铁路低压电缆故障研究

时间:2022-10-16 12:51:49

铁路低压电缆故障研究

摘 要:阐述了铁路低压电缆故障发生的原因和及时准确处理的必要性,分析了铁路低压电缆故障完整性信息的获取途径,结合日常维护经验,提出了处理铁路低压电缆故障的一般措施。

关键词:低压电缆;故障测距;路径查找;故障判据;电缆识别

DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.254

0 引言

我国铁路事业的高速发展,铁路自动化监控设备的应用越来越广泛,对电力电缆的依赖性越来越高;同时由于高速铁路引入既有站施工的增多,涉及对既有电缆的改造项目也显著增多;既有电缆在施工工艺、材质上存在的问题,出现故障在所难免,本文根据铁路电缆日常维护经验,同时查看相关资料,探讨如何快速准确的查找和处理电缆故障的方法。

1 电缆故障的类型和成因

电缆故障大致表现为导线连续性故障和绝缘性故障。低压电缆出现故障的成因很复杂,电缆的生产质量、施工工艺不规范、运行维护等任何环节出现疏漏,都会埋下故障隐患,随着电缆使用年限的增加,受潮和材料老化会造成电缆绝缘性能进一步劣化,此外电缆负载过大、日常检修不到位、外部环境的影响也是电缆发生故障的重要原因。

电缆的故障可以分为串联故障和并联故障。串联故障是电缆中的一个或多个导体在中途发生断开,通常这种情况发生在供电侧电源开关没有跳闸,一路或几路用电设备发生失电的时候。并联故障表现为导线对地或导线之间的绝缘电阻显著下降,在雨雪等湿度比较大的情况下发生漏电或击穿,不能承受正常工作电压而引起跳闸。随着近些年来电缆故障研究的不断发展,相关理论和技术不断成熟,逐渐形成了一套科学规范的电缆故障解决方案。

2 低压电缆故障信息获取

电缆故障信息的获取对选择故障查找方案至关重要,目前主要是由有经验的专业技术人员指导并根据现场采集到的信息后判定,受现场操作人员的人为因素影响比较大。本文首先从信息获取层面进行分类,探讨如何获取完整的电缆故障判据,指导接下来的故障点查找和修复。

(1)电缆型号:电力电缆的基本结构分为导电体、绝缘层、保护层三个部分。电缆的线芯、绝缘层决定电源的耐压等级,保护层则保护电缆在铺设和运行过程中免受机械损伤和外部环境的侵袭。

(2)电缆工作条件:平时检修中要不断完善电缆技术资料,包括电缆路径、供电侧的空开位置和保护定值、用电侧的设备工作电流和峰值电流等信息。当发生故障后可以根据这些信息缩小故障范围,及时排除用电设备和变电设备故障。

(3)电缆安装方式:电缆按安装方式分为地埋和架空两种,有些电缆涉及到下穿铁路、公路河流及其它高震动、高落差等复杂环境的铺设,综合考虑这些因素可以明显加快故障处理进度。此外电缆铺设的深度和路径也会影响到电缆路径信息的获取。

(4)故障特征:电缆故障处理建立在准确的电缆故障特征判断基础上,而前面所讲的外部环境等只是判断电缆故障的辅助信息。

(5)信息有效性、完整性鉴别:电缆故障分析很重要的工作是对信息的有效性进行鉴别,分清楚那些对故障诊断起到积极的作用,哪些信息跟已知的有效信息相矛盾或只是起到辅助作用。当我们获得的有效信息足够我们查找并修复故障则称为我们已经掌握了完整故障信息。

(6)故障特征获取:故障特征信息主要是电缆各相的绝缘电阻,绝缘电阻是判断电缆绝缘性能的最重要的指标。测量绝缘电阻要在电缆两端开路的条件下进行,测量前应确认电缆上没有连接负载,防止测量用的高电压烧坏用电器。

