10 k V配網(wǎng)電力電纜故障檢測與定位淺析＊

趙志修，沈洪良

（國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

10 k V配網(wǎng)電力電纜故障檢測與定位淺析＊

趙志修，沈洪良

（國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

歸納了10 k V配網(wǎng)電力電纜產(chǎn)生故障的各種原因，介紹了常用的幾種故障檢測與定位的原理和方法并引入了電纜故障定點(diǎn)的新方法.旨在通過對10 k V配網(wǎng)電力電纜故障點(diǎn)測距常用方法和技術(shù)進(jìn)行分析和比較，探索易于進(jìn)行在線檢測的新方法和新技術(shù)，為日后開展10k V配網(wǎng)電力電纜不停電檢修積累經(jīng)驗(yàn)、打下基礎(chǔ).

電力電纜；故障探測；電纜故障定位；10 k V配網(wǎng)

最近幾年，隨著我國城鄉(xiāng)建設(shè)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，電力電纜的應(yīng)用更加廣泛.電纜已成為工業(yè)企業(yè)、生產(chǎn)生活電能輸送必不可少的材料，尤其是在城市10 k V配網(wǎng)系統(tǒng)中，隨著城市化發(fā)展的進(jìn)程，架空線路改為地下電纜，電纜運(yùn)行數(shù)量急劇增加.電纜線路的安全運(yùn)行與人們的生活、生產(chǎn)息息相關(guān)，然而電纜故障一旦發(fā)生，不僅中斷工業(yè)企業(yè)正常生產(chǎn)、居民生活正常用電，還可能引起一連串的不良連鎖反應(yīng)，其損失往往是不可估量的.因此，正確地分析出電纜故障原因，準(zhǔn)確地判斷出電纜故障性質(zhì)，而選擇合適的探測方法，快速、準(zhǔn)確地判定出故障點(diǎn)并及時(shí)消除故障，提高供電可靠性成為當(dāng)前配電運(yùn)行檢修部門的重中之重.

1 電纜故障原因分析

常用的高壓電力電纜主要有紙絕緣繞包型、交聯(lián)聚乙烯絕緣擠包型及橡膠絕緣擠包型等.目前，所用的電力電纜大多采用有機(jī)絕緣材料，如油紙、橡膠、交聯(lián)聚乙烯等.如果電纜的制作質(zhì)量（包括纜芯絕緣、護(hù)層絕緣所用的材料及制作工藝）好、運(yùn)行條件（指負(fù)荷、過電壓、溫度及周圍環(huán)境等）合適，而且不受外力等破壞，則電纜絕緣的壽命相當(dāng)長.電纜絕緣的好壞是影響電纜安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素.

1.1 機(jī)械損傷

機(jī)械損傷類故障比較常見，所占故障率接近60%.一般造成機(jī)械損傷的原因有直接受外力損傷（如機(jī)械牽引力過大而拉傷電纜及過度彎曲而損傷電纜）、施工損傷（如安裝時(shí)碰傷電纜）、自然損傷（如車輛擠壓、巖石冒落砸傷、環(huán)境腐蝕等）.

1.2 絕緣受潮

絕緣受潮是電纜故障的又一主要因素.主要是中間接頭、終端接頭密封工藝不良或密封失效以及電纜護(hù)套被異物刺穿或腐蝕穿孔等導(dǎo)致潮氣侵入，破壞絕緣性能.

1.3 絕緣老化

電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙在電場作用下產(chǎn)生游離或者過熱，引起絕緣層老化、變質(zhì)，從而造成絕緣下降.

1.4 過電壓

過電壓主要指大氣過電壓、操作過電壓和故障暫態(tài)過電壓，它們使電纜絕緣擊穿形成故障.3倍的大氣過電壓或操作過電壓對于絕緣良好的電纜不會(huì)有太大的影響，但實(shí)際上，電纜線路在遭受雷擊時(shí)被擊穿的情況并不罕見.

1.5 過熱

引起電纜過熱的原因主要是電纜長期過負(fù)荷工作、火災(zāi)或鄰近電纜故障的燒傷、靠近其他熱源，長期接受熱輻射等.

