電力電纜故障測尋方法的探討

三峽電力職業(yè)學院動力工程學院 汪 敏

1.引言

隨著國家城市電網改造工作的開展以及城鎮(zhèn)的發(fā)展和城市環(huán)境美化的需要，用電量越來越大，由于架空線受到城市地面、空間、環(huán)境保護、安全及美觀的限制，電力電纜逐步取代了架空線輸送電能。很多城市都基本實現了市內無塔桿的目標，建立了良好的居住和投資環(huán)境。但是，電力電纜多是埋在地下的，無論是在電纜施工還是在生產運行中，都會出現故障，一旦故障發(fā)生，查找起來就很困難，往往需要花費數個小時，有時候甚至是好幾天的時間，這樣勢必浪費大量的人力、物力和財力，同時會對社會、經濟生活的正常運行造成影響。因此快速、準確地測尋到電纜故障點具有重要意義。

電力電纜故障探測是一項技術性比較強的工作，需要測試人員很好的掌握探測的原理和方法，并具有一定的工作經驗。對電力電纜故障，采用常規(guī)的預防性試驗方法進行診斷難以奏效時，必須采用專門的儀器和方法進行診斷。主要步驟是：判斷故障性質；選擇相應的方法進行粗測；精確測定故障點。

2.電纜故障的原因和分類

2.1 電力電纜發(fā)生故障的原因

通過查閱很多供電公司的電纜故障統(tǒng)計數據發(fā)現，電力電纜常見的故障主要原因如下：

（1）機械損傷，指電纜受外力作用造成的損傷，包括交通運輸和施工的損壞，電纜敷設及附件安裝過程中造成損壞和自然力造成損壞；震動引起鉛護套的疲勞損壞，摩擦龜裂、彎曲過度、地質下沉承受過大的拉力造成的損傷；進而引起短路跳閘或傷及絕緣，留下故障隱患。

（2）設計和制作工藝問題。指中間接頭和終端頭的防水層設計不夠嚴密，電纜接頭密封不好，容易導致電纜頭進水；屏蔽帶處理不當，導體連接不良、內絕緣放電長度不夠，以及選用的材料不當、電場分布考慮不得當、工藝要求不嚴格或未按規(guī)程進行、機械強度的裕度不夠等，都會導致電纜發(fā)生故障。

（3）電纜本體質量問題，由于銅價不斷攀升，不少廠家為降低成本，盡量在生產過程中采取標準的負公差，降低了安全系數，可能導致電纜本體缺陷。另外，電纜絕緣受潮、老化，護層腐蝕也是間接影響故障的源頭。

（4）電纜的運行維護問題。電纜長期在電和熱的作用下運行，其物理性能會發(fā)生變化，各部件發(fā)熱、過載或散熱不良，電纜容易出現熱擊穿及過熱使電纜線芯燒斷等故障。長期過負荷運行，還會造成絕緣干枯、脆化，導致絕緣強度降低或介質損耗增大，最終引起絕緣層擊穿，同時使電纜壽命縮短。

2.2 電力電纜故障的分類

按故障發(fā)生的直接原因，可將電力電纜故障分為試驗擊穿故障和運行中發(fā)生的故障。

（1）試驗擊穿故障。在試驗過程中發(fā)生擊穿的故障，其性質比較單純，通常是一相接地或兩相接地，很少有三相同時接地或短路的情況，更不會出現斷線故障。

（2）運行中的電纜故障

1）低阻故障，電纜一芯或數芯對地絕緣電阻或芯與芯之間的絕緣電阻低于10Zc（Zc為電纜特性阻抗，一般不超過40Ω）而導體連續(xù)性能良好者稱之為低阻故障。

2）高阻故障，電纜一芯或數芯對地絕緣電阻或芯與芯之間的絕緣電阻低于正常值很多，但高于10 Zc，而導體連續(xù)性能良好者稱之為高阻故障。

圖1 電橋實物圖

3）泄漏性故障，是高阻故障的一種極端形式。在電纜進行預防性試驗時，泄漏電流隨試驗電壓的升高而增加，且超過允許值，此時試驗電壓達到額定試驗電壓值，這種情況稱為泄漏性故障。

4）電纜兩芯或三芯接地而發(fā)生的故障，稱為短路故障，可分為低阻短路故障和高阻短路故障，劃分原則與上述相同。短路故障，通常是由于電纜絕緣被擊穿而引起的。

5）閃絡性故障及封閉性故障，主要是在進行預防性試驗時發(fā)生的兩類故障，并多數出現在電纜終端或中間接頭內，尤其是封閉性故障多數發(fā)生在注油的電纜頭內。在電纜進行預試時，泄漏電流突然增大并迅速產生閃絡擊穿，發(fā)生絕緣被擊穿后又恢復正常，有時連續(xù)擊穿，有時隔數秒或數分鐘后再擊穿，這類故障稱為閃絡性故障。具有閃絡性故障隱患的電纜，短期內在較低電壓下其閃絡擊穿的現象可能會完全停止并顯現較好的電氣性能。擊穿后，待絕緣恢復，擊穿現象完全停止的故障，稱為封閉性故障。

