一種基于電荷疊加原理的電纜高阻故障點擊穿方法及系統與流程

本發明涉及一種基于電荷疊加原理的電纜高阻故障點擊穿方法及系統，屬于高電壓與絕緣技術領域。

背景技術：

隨著交聯聚乙烯等電纜線路在電網及工礦企業中的大量應用，及早期電纜運行時間的增長，電纜運行故障呈現出上升趨勢，同時，電纜在運行過程中，一旦發生絕緣故障，故障點的查找相對于架空線路也更為困難。這就要求電纜運維人員能夠合理的選擇電纜故障定位技術，快速、準確地查找到故障發生點，縮短電纜停電時間，減少因電纜運行故障帶來的損失。

在電力電纜定位技術中，低阻故障、斷線故障的定位方法較為成熟，定位成功率較高，但電力系統發生的故障中，電纜高阻故障和閃絡性故障的比例較高，達到70%以上，且定位難度大。運用二次脈沖法、多次脈沖法、脈沖電流法等依賴于故障點燃弧變短時低阻的定位方法時，經常會遇到高阻故障點無法擊穿的情況。

（1）故障點無法擊穿。目前采用傳統主絕緣故障預定位儀器的最大沖擊電壓為32kV，在對部分高絕緣電阻故障電纜進行故障點預定位查找時，即使使用最大沖擊電壓也無法擊穿電纜高阻故障點。

（2） 故障點燃弧時間過短。被試電纜電容量越大，所需要的沖擊能量（W=CU2）越大，才能保證故障點燃弧時間足夠長，以滿足二次（多次）脈沖法或沖閃法等的測試要求。對于較長的電纜線路，即使利用定位裝置的最大沖擊能量，也往往無法解決由于故障點燃弧時間過短導致不能得到較好的測試波形的問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，為高阻故障電纜提供一種擊穿故障點的方法，使后續使用現有的二次脈沖法、多次脈沖法、脈沖電流法等方法能夠成功使用于降阻后的故障電纜，實現故障定位。

本發明的原理為：由負極性的高壓直流組成電荷充入系統，由負極性的高壓脈沖電流發生器與負極性直流延弧裝置共同組成擊穿燃弧系統。兩個系統通過各自開斷裝置及附屬連接線與被試電纜連接。

本發明解決技術問題所采用的技術方案是：先為故障電阻施加預定數值的負極性的直流電壓一定時間（綜合考慮直流電壓下電纜能夠有效聚集電荷的時間），使電纜高阻故障點聚集大量電荷。之后對電纜施加負極性的高壓脈沖電流，與故障點殘留電荷疊加，加強高阻故障點電場強度，成功擊穿并燃弧。并及時注入負極性直流延弧電流，維持燃弧并直至電纜故障點絕緣降低，完成故障點擊穿。

基于電荷疊加原理的XLPE電纜高阻故障點擊穿方法，具體包括以下步驟：

步驟a，根據被試電纜的電壓等級和故障絕緣電阻值，選擇一定數值的負極性直流電壓值，施加于故障電纜，并設定一定的施壓時間；

步驟b，負極性直流施加完成后，降直流電壓為0，并啟動開斷隔離單元將負極性直流發生裝置切除；

步驟c，啟動開關控制單元，將負極性高壓脈沖發生裝置和負極性直流延弧發生裝置接至故障電纜；

步驟d，設置脈沖電壓幅值，設定時延施加負極性直流電壓，觸發高壓脈沖發送至故障電纜，由于故障點已聚集殘留電荷的疊加作用使電場畸變加劇，增大放電能量，使高阻故障點擊穿并燃弧；

步驟e，根據設定的時延，在故障點燃弧尚未熄滅時，開關控制單元自動將設定數值的負極性直流延弧電流施加至故障電纜，維持燃弧一定的時間，使故障點燒蝕、炭化，降低絕緣電阻值，完成故障點擊穿。

進一步地，實施該方法的故障擊穿系統應至少包括：

（1）負極性高壓直流發生裝置，用于產生負極性的直流電壓，使高阻故障點聚集電荷。

（2）負極性高壓脈沖電流發生裝置，用于產生高電壓的負極性脈沖電壓電流，疊加殘留電荷使高阻故障點加強電場畸變并成功擊穿燃弧。

（3）負極性直流延弧發生裝置，用于產生負極性直流電壓電流，使故障擊穿點燃弧時間延長，并提供燃弧能量使燃弧通道炭化，降低故障點絕緣電阻。

（4）中央控制單元，用于設定試驗程序，控制開斷裝置。

（5）開斷隔離單元，用于根據中央控制單元的參數設置和指令投切負極性高壓直流發生裝置。

（6）開關控制單元，用于高壓脈沖電流的發生后，待一定的延時后投入負極性直流維持燃弧。根據被試電纜電容量的不同，脈沖電流寬度范圍不同，設定的延時依據為：脈沖電流上升沿起始時間至下降沿70%-30%峰值處，保證負極性直流切入時刻位于脈沖電流的下降沿，且脈沖電流未熄滅。

