電力電纜的故障測(cè)距與定點(diǎn)方法探討

文　旻

摘要：電力電纜作為整個(gè)電力系統(tǒng)的重要組成部分，一旦發(fā)生故障將直接影響著整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，如何快速、準(zhǔn)確地查找電纜故障，減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失，成為電力工程領(lǐng)域與研究界日益關(guān)注的問題。文章分析了電力電纜故障的原因及分類，探討了電力電纜的故障測(cè)距與定點(diǎn)方法，并對(duì)電力電纜故障在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：電力電纜；故障測(cè)距；故障定點(diǎn)；在線監(jiān)測(cè)；脈沖

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2009）15-0014-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，我國(guó)的城市電網(wǎng)改造工作大力地開展。由于電力電纜應(yīng)用成本的下降，以及電力電纜自身所具有的供電可靠性高、不受地面、空間建筑物的影響、不受惡劣氣候侵害、安全隱蔽耐用等特點(diǎn)，因而獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，與架空輸電線路相比，雖然電力電纜的上述優(yōu)點(diǎn)卻為后期電纜的維護(hù)工作特別是故障測(cè)距與定位帶來了較大的難度，尤其電纜長(zhǎng)度相對(duì)較短、線路故障不可觀測(cè)性等特點(diǎn)都決定了電纜線路要求有更精確的故障測(cè)距方法。另一方面，電力電纜作為整個(gè)電力系統(tǒng)的重要組成部分，一旦發(fā)生故障將直接影響著整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并且如故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，則可能導(dǎo)致火災(zāi)、大規(guī)模停電等較大的事故后果。因此，如何快速、準(zhǔn)確地查找電纜故障，減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失，成為電力工程領(lǐng)域與研究界日益關(guān)注的問題。

一、電力電纜故障原因及類型

（一）電力電纜故障原因

隨著電纜數(shù)量的增多及運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，由于電纜絕緣老化特性等因素，故障發(fā)生概率大大增加。電纜故障點(diǎn)的查找與測(cè)量是通訊和電力供應(yīng)暢通的有力保障，但是因?yàn)殡娎|線路的隱蔽性、個(gè)別運(yùn)行單位的運(yùn)行資料不完善以及測(cè)試設(shè)備的局限性，使電纜故障的查找非常困難。尤其是在狂風(fēng)、暴雨等惡劣天氣中，給故障的查找、維修帶來了很大不便。了解電纜故障的原因，對(duì)于減少電纜的損壞，快速地判定出故障點(diǎn)是十分重要的。

電纜發(fā)生故障的原因是多方面的，常見的幾種主要原因包括：

1．機(jī)械損傷。主要由于電纜安裝敷設(shè)時(shí)不小心造成的機(jī)械損傷或安裝后靠近電纜路徑作業(yè)造成的機(jī)械損傷而直接引起的。

2．絕緣老化變質(zhì)。主要是由于電纜絕緣內(nèi)部氣隙游離造成局部過熱，從而使絕緣炭化。

3．化學(xué)腐蝕。電纜路徑在有酸堿作業(yè)的地區(qū)通過，或煤氣站的苯蒸汽往往造成電纜鎧裝和鉛（鋁）護(hù)套大面積長(zhǎng)距離被腐蝕。

4．設(shè)計(jì)和制作工藝不良。拙劣的技工、拙劣的接頭，電場(chǎng)分布設(shè)計(jì)不周密，材料選用不當(dāng)，不按技術(shù)要求敷設(shè)電纜往往都是形成電纜故障的重要原因。

5．過電壓。過電壓主要是指大氣過電壓（雷擊）和電纜內(nèi)部過電壓。

（二）電力電纜故障類型

根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為低阻、高阻、開路與閃絡(luò)性故障。

1．低電阻接地或短路故障：電纜線路一相導(dǎo)體對(duì)地或數(shù)相導(dǎo)體對(duì)地或數(shù)相導(dǎo)體之間的絕緣電阻低于正常阻值較多，電阻值低于10Zc（Zc為電纜線路波阻抗），而導(dǎo)體連續(xù)性良好。常見類型有單相接地、兩相短路、兩相短路接地、三相短路接地等。

2．高電阻接地或短路故障：與低電阻接地或短路故障相似，但區(qū)別在于接地或短路的電阻大于10Zc而芯線連接良好。常見類型有單相接地、兩相短路、二相短路接地、三相短路接地等。

3．開路故障：電纜各相導(dǎo)體的絕緣電阻符合規(guī)定，但導(dǎo)體的連續(xù)性試驗(yàn)證明有一相或數(shù)相導(dǎo)體不連續(xù)，或雖未斷開但工作電壓不能傳輸?shù)浇K端，或雖然終端有電壓但負(fù)載能力較差。常見類型有單相斷線、兩相斷線、三相斷線。

