電力電纜具有供電安全、可靠,適宜煤礦井下特殊環(huán)境而在礦山得到了廣泛應(yīng)用。常用高壓電力電纜主要有紙絕緣繞包型、交聯(lián)聚乙烯絕緣擠包型及橡膠絕緣擠包型等。井下電纜運(yùn)行環(huán)境相對比較惡劣,生產(chǎn)負(fù)荷不均勻性等綜合外界因素,致使電纜容易發(fā)生故障,影響供電安全、可靠。正確分析電纜故障產(chǎn)生的原因,了解電纜敷設(shè)環(huán)境,確切判斷出電纜故障性質(zhì),選擇合適的探測方法,快速、準(zhǔn)確地判定出故障點(diǎn),能夠提高供電可靠性,減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失。

1 電纜故障分析

1.1 故障原因

(1) 機(jī)械損傷

機(jī)械損傷引起的電纜故障占電纜事故很大比例。安裝時(shí)碰傷電纜、機(jī)械牽引力過大而拉傷電纜及過度彎曲而損傷電纜;直接受外力損壞以及自然現(xiàn)象造成的損傷,如車輛擠壓、巖石冒落砸傷、環(huán)境腐蝕等,易造成電纜本體故障。

(2)絕緣受潮主要是中間接頭、終端接頭安裝工藝不良造成密封失效而導(dǎo)致潮氣侵入,破壞絕緣性能。

(3)絕緣老化變質(zhì)電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙在電場作用下產(chǎn)生游離使絕緣下降;過熱也會引起絕緣層老化變質(zhì)造成絕緣下降。

(4)過電壓大氣過電壓與操作過電壓、故障暫態(tài)過電壓作用使電纜絕緣擊穿形成故障。

(5)設(shè)計(jì)和制造工藝不良中間接頭和終端接頭的防潮、電場分布設(shè)計(jì)不完善、材料選用不當(dāng)、制作工藝不良、不按操作規(guī)程要求制作等,都會造成電纜頭絕緣故障。

(6)材料缺陷電纜本身絕緣層材料缺陷;包纏絕緣層過程中,絕緣層上出現(xiàn)褶皺、裂損、破口和重疊間隙等缺陷;電纜接頭附件制造缺陷,不符合規(guī)程或組裝時(shí)不密封等;對絕緣材料維護(hù)管理不善,造成電纜絕緣層受潮、臟污和老化。

1.2 故障性質(zhì)

電纜故障從形式上可分為串聯(lián)與并聯(lián)故障。串聯(lián)故障指電纜一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體斷開;并聯(lián)故障是指導(dǎo)體對外絕緣層或?qū)w之間的絕緣下降,不能承受正常運(yùn)行電壓?，F(xiàn)場實(shí)際故障形式有許多種組合,運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì),高壓電纜故障大部分是單相對地絕緣下降引起故障。電纜故障等效電路如圖1所示。

根據(jù)故障電阻Rf與擊穿間隙G,電纜故障性質(zhì)分為開路、低阻、高阻與閃絡(luò)性故障。開路故障Rf≈∞,擊穿間隙G在直流或高壓脈沖作用下?lián)舸?。低阻故障Rf一般小于100Ω,可用高壓脈沖擊穿;高阻故障絕緣電阻Rf一般大于400Ω,可用高壓脈沖擊穿。閃絡(luò)性故障絕緣電阻Rf≈∞,可用直流高壓或高壓脈沖擊穿。預(yù)防性試驗(yàn)中發(fā)生的故障多屬閃絡(luò)性故障?，F(xiàn)場還有一種封閉性故障,多發(fā)生于電纜接頭和電纜外護(hù)套無明顯破損痕跡的電纜本體,在某一試驗(yàn)電壓下絕緣擊穿,待絕緣恢復(fù),擊穿現(xiàn)象便消失,但不能維持正常運(yùn)行電壓。

2 電纜故障探測

2.1故障探測步驟

電纜故障探測一般要經(jīng)過判斷、測距、定點(diǎn)3個(gè)步驟。

(1)電纜故障性質(zhì)判斷

應(yīng)初步了解電纜敷設(shè)、故障及修復(fù)情況、故障發(fā)生地點(diǎn)及排除經(jīng)過、電纜規(guī)格、絕緣方式、接頭形式、絕緣種類、接頭的精確位置、周圍環(huán)境情況以及運(yùn)行、校驗(yàn)情況,包括試驗(yàn)電壓、時(shí)間、泄漏電流及絕緣電阻數(shù)值、歷史故障記錄等。這些情況對確定故障類型與嚴(yán)重程度是十分重要的?，F(xiàn)場可根據(jù)故障發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的各種信號指示、跳閘范圍等現(xiàn)象,初步判斷故障性質(zhì)。利用兆歐表測量電纜絕緣電阻值,短路放電火花大小判斷絕緣狀況,用萬用表進(jìn)行導(dǎo)通試驗(yàn),判定故障電阻是高阻還是低阻;閃絡(luò)性還是封閉性故障;是接地、短路、斷線,還是組合型故障;是單相、兩相還是三相故障。統(tǒng)計(jì)煤礦井下電纜故障情況,高阻及閃絡(luò)性故障占總數(shù)的95%之多,一般多為相間或相對地高阻或低阻故障,而泄漏性高阻最為常見,且絕大多數(shù)故障集中表現(xiàn)在各種電纜頭上。

