测量其对地电阻约为1000Ω以下后,则可以采用低压电流热效应法进行电缆故障点的速查了。
4 电流热效应与传统查找法在电缆故障查找中的对比分析
4.1 电缆故障点的初步测距
传统的电缆故障点测距方法有电桥法、电容电流法。电桥法是以双臂电桥测出电缆芯线的直流电阻值,然后按照电缆的长度与电阻的正比例关系计算出故障点的距离。该方法主要适用于电缆芯线短路故障或低阻故障。电流电容法主要是分别在电缆首端和末端测出每芯线与断线芯线的比容之比,从而判断出故障点的距离。而该方法适用于电缆芯线断线故障或是高阻故障。这两种方法虽然都比较简单,但是需要预先知道故障电缆的准确长度,还需要经过复杂的计算过程,而且受到仪器仪表的影响也比较大。而低压电流热效应法则不需要对故障点进行精确的初步测距,即可直接按照电缆的长度与电阻的正比例关系计算出故障点的距离,以及在电缆首端和末端测出每芯线与断线芯线的比容之比,电流热效应在电缆故障点检查中,可实现高速度、高效率的速查。
4.2 电缆故障点的准确定位
在电缆故障点的准确定位中,传统的方法都是采用音频信号法,即利用高压电容反复进行充、放电,将电缆故障点击穿,然后在故障点的大致范围内应用耳机接收音频信号,从而判断出故障点的准确位置。而该方法对环境的要求较高,在接收音频信号的过程中若是环境过于嘈杂就会对其造成影响。而笔者在前面提出了高阻状态下低压电流热效应法的使用,它可以避免嘈杂的环境对检测结果的影响,在电缆故障点被击穿后即可采用低压电流热效应法对电缆中的故障点进行精确的定位。即电流热效应无视环境因素的影响,直接精确定位电缆中的故障点。而且电流热效应法是让工作人员经过目测,对电缆的故障点进行测定,降低了劳动的强度,提高了工作人员的工作效率,周围的环境对其影响不大。
5 结语
电流热效应法在电缆故障中的应用主要是利用了焦耳定律以及楞次定律,根据电缆故障点在通电的情况下会产生大量热量的原理,判断电缆中故障点的准确位置。电流热效应法主要适用于悬挂式、直埋式的高压及低压电力电缆、控制电缆等各种故障的查找。但是在高阻故障中,电流热效应法不能直接查找到电缆的故障点,而需要采用高压瞬时充、放电技术,将故障点的绝缘介质炭化或是击穿,然后才能利用电流热效应法进行故障点的查找。笔者利用电流热效应法在实际电缆故障点的速查中进行了多次试验,很多次都在很短时间内找到了电缆的故障点。在此对该方法进行一个总结分析,希望对电缆故障点的查找工作具有一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 李红波.电流热效应在电缆故障点速查中的应用[J].电工技术,2006,(5):84.
[2] 杜天苍.利用短路电流热效应的OPGW分流地线选型[J].高电压技术,2007,(09):110.
[3] 沈俊安.企业生产中低压电缆故障点快速查找的措施和解决方法[J].科技信息,2011,(25):359.
[4] 张宏伟.电力电缆故障点查找方法及其现场应用[J].黑龙江电力,2007,(3):220.
关键词:电流热效应 闪络法 电缆故障点速查 试验 应用 对比分析
中图分类号:TM247 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)08(a)-0019-02在改革开放政策的影响下,我国电力工业的不断发展,城市中的电网已经普遍采用了电缆线路,特别是在一些大中型城市中得到了广泛的应用。近几年,为提高输电线路的传输效率和质量,电缆也逐渐由原来的油纸电缆变为了交联聚乙烯绝缘电缆。虽然这大大提高了输电线路的传输效率和质量,但是电缆出现故障的机率相对于油纸电缆而言更高了,而且电缆在使用過程中出现故障也是不能避免的。另外,为了保证供电安全以及不影响周边的环境,所以电缆一般都被深埋于地下,相较于架空线路而言就具有了一定的优势。但是,随之而来的新问题又出现了,深埋于地下的电缆线一旦发生故障,对故障点的查找就成为了一个难点,如何才能快速准确的查找出电缆的故障点,尽快的恢复供电是长期困扰我们的问题。传统的查找方法是采用高压冲击的“闪络法”来进行故障的查找的。笔者结合自身从事电力行业的经验,通过实验进行分析,发现电流热效应法更适合用于低压电缆故障点的查找。下面我们将对电流热效应法进行分析,并对该方法研究分析过程进行简要的阐述,同时将其与传统查找法在电缆故障点查找中的应用进行对比分析,现总结如下。
1 关于电流热效应的概述
何谓电流热效应？生活中当电饭锅通电后能将水烧开、将饭煮熟;灯泡发光一段时间过后会发烫,这些生活中所表现出来的一些现象即为电流热效应,这些家电在接通电源工作后,都会产生相应的热量使其表面温度升高,产生热力作用之后,将热量散发给物体,形成电流热效应。经过研究发现电流热效应即是电流通过导体时产生的热量。下面我们将对该方面的问题进行实验探究,对电流热效应进行简要分析。