1.6 材料缺陷

電纜本身絕緣層材料缺陷：包纏絕緣層過程中，絕緣層上出現(xiàn)褶皺、裂損、破口和重疊間隙等缺陷；電纜接頭附件制造缺陷：不符合規(guī)程或組裝時(shí)不密封等；對絕緣材料維護(hù)管理不善，造成電纜絕緣層受潮、臟污和老化.

2 10 k V配網(wǎng)電力電纜故障類型

2.1 電纜導(dǎo)體損傷產(chǎn)生的故障

（1）開路故障：如果電纜絕緣正常，但卻不能正常輸送電能的一類故障可認(rèn)為是開路故障；一般單純性開路故障很少見到，多數(shù)表現(xiàn)為低阻或高阻故障并存.

（2）斷線故障：如芯線似斷非斷、芯線某一處存在較大的線電阻及斷芯等情況.

2.2 相間或相對低之間絕緣介質(zhì)損傷產(chǎn)生的故障

（1）低阻故障：如果電纜絕緣介質(zhì)損傷，并能用“低壓脈沖法”測試的一類相間或相故障稱為低阻故障.判斷低阻故障的標(biāo)準(zhǔn)不能單以故障點(diǎn)的阻值大小來定論.低阻故障一般與測試儀器的靈敏度、測試儀器與被測電纜的匹配狀況、被測電纜的型號(hào)（或衰減狀況）、故障點(diǎn)發(fā)生的部位以及電纜故障點(diǎn)到測試端的距離等因素有關(guān).

（2）泄露性高阻故障：電纜絕緣介質(zhì)損壞并已形成固定泄露通道的一類相間或相對地故障.表現(xiàn)為電纜做預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)其泄露電流值隨所加的直流電壓的升高而連續(xù)增大，并大大超過被測電纜本身所要求的規(guī)范值，這種類型的故障成為泄露性高阻故障.

（3）閃絡(luò)性高阻故障：未形成固定泄露通道的一類相間或相對地故障.電纜的預(yù)試電壓加到某一數(shù)值時(shí)，電纜的泄露電流值突然增大，其值大大超過被測電纜所要求的規(guī)范值，這種類型的故障成為閃絡(luò)性故障.

3 傳統(tǒng)的電纜故障檢測方法

3.1 測量電阻電橋法

此方法幾十年來幾乎沒有什么變化.對于短路故障、低阻故障，此法測起來甚為方便.電橋法是利用電橋平衡時(shí)，對應(yīng)橋臂電阻的乘積相等，而電纜的長度和電阻成正比的原理進(jìn)行測試的.

3.2 低壓脈沖反射法

低壓脈沖法也稱時(shí)域反射法（TDR），指脈沖反射儀在不通過高壓沖擊器的情況下，獨(dú)立測量電纜的低阻與斷路故障.依據(jù)雷達(dá)原理，在電纜故障相上加一脈沖信號(hào)，當(dāng)電波傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)時(shí)必然有部分反射回來，通過分析入射波與反射波的時(shí)間差，計(jì)算出故障點(diǎn)的距離.由于輸出的信號(hào)電壓低所以比較安全.此方法主要用來測量低阻故障、開路故障以及測試電纜長度.

3.3 脈沖電壓取樣法

脈沖電壓取樣法又稱沖擊高壓閃絡(luò)法，是一種用于測量高阻泄漏與閃絡(luò)性故障的測試方法.首先將電纜故障在直流或脈沖高壓信號(hào)下?lián)舸?，然后通過記錄放電脈沖在測量點(diǎn)與故障點(diǎn)往返一次所需的時(shí)間來測距.脈沖電壓法主要有直流高壓閃絡(luò)（直閃法）與沖擊高壓閃絡(luò)（沖閃法）兩種方法.若高電壓是通過球間隙施加至電纜故障相，且3～5 s沖擊一次則稱作沖擊高壓閃絡(luò)；若直接將高電壓施加到電纜故障相直至擊穿則稱作高壓直閃法.此方法主要用來測量薤露行高阻故障.