绝缘电阻测量通过外接电压测试电缆的相对地和两相间的绝缘电阻,常用的测量仪器是兆欧表。在选用兆欧表时应注意额定电压在500V以下的电缆选用500V或1000V的兆欧表,额定电压越大的兆欧表的分辨率越差,我们选用欧姆表的最小度数要大于被测电缆的电阻。

需要注意的是测量时欧姆表指数为零并不代表被测电阻为零,此时我们可以通过万用表辅助测量,但必须对两种电阻值加以区分。此外也可以用高压发生器对电缆有故障的相进行耐压试验,这个方法可以比较直观地判断故障性质。

3 低压电缆故障查找方法

判断出电缆的故障性质后,接下来的步骤主要分为故障距离初测、电缆路径调查与识别、故障精确定点、故障修复。故障测距是通过在电缆线芯上外接信号源并接受相应的反射信号,利用信号源和特征信号源之间的时间差估算故障到信号源之间的距离。故障测距是通过接收器接收目标电缆上的矢量电场判断电缆的走向埋深等相关信息。故障定点是在故障测距的基础上进一步精确定位故障点以便后期施工修复故障。

技术人员应根据故障性质合理选用故障测距和定点的仪器和方法。下面结合我段常用的巴测T-30故障识别仪器和T5000电缆路径仪介绍铁路低压电缆故障查找的一般方法。

3.1 故障测距

电缆的测距方法主要有阻抗法和行波法两种。阻抗法由于受故障点过渡电阻影响,测量精度不高。现代行波法是利用向故障电缆发射高频脉冲信号,在电缆的故障点、中间接头、终端头等位置由于波阻抗发生改变使信号产生反射,反射波被TDR分析仪接收,通过计算发射脉冲和反射脉冲的时g差可以计算出故障点的距离。影响行波法测量精度的因素主要有电波在电缆中传播速度的选择和分析仪的时域采样精度。

波阻抗变化越大,脉冲反射回的能量越大。也就是说反射回发射端的脉冲能量越大,而传播到远端的能量就越小。最极端的故障是开路(断线)或死接地故障(金属性短路),这两种故障会引起全反射。反射脉冲的极性能够反映出故障性质是开路还是短路。正极性的反射脉冲(反射脉冲向上)表明是开路(断线)故障或电缆终端;负极性的反射脉冲(脉冲向下)表明是短路故障。

对于绝缘电阻在1000Ω以下的故障电缆可以采用发射几十伏的高频脉冲即可收到理想的波形,其波形如图1所示。

对于绝缘电阻在1000欧姆以上或是闪络型的故障,低频脉冲在故障点不能产生很好的反射,从而无法判断故障距离。这时可以采用ARM弧反射法,它是将上文的低压脉冲反射跟高压电磁冲击法相融合的一种方法,该方法的波形简单、容易识别、易于掌握、测试精度高,因而被广泛采用。

ARM弧反射法首先对电缆施加高压脉冲使故障点发生有效击穿,击穿电弧维持时间可以长达几十毫秒,电弧使故障点瞬时导通,高阻故障变为低阻故障。在击穿同时通过信号耦合电路向电缆施加低压脉冲信号,通过采集低压脉冲信号的输入输出波形即可准确判断故障点位置。

ARM弧反射法的典型波形如图2所示,深色曲线是单独用低压脉冲时产生的,作为参考波形,浅色曲线是ARM击穿后的波形,两条线开始分开的地方表示高阻故障的位置。需要注意的是我们我们选用高压击穿脉冲幅值时不得超过电缆的最大耐受电压,同时反射法的测量精度主要受电波在电缆中传播的速度设定值影响,因此在测试前要先校准电缆的波速度。

3.2 电缆路径查找和电缆识别

测出电缆故障距离之后需要沿着电缆的路径找到对应的故障距离标定点,铁路两侧的低压电缆通常采用电缆沟或者直接埋设,无法直接看到,因此探明电缆路径的工作必不可少。我们主要进行德国巴测公司的T5000电缆路径识别仪器。它的主要原理是通过信号发生器在电缆上形成一个有方向固定频率的电场,通过信号接收器上方向不同的线圈感应出的对应频率的信号的幅值来判断电缆的走向。