在经过长期的观察与探索之后,了解到电流通过导体时所产生的热量的多少与电流的大小、电阻大小以及通电时间的长短有着密切的关系,即热量Q与电流I、电阻R、通电时间t三个因素之间的关系。实验研究过程中主要采用的是控制变量法,即改变三个因素的其中一个因素,然后观察热量Q的变化情况,确定电流热效应的效果。在这个过程中需要完成三个主要步骤以及观察各值的变化:(1)改变电流I的大小,保持电阻R与通电时间t不变,然后观察热量Q的变化情况,当电流I值较大时,热量Q值会相应的提高。当电流I值较小时,热量Q值会相应的降低。因此,随着电流I值的变化,Q值会相应的形成正比的提高或降低;(2)改变电阻R的大小,保持电流I以及通电时间t不变,然后观察热量Q的变化情况。当电阻R值较大时,热量Q值会相应的提高。当电阻R值较小时,热量Q值会相应的降低。因此,随着电阻R值的变化,Q值会相应的形成正比的提高或降低;(3)改变通电时间t,保持电流I以及电阻R的大小不变,然后观察热量Q的变化情况。当通电时间t值较大时,热量Q值会相应的提高。当通电时间t值较小时,热量Q值会相应的降低。因此,随着通电时间t值的变化,Q值会相应的形成正比的提高或降低。
从上述实验中可以看出,当电流I与通电时间t一定时,电阻R的值越大,产生的热量越多;当电阻R与通电时间t一定时,电流I的值越大,产生的热量越多;当电阻R与电流I一定时,通电的时间越长,产生的热量越多,电流热效应也就越明显。由此可见,电阻产生的热量与电流的平方成正比,与电阻大小成正比,与通电时间的长短成正比,即Q=I2Rt。该定律是由英国物理学家焦耳发现的,因此被命名为焦耳定律,即电流热效应。它适用于自然界一切电路中通电产生热量的情况,因此,在输电电缆中,由于其存在一定的电阻,且有电流通过,必然会产生相应的热量,形成电流热效应。在电缆中查找故障点,就是采用上述步骤,确定热量Q与电流I、电阻R、通电时间t三个因素之间的关系,实现故障点的快速查找。
2 关于电缆故障类型的分析
对于电缆故障而言,由于电缆有高压电缆与低压电缆之分,因此,我们发现高压电缆和低压电缆的故障有许多不同之处。高压电缆的故障一般都是以运行故障为主,而且大多数是高阻故障,高阻故障又分为泄漏和闪络两大类型。而低压电缆故障常见的有接地故障、短路故障以及断路故障三种,这三种常见的电缆故障类型具体表现在以下几个方面:(1)一相或多相接地;(2)二相线间短路;(3)相线间完全短路;(4)一相断线或多相断线。
我们所谈到的电流热效应法进行电缆故障的速查主要也是查找低压电缆的故障。因此,对低压电缆在运行中所具有的特点进行分析是非常必须的,其在实际使用过程中低压电缆与高压电缆对比具有以下特点:(1)敷设的随意性较大,路径敷设不清楚,显得电缆线路的混乱;(2)相对于高压电缆而言,其敷设中埋深较浅,容易受到外力的作用而发生故障;(3)低压电缆一般较短,几十米到几百米不等,而高压电缆一般在几百米到几公里,对电缆故障的检查产生了一定的阻力;(4)低压电缆的绝缘强度要求较低,处理故障接头时工艺也较简单;相反,高压电力对于绝缘强度的要求较高,处理故障接头时的工艺要求较为复杂;(5)无论是低压电缆还是高压电缆,电缆故障点都有十分明显的烧焦现象;(6)低压电缆由于所带负载的变化较大,而且相间常常出现不平衡的情况,容易发热,从而导致电缆发生故障的情况就很常见了;高压电缆由于负载的变化较小,相间相对较为平衡且不容易发热,发生故障的情况较少,但若发生电力故障,维修的工序也就更为复杂。 3 电流热效应法速查电缆故障点的试验研究
(1)首先用三用表测量出故障的相电阻大小,若是相电阻小于1000Ω的电缆可以直接采用“低压电流热效应法”进行故障点的查找。其接线如图1所示:
将隔离变压器与220V电源相接,并将输出端接一个刀闸K后与1kW左右的电炉或电灯串联,然后再接到电缆的故障处。当电路中接通220V电源后,由于此时故障点处于低阻的状态,所以电炉或电灯将被点亮,这时,若是电缆发生了故障,则故障处会出现电流热效应现象。根据焦耳-楞次定律可知,通电导体中产生的热量Q为:Q=0.24I2Rt,根据这一原理,若是电缆发生了故障,而在故障相中通4A左右的电流的话,由于电流的热效应,很快电缆故障点的绝缘介质就会发热并产生大量的烟雾,因此,检测人员只要采用目测的方法即可发现故障点。在该检测过程中,需要注意的是工作人员应在合上开关K前沿电缆的走向分开,以不离开两人之间的视线为准,从而才能及时发现电缆的故障点。另外,检测过程中还可以根据基尔霍夫电流定律:i入=i出进行检测,主要的操作步骤就是在通电过程中用钳形电流表测出电流最小的点,该点即为电缆的故障点。采用该方法进行测量时,为了确保工作人员的人身安全,测量过程中应穿绝缘鞋、戴绝缘手套。