（7）濾波及保護單元，將直流電壓通過電感設備連接到被試電纜，能夠對直流進行濾波，實現同時具有阻止高壓脈沖傳遞到直流發生器的作用。

（8）測量與顯示單元，用于測量高壓脈沖、直流電壓的幅值和波形，同時反饋至中央控制單元并顯示。

與現有技術相比，本發明所具有的有益效果是：

通過本系統，能夠使高阻故障點聚集殘留電荷，在高壓脈沖的作用下加強電場畸變，增大放電能量，從而使高阻故障點擊穿燃弧成為可能。

通過中央控制單元，能夠合理的控制三種電壓施加到故障電纜的順序和時間，使三種電壓的形成整體性配合，完成故障點擊穿。同時能夠有效的隔離各裝置之間的影響。

附圖說明

圖1為基于電荷疊加原理的電纜高阻故障點擊穿技術主回路示意圖。

圖2為基于電荷疊加原理的電纜高阻故障擊穿系統中央控制單元控制關系方框圖。

圖3為基于電荷疊加原理的電纜高阻故障擊穿技術電壓施加次序圖。

圖中，1 負極性高壓脈沖電流發生裝置，2 負極性高壓直流發生裝置，3 負極性直流延弧發生裝置，4 故障電纜，5 測量與顯示單元。

具體實施方式：

本發明公開了一種基于電荷疊加原理的電纜高阻故障擊穿技術，用于XLPE電纜高絕緣電阻故障點的擊穿降阻，以適應二次脈沖法等電纜故障預定位技術的應用。其特征包括：負極性高壓直流發生裝置；負極性高壓脈沖電流發生裝置；負極性直流延弧發生裝置；控制各裝置投切的控制系統。通過對故障電纜施加負極性直流電壓，使故障點聚集大量空間電荷。再施加負極性高壓脈沖電流時由于電荷疊加增大故障點電場畸變，使故障點擊穿并燃弧，后續的負極性直流延弧電流維持燃弧，使故障點燒蝕，絕緣電阻降低。

在一個具體實施例中，結合說明書附圖說明基于電荷疊加原理的電纜高阻故障擊穿技術具體實施方式如下：

（1）本專利所公開的基于電荷疊加原理的電纜高阻故障擊穿技術及試驗裝置，適用于220kV及以下電壓等級的XLPE電纜高絕緣電阻故障的低阻化。

（2）該技術涉及三個主要的電壓電流發生裝置，相應的試驗階段分為3個：直流充電階段、脈沖擊穿階段、恒流燃弧階段。

（3）如（2）所述直流充電階段，負極性直流發生器最高可產生80kV直流電壓，對各電壓等級電纜進行直流充電時，試驗電壓按以下原則控制：除127/220kV電纜施加80kV電壓外，110kV及以下等級電纜的充電電壓值為25%的直流耐壓試驗電壓值。具體為：4/110kV電纜為48kV，26/35kV電纜為19.5kV，21/35kV電纜為15.8kV，8.7/10kV電纜為9.3kV，6/10kV電纜為6.3kV。直流充電時間為5min。

（4）如（2）所述脈沖擊穿階段，負極性高壓脈沖電流發生器儲能電容由4個電容器串聯或并聯組成，單個電容器額定電壓為8kV，當4個電容器串聯時，儲存電荷可使浪涌發生器達到最高電壓32kV。此外，根據電容器的不同連接方式，可形成最高輸出16kV、8kV的工作模式。儲存在一個特定電容器中的能量由充電電壓決定，在三種模式下，最大沖擊能量均為2048J。

（5）如（2）所述的恒流燃弧階段，負極性直流延弧發生裝置額定輸出電壓5kV，額定連續輸出電流200mA，短路電流2.5A。

（6）初始狀態高壓直流發生器與被試電纜連接，高壓脈沖發生器與直流延弧發生器和被試電纜斷開。如圖3所示，自t₁時刻高壓直流發生器開始升壓，至t₂升值預設電壓，持續5min到t₃，完成加壓后至t₄時刻直流電壓降至0。之后t₅時刻控制開斷隔離單元將高壓直流發生器與被試電纜斷開。隨后，在t₆時刻操作開關控制單元將高壓脈沖發生器接至被試電纜，與直流延弧發生器隔離。t₇時刻，直流延弧發生器開始升壓，并升至預設電壓；t₈時刻高壓脈沖發生器動作發送負極性高壓脈沖至被試電纜，并在故障點擊穿燃弧；根據預設延時，在t₈時刻之后極短的時間內，脈沖電流燃弧未熄滅時，即t₉時刻動作開關控制單元，將直流延弧電壓電流接至被試電纜，維持故障點燃弧，直至t₁₁時刻直流逐漸將至0。

本專利所公開的一種基于電荷疊加原理的電纜高阻故障擊穿技術及試驗裝置，適用于220kV及以下XLPE電纜高絕緣電阻故障點擊穿燃弧，具有一定的通用性。

以上利用具體實施例對本發明的檢測原理及具體實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想，本說明書內容不應理解為對本發明的限制；對于本領域技術人員，依據本發明的基本思路，在具體實施方式及應用范圍上做出另外的變更和改動，也應包含于本發明。綜上所述，本發明所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明范圍的所有變更和修改。