6）具有上述兩種或兩種以上的故障，稱為混合故障。

圖2 電橋法等效電路圖圖3 脈沖電流法原理接線圖

圖4 PDCheck局放測試設備主要部件

另外，電力電纜故障，還可按故障的性質分為絕緣故障和導體故障兩大類。按其發(fā)生的部位來分，可分為電纜本體故障、電纜戶外終端頭故障、電纜戶內終端頭故障、電纜中間接頭故障四種類型的故障。

3.傳統(tǒng)電力電纜故障測尋的方法介紹

傳統(tǒng)意義上的故障測尋方法分為測距法和定點法?！皽y距”即運行人員使用特定的方法和相應儀器，測算出電纜故障點到測距點的距離，但由于電纜敷設的路徑與工程測量尺寸有一定的誤差，以及測試儀器的測量精度受到一定的影響，使得此“測距”方法只能確定出故障點的可能地段，即粗略位置，故又稱“粗測”。

3.1 粗測距方法

粗測方法的具體實施一般包括：電橋法、脈沖反射法和閃絡法。

（1）電橋法：將被測電纜故障相與非故障相短接，電橋兩臂分別接故障相與非故障相，調節(jié)電橋兩臂上的一個可調電阻器，使電橋平衡，利用比例關系和己知的電纜長度就能得出故障距離。用低壓電橋測電纜低阻擊穿，用電容電橋測電纜開路斷線。電橋法測量結果精確，但需要完好芯線做回路，電源電壓不能加得太高，實物與等效電路見圖1、圖2。

（2）脈沖電流法：其原理是通過直流高壓發(fā)生器逐漸增大加在電容上的電壓，當電壓增大到某一值時，球間隙發(fā)生火花放電。間隙放電后，電容對電纜導體施加高壓，若該電壓幅值大于故障臨界擊穿電壓，當高壓行波沿電纜導體運動到故障點一定的時間后，故障點電離導致?lián)舸?，擊穿時形成的脈沖在測量點和故障點之間反射，利用故障點擊穿時產生的脈沖與相應的故障點反射脈沖之間的時間差△t來測量故障的距離。脈沖電流法的原理接線圖如圖3

B-試驗變壓器，C充電電容器，D-高壓硅堆，L-線性電流耦合器，J-放電間隙

（3）閃絡法：利用故障點瞬間放電產生多次反射波。故障點的放電是在高電壓作用下進行的。其中包括直流高壓閃絡測量法（直閃法），主要用于測量電纜的閃絡性高阻故障；還包括沖擊高壓閃絡測量法(沖閃法)，主要用于測量電纜的泄漏性故障。相比之下，直閃法的波形簡單、容易理解，準確度高；沖閃法的波形比較復雜，辨別難度較大，準確度較低，但是適用范圍要更廣一些。

3.2 精確測距方法

根據電纜故障測距工作階段的結果，在電纜故障點的附近通過測試儀器和設備對電纜故障點的位置進行精確的定位，即為“定點”，也稱精測法。

目前精確定位的方法包括聲測法、音頻感應法。

（1）聲測法：其原理是，利用一個已充電的大容量高壓電容器（閃測儀）對故障點產生規(guī)律放電的裝置，使故障點放電，由于故障點具有一定的故障電阻，在放電回路中故障電阻相當于一個放電間隙，在放電時故障點處形成機械振動和放電聲音，用拾音器或拾音棒在故障附近反復聽測，找到地面振動最大、聲音最響處，即實際故障點的位置。

（2）音頻感應法：它是通過檢測電纜沿線磁場的變化規(guī)律來確定電纜故障點的。當音頻電流經過電纜線芯時，電纜的周圍將產生電磁波，檢測人員隨身攜帶電磁感應接收器，沿線路行走時，接收器將受到電磁波影響產生音頻電勢，接收器用音頻信號放大器將此信號放大后送入耳機或電表，耳機中將聽到音頻信號，音頻電流流到故障點時，電流突變，電磁波的突變，從而可以根據聲音和電表指示變化，判斷電纜故障點的精確位置。

圖5 測試電纜終端設備連接示意圖

圖6 測試電纜中間接頭設備連接示意圖

4.新型電力電纜故障狀態(tài)監(jiān)測技術的探討

4.1 局放檢測技術

35kV及以上輸電電纜的局放狀態(tài)檢測主要采用如圖4所示的由意大利某公司研發(fā)的局放測試設備PDCheck，該設備主要包括信號采集單元（主機）、高頻CT、同步線圈和專家診斷系統(tǒng)（軟件）四個部分。