4．閃絡(luò)故障：低電壓時(shí)電纜絕緣良好，當(dāng)電壓升高到一定值或在某一較高電壓持續(xù)一定時(shí)間后，絕緣發(fā)生瞬時(shí)擊穿現(xiàn)象。常見類型有單相剮絡(luò)、兩相閃絡(luò)、三相閃絡(luò)。

二、電纜故障測(cè)距方法分析

根據(jù)不同性質(zhì)的故障，電纜故障的測(cè)距采用不同的方法。目前主要有電橋法和根據(jù)行波原理發(fā)展的低壓脈沖反射法、脈沖電壓法、脈沖電流法、二次脈沖法。電橋法測(cè)試電纜受條件限制較多，對(duì)于高阻故障無法進(jìn)行測(cè)試。隨著新技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)上電橋法用得越來越少。

（一）低壓脈沖反射法

通過計(jì)量發(fā)射脈沖和故障點(diǎn)反射脈沖之間的時(shí)間差△t來測(cè)取故障距離。若設(shè)脈沖電波在電纜中的傳播速度為v，則電纜故障距離S可由下式計(jì)算：S=0.5v△t。低壓脈沖反射法適于測(cè)定電纜的低阻和開路故障，也可用于校對(duì)電纜的全長(zhǎng)和顯示電纜中間接頭的位置，還可用于測(cè)定電纜的波傳播速度，測(cè)量準(zhǔn)確率較高，應(yīng)用較廣。

（二）脈沖電壓法

又稱閃測(cè)法，是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的用于測(cè)量高阻與閃絡(luò)性故障的方法。該方法首先將電纜故障點(diǎn)在直流高壓（直閃法）或沖擊高壓（沖閃法）信號(hào)下?lián)舸?，然后記錄下放電脈沖在測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)往返一次所需的時(shí)間，再根據(jù)電波在電纜中的傳播速度，就可算出故障點(diǎn)的距離。該方法測(cè)試速度快，波形清晰易判。但其接線復(fù)雜，分壓過大時(shí)對(duì)人和儀器有危險(xiǎn)。

（三）脈沖電流法

這是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種測(cè)試方法，以安全、可靠、接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)顯示了強(qiáng)大的生命力。它與脈沖電壓法大致相同，區(qū)別只在于：脈沖電流法是通過一線性電流藕合器來測(cè)量電纜故障擊穿時(shí)產(chǎn)生的電流脈沖信號(hào)。脈沖電流法也包括直閃法和沖閃法兩種類型。直閃法用于測(cè)量閃絡(luò)性高阻故障；而沖閃法主要用于測(cè)量泄漏性高阻故障，也可測(cè)量閃絡(luò)性高阻故障。直閃法測(cè)量線路中包括：電流耦合器、調(diào)壓器、高壓試驗(yàn)變壓器、整流硅堆、儲(chǔ)能電容。測(cè)量時(shí)，調(diào)整儀器從0開始給電纜加直流電壓，當(dāng)電壓升到一定值時(shí)，故障點(diǎn)閃絡(luò)放電，線性電流耦合器輸出第一個(gè)電流脈沖。放電脈沖到達(dá)故障點(diǎn)后又被反射，折回到儀器端。這一過程不斷進(jìn)行，直到放電過程結(jié)束，則故障點(diǎn)到測(cè)量端的距離可由此計(jì)算出來。沖閃法測(cè)量線路中則有一球間隙，用以改變加到電纜上的沖擊電壓高低和放電間隔時(shí)間。測(cè)量時(shí)從0調(diào)節(jié)T，當(dāng)電壓增加到某一值時(shí)，球間隙G擊穿，使電容對(duì)電纜芯線放電。當(dāng)電壓信號(hào)幅值大于故障點(diǎn)臨界擊穿電壓，則高壓信號(hào)沿電纜行進(jìn)到故障點(diǎn)一定的時(shí)間后，故障點(diǎn)電離，擊穿放電。閃測(cè)儀將記錄到相應(yīng)的波形，則故障點(diǎn)到測(cè)量端的距離可由此計(jì)算出，△t表示相鄰兩個(gè)同極性脈沖（第一個(gè)脈沖除外，因?yàn)楣收宵c(diǎn)擊穿有延時(shí)）的時(shí)間差。

（四）二次脈沖法

20世紀(jì)90年代，國(guó)外發(fā)明二次脈沖法。它先用高壓脈沖將故障點(diǎn)擊穿，在故障點(diǎn)起弧后熄弧前，由測(cè)試儀器向電纜耦合注入一低壓脈沖。此脈沖在故障點(diǎn)閃絡(luò)處（電弧的電阻值很低）發(fā)生短路反射，并記憶在儀器中。電弧熄滅后，測(cè)量?jī)x器復(fù)發(fā)一測(cè)量脈沖通過故障處直達(dá)電纜末端并發(fā)生開路反射，比較兩次低壓脈沖波形可非常容易地判斷故障點(diǎn)（擊穿點(diǎn)）位置。二次脈沖法使得電纜高阻故障的測(cè)試變得十分簡(jiǎn)單，是目前電力電纜故障離線測(cè)試最先進(jìn)的基礎(chǔ)測(cè)試方法。