图3,4,5是信号发生器直连法的接线方式,这种信号准确度最高。在接线时要注意两点,一是信号发生器的信号源不得接到连接多条电缆的母线排上,信号源的接地级必须远离附近电缆的铠装层接地处以免把信号输出到多个导体上;二是被引入信号的导体远端必须接地且中途无断点,形成良好的信号回路。

直连法不仅适用于停电的线路,借助于专用的信号耦合器也可以将信号加到带电的导体上,信号接收器利用先进的数字滤波器可以滤掉工频信号及其它非目标频率信号的干扰,如图它还可以提供信号电缆的走向、埋深等其它参数。

铁路上往往是多条低压电缆同沟铺设,在对故障电缆进行割据改造操作前必须准确识别目标电缆。使用LCI和CI电缆识别仪可以分别对带电和停电的电缆进行识别。电缆识别仪信号引入的方式跟路径识别仪相似,其接收机器类似钳形电流表,利用数字正交电流的原理可以准确识别信号电流及其方向。将接收器夹在一条电缆上,如果接收器既检测到周期性的目标信号又检测到电流方向跟电缆方向一致,则说明被测电缆是目标电缆。我们做电缆识别时要能准确掌握电缆的方向,中途有无分叉,电缆末端是否由端子排根别的电缆连接等信息,并对所有可疑电缆进行逐个识别,才能得出准确的结论。

3.3 故障的精确定点

目前流行的电缆故障精确定位的方法主要有音频感应法、声磁定位法、电势差法。前两种方法要求故障点在高压脉冲下产生明显的击穿声音;低压电缆由于绝缘电阻比高压电缆低得多,高阻故障相对容易发生击穿,但是低阻和断路故障却很难发出明显的声音。电势差法适用于电缆发生对地泄流的情况,在土地上形成均匀的电场,铁路低压电缆往往采用电缆槽道铺设,很难在大地形成均匀的电场,因此也不适用。我们在实际工作中形成了声磁同步法、感应电压法和改进的二分法相结合的故障处理方法。

如果判断电缆发生高阻故障,根据电缆的耐压等级选择合适的击穿电压,一般1000V的电缆施加直流脉冲不得大于4kv。当高压脉冲使故障点发生击穿时,巨大的电流在故障点产生巨大的电磁信号和声音信号。已知声音在介质中的传播速度比电磁信号慢很多,利用仪器接受到两者信息的时间差可以判断故障点到仪器的距离,声磁信号到达时间相隔最短和声音最大的位置即是故障点位置。

如果判断电缆是断路故障,我们可以在故障相上施加正常220V工作电压,用非接触式测电笔对电缆故标前后进行测试,找出电缆带点情况发生突变的位置,该处就是断路点。这种方法必须要在识别目标电缆后进行,并且对有些屏蔽层良好的电缆和铺设情况复杂的情况不是特别有效。

低压电缆由于其成本和割接技术要求低的特点也可以给我们提供了一种类似于传统二分法的故障排除方法。首先我们在电缆的一端测出故障距离,接下来在故障定标附近切断电缆,用兆欧表分别测量两侧的绝缘电阻,在有故障的一端再次进行故障测距作业,再次切开测量两端故障,以此类推,不断地缩小故障范围直到切除故障部分。实际工作中我们需要灵活考虑电缆布线和埋设情况,采用最合理快捷的割接方案。

⒖嘉南祝

[1]于景丰,赵锋.电力电缆实用技术[J].北京:中国水利水电出版社,2003(01).

[2]崔江静,梁芝培,孙廷玺.电力电缆故障测试技术及其应用的概述[J].高电压技术,2001,27(104):40-43.

[3]杨孝志,陆巍,吴少雷等.电力电缆故障定位技术与方法[J].电力设备,2007,8(11):22-24.

作者简介:孔令坤(1988-),男,河南商丘人,硕士,助理工程师,研究方向:接触网远动设备维护。

上一篇:高温阀门的设计与材料选择 下一篇:壳体类非标准件制作的质量控制要点