电气技师论文
电力电缆故障分析与探测方法
完成人：
实业总公司动力供应部
二○一○年六月
电力电缆故障分析与探测方法
电力电缆故障分析与探测方法
摘要：电力电缆（以下简称电缆）多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难，往往
要花费数小时，甚至几天的时间，不仅浪费了大量的人力、物力，而且会造成难以估量的停电损失。如何准确、迅速、经济地查寻电缆故障便成了测试人员不断探索的目标。
主题词：电缆故障绝缘诊断、测距、定点方法
电缆故障点的及时、快速查找是保证电力供应畅通、保证供电可靠性的必需手段,但由于受到电缆线路的隐蔽性、电缆运行资料不完善以及测试设备和探测水平的局限性,使电缆故障的查找非常困难。下面,根据多年的工作经验和参考有关资料,总结出电缆的常见故障与分析以及探测方法的选择与应用。
1.电缆故障的原因
1.1机械损伤
机械损伤引起的电缆故障占电缆事故很大的比例。有些机械损伤很轻微，当时并没有造成故障，但在几个月甚至几年后损伤部位才发展成故障。造成电缆机械损伤的主要原因有：
1.1.1安装时损伤:在安装时不小心碰伤电缆，机械牵引力过大而拉伤电缆，或电缆过度弯曲而损伤电缆。
1.1.2直接受外力损坏
1.1.3因自然现象造成的损伤：如土地沉降引起过大拉力，拉坏中间接头或导体。1.2绝缘受潮
1.2.1因接头盒或终端盒结构密封不良而导致进水。1.2.2电缆制造不良，金属护套有小孔或裂缝。1.2.3金属护套因被外物刺伤或腐蚀穿孔。1.3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。当绝缘介质电离时，气隙中产生硝酸等化学物，腐蚀绝缘层，造成绝缘下降。
过热会引起绝缘层老化变质。电缆内部气隙产生电游离造成局部过热，使绝缘层碳化。1.4过电压
大气与内部过电压作用，使电缆绝缘层击穿，形成故障。1.5材料缺陷及设计和制作工艺不良
2.电缆故障性质与分类
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，通常在电缆至少一个导体断路之前，串联故障是不容易发现的。并联故障是导体对外皮或导体之间的绝缘下降，不能承受正常运行电压。实际的故障形式组合是很多的，图1-1给出了可能性较大的几种故障形式。例如：图1-1c）所示，导体断路往往是电缆故障电流过大而烧断的，这种故障一般伴有并联接地或相间绝缘下降的情况。实际发生的故障绝大部分是单相对地绝缘下降故障。
电力电缆故障分析与探测方法
电力电缆故障分析与探测方法
电缆故障点可用图1-2所示电路来等效。Rf代表绝缘电阻，G是击穿电压为Vg的击穿间隙，
Cf代表局部分布电容，上述三个数值随不同的故障情况变化很大，并且互相之间并没有必然联
系。
间隙击穿电压Vg的大小取决于放电通道的距离，电阻Rf的大小取决于电缆介质的碳化程度，而电容Cf的大小取决于故障点受潮的程度，数值很小，一般可以忽略。
根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障，见表1-1。
表1-1电缆故障性质的分类故障性质开路低阻高阻闪络Rf∞小于10Z0大于10Z0∞间隙的击穿情况在直流或高压脉冲作用下击穿Rf不是太低时，可用高压脉冲击穿高压脉冲击穿直流或高压脉冲击穿注：表中Z0为电缆的波阻抗值，电力电缆波阻抗一般在10～40之间。
以上分类的目的也是为了选择测试方法的方便，根据目前流行的故障测距技术，开路与低阻故障可用低压脉冲反射法，高阻故障要用冲击闪络法，而闪络性故障可用直流闪络法测试。
据统计，高阻及闪络性故障约占整个电缆故障总数的90%。现场上是通过试验方法区分高阻与闪络性故障的。
图1-3给出了电缆耐压试验等效电路，其中RS为试验设备内阻，E为设备所能提供的直流电压值，电阻Rf与临届击穿电压为Vg的间隙并联代表故障点。
由图1-3可知，在对电缆进行高压绝缘试验时，电缆故障点所能获得的电压为：V=ERf/RS+Rf
电力电缆故障分析与探测方法
对闪络性故障来说Rf较大，故障间隙两端电压可以增加至很高，当试验电压升至某一值时，故障点击穿放电，电流突然升高，电压突然下降。预防性试验中发生的故障多属闪络性故障。高阻故障的故障点电阻Rf较小（但不大于10Z0），导致故障点两端所加电压不能升至高于故障点击穿电压，也就不能使故障点击穿。因此，可以从在对电缆进行高压绝缘试验时有无故障点击穿现象判断电缆存在高阻还是闪络性故障。
