电力电缆具有供电安全、可靠,适宜煤矿井下特殊环境而在矿山得到了广泛应用。常用高压电力电缆主要有纸绝缘绕包型、交联聚乙烯绝缘挤包型及橡胶绝缘挤包型等。井下电缆运行环境相对比较恶劣,生产负荷不均匀性等综合外界因素,致使电缆容易发生故障,影响供电安全、可靠。正确分析电缆故障产生的原因,了解电缆敷设环境,确切判断出电缆故障性质,选择合适的探测方法,快速、准确地判定出故障点,能够提高供电可靠性,减少故障修复费用及停电损失。

1 电缆故障分析

1.1 故障原因

(1) 机械损伤

机械损伤引起的电缆故障占电缆事故很大比例。安装时碰伤电缆、机械牵引力过大而拉伤电缆及过度弯曲而损伤电缆;直接受外力损坏以及自然现象造成的损伤,如车辆挤压、岩石冒落砸伤、环境腐蚀等,易造成电缆本体故障。

(2)绝缘受潮主要是中间接头、终端接头安装工艺不良造成密封失效而导致潮气侵入,破坏绝缘性能。

(3)绝缘老化变质电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离使绝缘下降;过热也会引起绝缘层老化变质造成绝缘下降。

(4)过电压大气过电压与操作过电压、故障暂态过电压作用使电缆绝缘击穿形成故障。

(5)设计和制造工艺不良中间接头和终端接头的防潮、电场分布设计不完善、材料选用不当、制作工艺不良、不按操作规程要求制作等,都会造成电缆头绝缘故障。

(6)材料缺陷电缆本身绝缘层材料缺陷;包缠绝缘层过程中,绝缘层上出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷;电缆接头附件制造缺陷,不符合规程或组装时不密封等;对绝缘材料维护管理不善,造成电缆绝缘层受潮、脏污和老化。

1.2 故障性质

电缆故障从形式上可分为串联与并联故障。串联故障指电缆一个或多个导体断开;并联故障是指导体对外绝缘层或导体之间的绝缘下降,不能承受正常运行电压。现场实际故障形式有许多种组合,运行经验统计,高压电缆故障大部分是单相对地绝缘下降引起故障。电缆故障等效电路如图1所示。

根据故障电阻Rf与击穿间隙G,电缆故障性质分为开路、低阻、高阻与闪络性故障。开路故障Rf≈∞,击穿间隙G在直流或高压脉冲作用下击穿。低阻故障Rf一般小于100Ω,可用高压脉冲击穿;高阻故障绝缘电阻Rf一般大于400Ω,可用高压脉冲击穿。闪络性故障绝缘电阻Rf≈∞,可用直流高压或高压脉冲击穿。预防性试验中发生的故障多属闪络性故障。现场还有一种封闭性故障,多发生于电缆接头和电缆外护套无明显破损痕迹的电缆本体,在某一试验电压下绝缘击穿,待绝缘恢复,击穿现象便消失,但不能维持正常运行电压。

2 电缆故障探测

2.1故障探测步骤

电缆故障探测一般要经过判断、测距、定点3个步骤。

(1)电缆故障性质判断

应初步了解电缆敷设、故障及修复情况、故障发生地点及排除经过、电缆规格、绝缘方式、接头形式、绝缘种类、接头的精确位置、周围环境情况以及运行、校验情况,包括试验电压、时间、泄漏电流及绝缘电阻数值、历史故障记录等。这些情况对确定故障类型与严重程度是十分重要的。现场可根据故障发生时出现的各种信号指示、跳闸范围等现象,初步判断故障性质。利用兆欧表测量电缆绝缘电阻值,短路放电火花大小判断绝缘状况,用万用表进行导通试验,判定故障电阻是高阻还是低阻;闪络性还是封闭性故障;是接地、短路、断线,还是组合型故障;是单相、两相还是三相故障。统计煤矿井下电缆故障情况,高阻及闪络性故障占总数的95%之多,一般多为相间或相对地高阻或低阻故障,而泄漏性高阻最为常见,且绝大多数故障集中表现在各种电缆头上。

(2)电缆故障测距

根据电缆故障性质和电缆敷设状况,现场常用行波法进行故障测距,即在电缆一端使用测试仪器确定故障距离。低阻、短路、断路故障采用低压脉冲反射法,通过观察故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差测距。通过识别反射脉冲的极性,判定故障的性质及计算故障点距离。断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同,短路故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反。高阻与闪络性故障应用脉冲电压法和脉冲电流法,使用测试仪器使电缆故障在直流高压或脉冲高压信号作用下击穿,仪器测试故障击穿产生的瞬间脉冲信号,通过观察放电电压脉冲在观察点与故障点之间往返一次的时间测距。脉冲电流法与脉冲电压法区别在于:脉冲电流法是通过线性电流耦合器测量电缆故障击穿时产生的电流脉冲信号;脉冲电压法是通过电容、电阻、电感分压器测量电压脉冲信号,仪器与高压回路有电的耦合。井下常用电压脉冲法测试故障电缆,其接线原理如图2所示。

该测试方法适用于泄漏性高阻故障及闪络性高阻故障。图中已充电的大容量电容器作为大功率直流电源,通过球隙击穿短路将电压加到故障电缆使故障点闪络放电形成瞬间短路,球间隙击穿后,由闪测仪记录脉冲波形并进行复杂的数学处理,计算出故障点距离。根据电缆型号及故障性质,调节球间隙间距使电缆承受的最高冲击电压为电缆耐压值的3~5倍,使故障点充分放电。

(3)故障定点

电缆故障定点常用方法有冲击放电声测法、音频感应法、声磁同步检测等。煤矿井下电缆裸露悬挂较多,现场采用冲击放电声测法定点比较直观、简单、方便。即利用闪测仪初步计算出故障点距离,判断出故障点大概位置,利用故障点瞬间冲击闪络放电与球间隙击穿放电同步的原理进行故障定点。故障点击穿放电,产生较强的机械振动,便听到“啪”“啪”声音,利用这种现象在井下便可十分准确地进行故障定位。

2.2故障探测注意事项

(1)脉冲电压法使用电阻、电容分压器进行电压取样,与高压回路有电气连接,按照操作规程进行接线与拆线操作。装置使用完毕拆线前一定要用放电棒进行充分放电。

(2)储能电容对高频行波信号呈短路状态,应选用脉冲电容器,也可使用6 kV电力电容器,容量为1~4μF。

(3)严格按要求接线,高压发生器接地线与电容出线连接在一起接电缆外皮,尽量缩短电容与电缆之间的连线,高压设备、电容器外壳、电缆完好线芯一定要与接地网相连。

(4)调整球间隙,使通过球间隙加到电缆上的电压超过故障点临界击穿电压,故障点通过电弧短路击穿,有利于提高故障点放电产生的地震波强度,便于查找故障点。

(5)球间隙放电时间间隔取2~6 s,放电太快,易损坏控制设备,太慢不易区别外界干扰。(6)冲击放电时,若接地不良,可能在电缆护层与接地部分之间有放电现象而误判断,特别在电缆裸出部分的金属部位,应仔细认真辨别真正故障点,故障点声音较响,且还会有振动、并伴有局部温升。

(7)输出引线与端子、电缆芯线要可靠接触,否则冲击放电时产生电弧,影响测量效果。