現場測試時，將高頻CT卡在電纜終端或者中間接頭的接地線上，同步線圈卡在電纜本體或接地線上并于信號采集單元連接，如圖5、圖6所示。

PDCheck是基于局放電流脈沖波形的局放檢測裝置，它通過對放電的電流脈沖信號進行高速（100M/s）寬帶采樣獲取信號完整的時域波形，并針對不同放電及噪聲的差異提取多種信號特征，繼而進行分離和比較，同時運用一定的方法，判斷被測放電類型與已知放電類型的相似性，從而實現對每一類放電進行甄別，進而確定放電類型，診斷設備絕緣狀態(tài)。此方法檢測精度高，系統(tǒng)結構簡單、安裝方便，且能確保操作人員的安全，非常適合現場使用。

4.2 光纖測溫技術

通過在電纜隧道頂部或電纜本體外部敷設測溫光纖，或將測溫光纖在電纜生產時加裝在電纜本體內，可以實現連續(xù)、實時、在線測量隧道環(huán)境或電纜本體溫度信號的目的。并且具有抗電磁、耐高壓、防爆、防燃、尺寸小等優(yōu)點?？梢约皶r發(fā)現運行電纜線路的缺陷（如電纜接頭、終端發(fā)熱等）信息，為開展狀態(tài)檢修提供依據；當隧道內發(fā)生火災或出現溫度異常等情況時發(fā)送報警信號，確定溫度異常點所在位置，實現隧道火災預警功能；還可以計算電纜實時負載率數據，檢驗載流量理論計算值的準確性，為進一步提高電纜載流量計算的水平提供第一手資料。

如2008年1～8月，北京電力電纜網運行監(jiān)控中心通過分布式光纖測溫系統(tǒng)采集到數據，先后發(fā)現7處110kV及220kV電力電纜隧道內的局部發(fā)熱缺陷，通過現場檢查進一步確認發(fā)熱原因，并及時采取了有效的運行防護措施，確保了電力電纜的安全可靠運行。

4.3 紅外熱成像技術

紅外熱成像技術不僅能分辨熱的差異，而且還是能使這種差異量化的一種技術，也是一種非接觸式溫度測量技術。紅外點溫儀在使用時需要對電纜線路各處分別測量，容易遺漏測量部位；而紅外熱成像儀可以直接對線路進行掃描，并能顯示熱譜圖，具有清晰直觀、測溫全面等優(yōu)點。2008年北京奧運會期間北京市電力公司就已全面采用紅外熱成像儀對輸電電纜設備進行檢測。

案例1：2006年3月，某電纜運行單位在紅外測溫中發(fā)現某220kV變電站內某110kV戶內瓷套式電纜終端頭瓷套表面出現局部發(fā)熱現象：A、B、C三相溫度分別為6.3、6.7、5℃，環(huán)境溫度為2℃。停電檢查后發(fā)現電纜終端接頭內部應力錐外表面軟管夾松動存在缺陷導致發(fā)熱。

4.4 GPS行波故障定位

基于Internet的網絡化網絡已經成為人們工作和學習的重要工具，它對于智能電纜故障監(jiān)測系統(tǒng)來講也是很重要的，因為它是遠程操作、監(jiān)控的唯一有效的途徑?；谡麄€輸電網GPS行波故障定位：全球定位系統(tǒng)GPS是近年發(fā)展起來的用于通信系統(tǒng)的最新技術。輸電線路行波故障定位具有很高的精度，但需要高速A/D采集、大量數據存儲、復雜的行波波頭辨識，且對發(fā)展性故障、近距離故障的測量處理比較困難。如用專用行波波頭檢測傳感器、高精度的GPS時鐘及存儲行波波頭時刻的高效存取方法，在每個變電站安裝一臺專門設計的行波波頭記錄儀，與調度通信構成輸電網GPS行波測量網絡，則可直接測量故障行波

波頭到達各個變電站的準確時刻，由調度進行故障定位。

5.結束語

綜述，電力電纜故障點的測尋是根據不同的電纜故障性質和電纜的運行環(huán)境，選擇不同的測試方法。科學地掌握電纜故障測尋的方法對快速準確地查找故障點，對節(jié)約企業(yè)資金，降低經濟損失有很重要的意義。

隨著科技的不斷進步以及電纜故障探測方法理論水平的不斷提高，新的電纜檢測故障的方法不斷涌現，其中以電纜故障的智能化管理是發(fā)展的趨勢所在，新的電纜故障定位理論、傳感器、微型機算計及網絡的結合，為智能化電纜故障探測系統(tǒng)開辟了廣闊的前景。

對于專業(yè)的故障測尋人員來說，只要能認真、冷靜分析故障的類型和性質，平時多注意積累這方面的經驗，總結、分析以往的每一次測尋工作，久而久之，就能做到得心應手的掌握探測方法，收到滿意的效果。

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