3.电缆故障探测的步骤
电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤。3.1电缆故障性质诊断
即确定故障的性质，是断路还是短路；是高阻还是低阻等等。知道了性质后测试人员才可选择合适的电缆故障测距与定点方法。3.2电缆故障测距
电缆故障测距，是在电缆的一端使用仪器确定故障距离，常用地方法有电桥法和行波法。3.3电缆故障定点
电缆故障定点，是按照故障测距结果，沿着电缆路径走向，找出故障点的大体方位来。在一个很小的范围内，运用一些定点方法来确定故障点的准确位置。
一般来说，成功的电缆故障探测都要经过以上三个步骤，否则欲速则不达。
4.电缆故障性质诊断
所谓诊断电缆故障的性质，就是指确定：故障电阻是高阻还是低阻；是闪络还是封闭故障；是接地、短路、断路，还是它们的混合；是单相、两相，还是三相故障。
可以根据故障发生时出现的现象，初步判断故障的性质。例如，运行中的电缆发生故障时，若只是给了接地信号，则有可能是单相接地的故障。继电保护过流继电器动作，出现跳闸现象，则此时可能发生了电缆短路故障。但通过上述现象不能完全将电缆故障的性质确定下来，还必须测量绝缘电阻和进行通路试验。
测量绝缘电阻是判断电缆的绝缘状况、接地情况。测量时根据电缆的电压等级，选用合适的兆欧表来测量电缆线芯之间和线芯对地的绝缘电阻。
进行通路试验时，将电缆末端三相短接，用万用表在电缆的首端测量芯线之间的电阻。以此来判断电缆线芯完整性和阻性。
5.电缆故障探测方法
电缆故障探测方法有很多，这些方法适用于不同的情况，各有优缺点。5.1测距方法5.1.1电桥法
这是一种经典的测试方法。将被测电缆终端故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相，通过仔细调节使电桥达到平衡，通过计算得到故障点到试验端的距离。
电桥法的优点是简单、方便、精确度高，但它的缺点是当故障点电阻较高时，便很难测量出故障距离，需用高压设备将故障点烧穿，使故障点电阻降到电桥可以测量为止。而故障点烧穿需很长时间，十分不便。
5.1.2低压脉冲反射法
低压脉冲反射法的原理，是通过观察故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差来进行测距的。
电力电缆故障分析与探测方法
低压脉冲反射法的优点是简单、直观。通过观察脉冲波形可以较直观的识别电缆故障点、中间接头和分支点。但它的缺点是也不适合测量高阻和闪络故障。
5.1.3脉冲电压法
脉冲电压法是在电缆上加一高压脉冲，故障点在高压脉冲作用下击穿，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进行测距。
脉冲电压法的优点是不必将高阻与闪络故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快。但它的缺点是故障放电时，特别是进行冲闪测试时，分压器耦合的电压波形变化不尖锐，难以识别。
5.1.4脉冲电流法
脉冲电流法与脉冲电压法的区别在于：前者通过一线形电流耦合器测量电缆故障击穿时产生的电流脉冲信号，成功地实现了仪器与高压回路的电耦合，省去了电容与电缆之间的串联电阻与电感，且脉冲电流波形比较容易分辨。
5.1.5对测距方法与仪器选择的建议
低阻与断路故障采用低压脉冲反射法和电桥法，测量高阻与闪络性故障采用脉冲电流法。5.2故障定点
电缆故障的精确定点是故障探测的关键。较常采用的方法是声磁同步法及主要用于低阻故障定点的音频感应法。
6.结束语
电缆故障探测有其固有的特点，实际工作中，由于电缆故障点环境复杂，如振动噪声过大、电缆埋设过深、地下隐蔽金属物过多等等，造成定点困难。这时就要通过测试人员丰富的经验来加以判断，曾有人形象地说探测电缆故障点“七分靠仪器，三分靠人”，说明单纯的靠购买先进仪器是不能解决问题的。测试人员要注重学习不断的积累经验，和其他同行经常交流经验，加强电缆故障探测技术的研讨，以促进技术的不断提高。
参考文献
⑴电力电缆故障探测技术分析与应用“中国知网”⑵低压电缆故障的特征及解决之道--电工之家