(2)電纜故障測距

根據(jù)電纜故障性質(zhì)和電纜敷設(shè)狀況,現(xiàn)場常用行波法進(jìn)行故障測距,即在電纜一端使用測試儀器確定故障距離。低阻、短路、斷路故障采用低壓脈沖反射法,通過觀察故障點(diǎn)反射脈沖與發(fā)射脈沖的時(shí)間差測距。通過識別反射脈沖的極性,判定故障的性質(zhì)及計(jì)算故障點(diǎn)距離。斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同,短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。高阻與閃絡(luò)性故障應(yīng)用脈沖電壓法和脈沖電流法,使用測試儀器使電纜故障在直流高壓或脈沖高壓信號作用下?lián)舸?儀器測試故障擊穿產(chǎn)生的瞬間脈沖信號,通過觀察放電電壓脈沖在觀察點(diǎn)與故障點(diǎn)之間往返一次的時(shí)間測距。脈沖電流法與脈沖電壓法區(qū)別在于:脈沖電流法是通過線性電流耦合器測量電纜故障擊穿時(shí)產(chǎn)生的電流脈沖信號;脈沖電壓法是通過電容、電阻、電感分壓器測量電壓脈沖信號,儀器與高壓回路有電的耦合。井下常用電壓脈沖法測試故障電纜,其接線原理如圖2所示。

該測試方法適用于泄漏性高阻故障及閃絡(luò)性高阻故障。圖中已充電的大容量電容器作為大功率直流電源,通過球隙擊穿短路將電壓加到故障電纜使故障點(diǎn)閃絡(luò)放電形成瞬間短路,球間隙擊穿后,由閃測儀記錄脈沖波形并進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理,計(jì)算出故障點(diǎn)距離。根據(jù)電纜型號及故障性質(zhì),調(diào)節(jié)球間隙間距使電纜承受的最高沖擊電壓為電纜耐壓值的3~5倍,使故障點(diǎn)充分放電。

(3)故障定點(diǎn)

電纜故障定點(diǎn)常用方法有沖擊放電聲測法、音頻感應(yīng)法、聲磁同步檢測等。煤礦井下電纜裸露懸掛較多,現(xiàn)場采用沖擊放電聲測法定點(diǎn)比較直觀、簡單、方便。即利用閃測儀初步計(jì)算出故障點(diǎn)距離,判斷出故障點(diǎn)大概位置,利用故障點(diǎn)瞬間沖擊閃絡(luò)放電與球間隙擊穿放電同步的原理進(jìn)行故障定點(diǎn)。故障點(diǎn)擊穿放電,產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng),便聽到“啪”“啪”聲音,利用這種現(xiàn)象在井下便可十分準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位。

2.2故障探測注意事項(xiàng)

(1)脈沖電壓法使用電阻、電容分壓器進(jìn)行電壓取樣,與高壓回路有電氣連接,按照操作規(guī)程進(jìn)行接線與拆線操作。裝置使用完畢拆線前一定要用放電棒進(jìn)行充分放電。

(2)儲能電容對高頻行波信號呈短路狀態(tài),應(yīng)選用脈沖電容器,也可使用6 kV電力電容器,容量為1~4μF。

(3)嚴(yán)格按要求接線,高壓發(fā)生器接地線與電容出線連接在一起接電纜外皮,盡量縮短電容與電纜之間的連線,高壓設(shè)備、電容器外殼、電纜完好線芯一定要與接地網(wǎng)相連。

(4)調(diào)整球間隙,使通過球間隙加到電纜上的電壓超過故障點(diǎn)臨界擊穿電壓,故障點(diǎn)通過電弧短路擊穿,有利于提高故障點(diǎn)放電產(chǎn)生的地震波強(qiáng)度,便于查找故障點(diǎn)。

(5)球間隙放電時(shí)間間隔取2~6 s,放電太快,易損壞控制設(shè)備,太慢不易區(qū)別外界干擾。(6)沖擊放電時(shí),若接地不良,可能在電纜護(hù)層與接地部分之間有放電現(xiàn)象而誤判斷,特別在電纜裸出部分的金屬部位,應(yīng)仔細(xì)認(rèn)真辨別真正故障點(diǎn),故障點(diǎn)聲音較響,且還會有振動(dòng)、并伴有局部溫升。

(7)輸出引線與端子、電纜芯線要可靠接觸,否則沖擊放電時(shí)產(chǎn)生電弧,影響測量效果。