(2)对于高阻故障及相间短路故障而言,由于电缆呈现的是高阻状态,故障点的电阻较高,而低于220V的电流就无法通过,所以电流热效应法就无法直接采用,但是我们可以先采用高压脉冲法将故障点的绝缘介质炭化,然后再采用低压电流热效应法进行故障点的查找。其接线如图2所示:
该方法中所使用到的仪器有30kV、3kW升压器一台,6.3kV、0.5mF左右的电力电容器一台,兆欧表、三用表各一只。该检测方法的基本原理为:因为电缆呈现高阻的状态,故障点的阻抗较高,因此,低压220V电流无法通过,不能直接采用低压电流热效应法。因此,高压脉冲法即是利用高压瞬时充、放电技术,对电缆的故障相进行反复的充、放电操作,从而导致故障点的绝缘介质逐渐的炭化,转变为低阻状态,最后再利用低压电流热效应法进行故障点的查找。具体的操作方法为:首先用兆欧表测出故障相,为工作人员电缆故障速查提供参考;然后将放电棒的一端接上电容器,另一端做成可以在电容和电缆故障之间切换的充、放电开关,以便于工作人员操作;再将升压器的输出电压调至3kV左右,该电压可以根据电缆绝缘情况以及电缆电压的等级进行改变,让其经过半波整流后向0.5mF的电容器进行充电,在充电完成的瞬间立即对故障相放电,在这样反复进行几次充、放电,直到听到放电的“啪啪”声增大,故障点絕缘介质炭化、击穿为止,这时故障点则呈现为低阻的状态;最后,用三用表测量其对地电阻约为1000Ω以下后,则可以采用低压电流热效应法进行电缆故障点的速查了。
4 电流热效应与传统查找法在电缆故障查找中的对比分析
4.1 电缆故障点的初步测距
传统的电缆故障点测距方法有电桥法、电容电流法。电桥法是以双臂电桥测出电缆芯线的直流电阻值,然后按照电缆的长度与电阻的正比例关系计算出故障点的距离。该方法主要适用于电缆芯线短路故障或低阻故障。电流电容法主要是分别在电缆首端和末端测出每芯线与断线芯线的比容之比,从而判断出故障点的距离。而该方法适用于电缆芯线断线故障或是高阻故障。这两种方法虽然都比较简单,但是需要预先知道故障电缆的准确长度,还需要经过复杂的计算过程,而且受到仪器仪表的影响也比较大。而低压电流热效应法则不需要对故障点进行精确的初步测距,即可直接按照电缆的长度与电阻的正比例关系计算出故障点的距离,以及在电缆首端和末端测出每芯线与断线芯线的比容之比,电流热效应在电缆故障点检查中,可实现高速度、高效率的速查。
4.2 电缆故障点的准确定位
在电缆故障点的准确定位中,传统的方法都是采用音频信号法,即利用高压电容反复进行充、放电,将电缆故障点击穿,然后在故障点的大致范围内应用耳机接收音频信号,从而判断出故障点的准确位置。而该方法对环境的要求较高,在接收音频信号的过程中若是环境过于嘈杂就会对其造成影响。而笔者在前面提出了高阻状态下低压电流热效应法的使用,它可以避免嘈杂的环境对检测结果的影响,在电缆故障点被击穿后即可采用低压电流热效应法对电缆中的故障点进行精确的定位。即电流热效应无视环境因素的影响,直接精确定位电缆中的故障点。而且电流热效应法是让工作人员经过目测,对电缆的故障点进行测定,降低了劳动的强度,提高了工作人员的工作效率,周围的环境对其影响不大。
5 结语
电流热效应法在电缆故障中的应用主要是利用了焦耳定律以及楞次定律,根据电缆故障点在通电的情况下会产生大量热量的原理,判断电缆中故障点的准确位置。电流热效应法主要适用于悬挂式、直埋式的高压及低压电力电缆、控制电缆等各种故障的查找。但是在高阻故障中,电流热效应法不能直接查找到电缆的故障点,而需要采用高压瞬时充、放电技术,将故障点的绝缘介质炭化或是击穿,然后才能利用电流热效应法进行故障点的查找。笔者利用电流热效应法在实际电缆故障点的速查中进行了多次试验,很多次都在很短时间内找到了电缆的故障点。在此对该方法进行一个总结分析,希望对电缆故障点的查找工作具有一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 李红波.电流热效应在电缆故障点速查中的应用[J].电工技术,2006,(5):84.
[2] 杜天苍.利用短路电流热效应的OPGW分流地线选型[J].高电压技术,2007,(09):110.
[3] 沈俊安.企业生产中低压电缆故障点快速查找的措施和解决方法[J].科技信息,2011,(25):359.
[4] 张宏伟.电力电缆故障点查找方法及其现场应用[J].黑龙江电力,2007,(3):220.