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技师职业资格鉴定论文论文题目：PLC、变频器在循环风机上的应用姓名：张永猛所在县市：济宁市任城区所在单位：萨维奥（山东）纺织机械有限公司PLC、变频器在循环风机上的应用
张永猛
萨维奥（山东）纺织机械有限公司
摘要：目前，有不少企业依旧使用变极的方法对风机进行调速，其不
但调节灵活性差，而且耗电量也大。本文是在传统风机调速基础上，使用变频调速技术，利用变频器的多段速功能对风机进行速度控制。从而减少能量的损耗，提高了系统的稳定性和灵活性。一、系统情况描述
我厂络筒车间有两台鼓风机其功率都为13.5Kw，用来作为车间的排气通风、降温除湿。利用变频器的多段速功能对风机进行调速代替变极的方法对风机进行调速，其调节灵活性高，减少了能量的损耗。但由于不同季节对车间温度、湿度的要求不同，因此生产车间对风量的需求则不同。根据车间温度的具体情况，决定投入鼓风机的运行速度，达到自动保持温度、湿度恒定的要求。这样，既降低了劳动强度和生产成本，又实现了节能增效。
二、具体方案的实施
针对这种情况，用PLC通过温度传感器接受车间的温度高低并对车间温度、湿度的要求进行判断，根据判断，相应的输出点动作来控制变频器的多段速端子，实现多段速控制。从而不用人为的干预，自动根据投入鼓风机的台数进行风量控制。根据投入运行的鼓风机台数实施五个速段的速度控制。速度设定方案，如表1所示。
表1运行鼓风机台数和需求频率对应表鼓风机运行速段1（车间温度不超过20℃）2（车间温度超过20℃但不超过25℃）3（车间温度超过25℃但不超过30℃）4（车间温度超过30℃但不超过35℃）5（车间温度超过35℃但不超过40℃）对应变频器输出频率30HZ35HZ40HZ45HZ50HZ第1页共7页
备注具体所需频率据现场情况而定三、硬件设计1、PLC选型
本系统是一个中型应用控制系统。PLC为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是启动、停止控制按钮，另一部分是温度传感器信号作为PLC的输入变量，经过PLC的输入接口输入到内部数据寄存器，然后在PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来控制电机的运行。
自从PLC技术在工业领域中得到广泛应用以来，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日趋完善。当前工业领域中应用的PLC既有从美国日本德国等国家进口的，也有国内厂家组装或自行开发的，已达上百种型号。因此合理选择PLC就非常的有意义。我们从以下四个方面来选择：
1）PLC机型选择。机型选择的基本原则是在能够满足控制要求及保证运行可靠维修方便的前提下，力争最佳的性价比。①在结构形式上选择整体式。②在安装方式上选择集中式。③在功能要求上选择只有开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数等功能的小型PLC。④机型统一。对于一个企业应尽可能使用机型统一的PLC，有利于备件的采购。
2）PLC容量选择。容量选择包括I/O点数和用户程序存储容量的选择。①I/O点数的选择。由于PLC平均I/O点的价格还比较高，一般情况下I/O点是根据被控对象的输入、输出信号的实际个数，再加上10%15%的备用量来确定。②用户存储容量的选择应按实际需要留20%--30%的余量来选择。
3）I/O模块的选择。PLC输入模块的作用是用来检测、接收现场输入设备的信号，并将输入的信号转换为PLC内部接收的低电平信号。①输入信号的类型选择。常用的输入信号类型有三种：直流输入、交流输入和交流/直流输入，根据需要我们选择直流输入②输入信号电压等级的选择。有5V、12V、24V、48V、60V等可供选择，根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑我们选择24V电压。
综合以上几个方面考虑，决定选用三菱FX2N-14MR型号的PLC.2、变频器选型
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频的电能控制装置。现在使用的变频器主要使用的是交-直-交方式（VVVF