三、電纜故障定點(diǎn)方法分析

目前，常用的電纜精確定點(diǎn)的方法有聲測(cè)法、音頻感應(yīng)法和聲磁同步法。聲測(cè)法主要用于高阻故障的精確定點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，聲測(cè)法常因受到電纜故障點(diǎn)環(huán)境因素的干擾，如振動(dòng)噪聲大，電纜埋設(shè)過深等，造成定點(diǎn)困難。電阻小于10Ω的低阻故障，傳統(tǒng)的定點(diǎn)方法是音頻感應(yīng)法。音頻感應(yīng)法是通過人的耳朵對(duì)聲音信號(hào)強(qiáng)弱的分辨來判斷故障點(diǎn)的位置，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高。聲磁同步法利用故障點(diǎn)放電同時(shí)產(chǎn)生的電磁波和聲波確定故障點(diǎn)。通過監(jiān)測(cè)接收到的磁聲信號(hào)的時(shí)間差，可以估計(jì)故障點(diǎn)距離探頭的位置，比較在電纜兩側(cè)接收到脈沖磁場(chǎng)的初始極性，亦可在進(jìn)行故障定點(diǎn)的同時(shí)尋找電纜路徑。

四、電纜故障在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展

隨著城網(wǎng)的發(fā)展，原有主要依靠定期停電后進(jìn)行絕緣預(yù)防及檢測(cè)電路的方法已難以滿足現(xiàn)實(shí)的要求。近年來不少研究者提出了一些新的在線帶電檢測(cè)方法，這些方法對(duì)早期發(fā)現(xiàn)電力電纜特別是交聯(lián)聚乙烯電纜存在的絕緣缺陷及老化情況，很有作用。通常有以下幾種方法：

（一）直流疊加法

在接地的電壓互感器的中性點(diǎn)處加進(jìn)低壓直流電源（通常為50V），使該直流電壓與運(yùn)行中電纜的交流電壓疊加，檢測(cè)通過電纜絕緣層的極微弱的直流電流，即可測(cè)得整條電纜的絕緣電阻，從而可對(duì)電纜的好壞進(jìn)行判斷。直流疊加法的特點(diǎn)是抗干擾能力較強(qiáng)。但絕緣電阻與電纜絕緣剩余壽命的相關(guān)性并不好，分散性相當(dāng)大。絕緣電阻與許多因素有關(guān)，即使同一根電纜，也難以僅靠測(cè)量其絕緣電阻值來預(yù)測(cè)其壽命。

（二）直流分量法

通過檢測(cè)電纜芯線與屏蔽層電流中極微弱的直流成分，對(duì)電纜中某一點(diǎn)或某一局部存在的樹枝化（水樹枝、電樹枝）絕緣缺陷進(jìn)行劣化診斷。直流分量法測(cè)得的電流極微弱，有時(shí)也不大穩(wěn)定，微小的干擾電流就會(huì)引起很大誤差。研究表明，這些干擾主要來自被測(cè)電纜的屏蔽層與大地之間的雜散電流，因雜散電流及真實(shí)的由水樹枝引起的電流，均通過直流分量測(cè)量裝置，以至造成很大誤差。可考慮采取旁路雜散電流或在雜散電流回路中串入電容將其阻斷等方法。目前國(guó)外將用直流分量法測(cè)得的值分為大于100nA、1～100nA、小于1nA 三檔，分別表明絕緣不良、絕緣有問題需要注意、絕緣良好。

（三）介質(zhì)損耗因數(shù)法

將加于電纜上的電壓用電壓互感器或分壓器取出，將流過絕緣中的工頻電流用電流互感器取出，然后在自動(dòng)平衡回路中檢測(cè)上述信號(hào)的相位差，即可測(cè)出電纜絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)

（四）分布式光纖溫度傳感器

利用分布式光纖溫度傳感器，通過檢測(cè)故障點(diǎn)附近溫度變化情況來實(shí)現(xiàn)電纜故障定位。這種檢測(cè)技術(shù)成本較高，主要應(yīng)用于新敷設(shè)的重要電纜。

五、結(jié)語

目前，電力電纜的故障檢測(cè)主要為離線測(cè)試。但是，在線監(jiān)測(cè)具有更為明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來，電力系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)得到迅速發(fā)展并成為目前國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。電力電纜故障的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，將成為未來電力電纜故障檢測(cè)技術(shù)的趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：文旻（1974－），男，湖南湘潭人，供職于中天建設(shè)集團(tuán)浙江安裝工程有限公司，研究方向：機(jī)電工程。