第2页共7页变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换为直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器在选型上应注意以下几点：
1)采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。
2）变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等。特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3）变频器与负载的匹配问题：①电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。②电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与负载的额定电流相符。③转矩匹配：这种情况在横转矩负载或有减速装置时有可能发生。
综合以上三个方面考虑再加上价格因素决定选用富士FRENIC5000P11S系列低噪音风机泵用变频器3、硬件接线图
根据控制要求，绘制PLC与变频器控制端子硬件接线图，如图1所示。
SB1SB2LNCOMX0X1X2X3X4X5X6三菱FX2N-14MR+24VCOMCOM1Y1Y2Y3COM2Y4L1L2L3RSTSDFWDRHRMRL富士变频器FRENIC5000P11SUVW
图1接线图
第3页共7页4、变频器的参数设置
这个系列的变频器进行多段速控制的端子为RH，RM和RL。通过这三个端子的组合最多可以实现七段速度运行。进行五段速度控制时的端子组合如表2所示。
速度段接通的控制端子设定值/HZ表2多段速端子与速度段组合表1速2速3速4速RHRMRLRM、RL303540455速RH、RL50四、软件设计
风机的运行方式是通过装设在生产车间的温度传感器的信号来确定的，根据温度传感器检测出的车间温度的高低，来合理调节风机的风量。具体系统控制要求如下：
1）、流程图
根据系统控制要求画出程序流程图，如图2所示。
图2系统流程图
2）、梯形图
根据系统控制要求设计PLC程序梯形图，如图3所示。
第4页共7页第5页共7页
图3PLC梯形图
五、节能效果分析1、理论节能分析
风机的机械特性具有二次方律特征，其流量，风压与消耗功率与转速ｎ的关系，如图4所示。
图4风机流量、压力、消耗功率与转速关系曲线图
由图4可知风机消耗功率与其转速的三次方成正比。根据车间的温度情况，通常保持在30℃～35℃，亦即改造后变频器时常运转在40HZ。根据同步转速公式n=60f/p和风机消耗功率与其转速三次方成正比可知，理论上改造前后功耗比为：
第6页共7页P1／P2＝51.2％
即改造后能耗只为改造前的51.2%，由此可见节能效果非常明显。2、实测能耗
当变频器在50HZ和40HZ运行时在变频器输出侧实测数据：40HZ时电流为12.2A，电压250V;50HZ时电流为15.8A，电压为370V。则：
P1＝1.732*250*12.2=5.28kwP2=1.732*370*15.8A=10.13kwP1/P2=52.1%
由于此系统中电机总功率比较小，因此变频器的能耗占的比重较大，尽管实测值与理论值有一定的差距，但改造后每个小时能耗仍可节约4.85个千瓦。3、节能效果计算
改造前每年消耗的电能（按每天工作20小时，每年工作250天计）W1=10.13*20*250=50650Kwh改造后每年消耗的电能W2=5.28*20*250Kwh=26400Kwh则每年节约电能为W=W1－W2=24250Kwh
如果以每度电0.5元计，则每年节约电费12125元。可见节能效果和经济效益相当可观。六、结束语
风机的变频节能效果非常可观，并且在节能的同时减轻了设备的机械负荷，延长了设备的使用寿命。也符合国家提倡的建设节能型社会的需求。因此这个实例很值得在通风排风系统中大力推广和应用。
参考文献：
（1）丁斗章.变频调速技术与系统应用.机械工业出版社，201*（2）唐修波.变频技术及应用.中国劳动社会保障出版社，201*
（3）高勤.可编程序控制器原理及应用(三菱机型).电子工业出版社，201*
第7页共7页
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