3.4 電纜故障定點(diǎn)的傳統(tǒng)方法

3.4.1 聲測法

此方法是利用故障點(diǎn)在高壓沖擊時(shí)的擊穿放電聲音進(jìn)行精確的定位，主要用于高阻故障.加脈沖直流高壓于故障電纜芯線和銅帶之間，使故障點(diǎn)產(chǎn)生間歇放電，引起電磁波輻射和機(jī)械的音頻振動(dòng)，在地面用聲波接收器探頭拾取震波，根據(jù)震波強(qiáng)弱很容易準(zhǔn)確判定故障點(diǎn)的位置.可迅速的找出電纜故障點(diǎn)，查找方法簡單，省時(shí)省力效果良好.

3.4.2 聲磁同步法

給故障電纜加上一個(gè)幅度足夠高的沖擊電壓，使故障點(diǎn)發(fā)生閃絡(luò)放電，產(chǎn)生相當(dāng)大的“啪、啪”放電聲，同時(shí)，會(huì)在電纜的外皮與大地形成的回路中感應(yīng)出環(huán)流來，這一環(huán)流在電纜周圍產(chǎn)生脈沖磁場.用一個(gè)包含接地麥克風(fēng)接受器和耳機(jī)的聽音裝置在地面探測.故障點(diǎn)離麥克風(fēng)的距離越近，閃絡(luò)聲就越大.在監(jiān)聽聲音信號(hào)的同時(shí)，接收到脈沖磁場信號(hào)，即可判斷該聲音是由故障點(diǎn)放電產(chǎn)生的，故障點(diǎn)就在附近，否則可認(rèn)為是干擾.在故障點(diǎn)位置處能探測到閃絡(luò)聲的最大值.

3.4.3 音頻感應(yīng)法

此法一般用于檢測低阻故障.其原理是：用1k Hz的音頻信號(hào)發(fā)生器向待測電纜注入音頻電流，使電纜發(fā)出電磁波，在地面上接收電磁場信號(hào)，并放大，再送入耳機(jī)或指示儀表，根據(jù)聲響強(qiáng)弱或指示儀表值的大小來確定故障點(diǎn)的位置.在向電纜施加沖擊直流高壓使電纜故障點(diǎn)放電時(shí)，會(huì)在電纜周圍產(chǎn)生脈沖磁場.在聲測定點(diǎn)時(shí)接收到脈沖磁場信號(hào)即可認(rèn)為放電聲音是電纜故障點(diǎn)發(fā)出的.

我國早期的電纜絕緣診斷技術(shù)主要是定期的預(yù)防性試驗(yàn)制度，然而由于電纜線路越來越長，投入運(yùn)行數(shù)量越來越多，電容量越來越大，給預(yù)防性試驗(yàn)帶來了很大的困難，而且在長期運(yùn)行中累積的經(jīng)驗(yàn)表明這種定期的預(yù)防性試驗(yàn)存在諸多弊端，主要有：第一，必須停電進(jìn)行試驗(yàn)，不能帶電檢測，這樣往往造成供電中斷；第二，不能根據(jù)電纜絕緣狀況有選擇地進(jìn)行試驗(yàn)，往往是對所有電纜都進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果使絕緣本來完好的電纜經(jīng)多次試驗(yàn)而導(dǎo)致電纜絕緣性能加速劣化；第三，易對電纜造成“累積效應(yīng)"、“整流效應(yīng)”等.因此，電力電纜在線監(jiān)測技術(shù)是電纜絕緣診斷的必然發(fā)展趨勢，電纜故障檢測要求精確度更高的方法.

4 目前電纜故障檢測的新方法

4.1 電纜故障測距的方法

4.1.1 實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)就是一個(gè)具有智能特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)程序，它的智能化主要表現(xiàn)為能夠在特定的領(lǐng)域內(nèi)模仿人類專家思維來求解復(fù)雜問題.因此，專家系統(tǒng)必須包含領(lǐng)域?qū)＜业拇罅恐R(shí)，擁有類似人類專家思維的推理能力，并能用這些知識(shí)來解決實(shí)際問題.

4.1.2 利用因果網(wǎng)對電力系統(tǒng)故障定位

因果網(wǎng)絡(luò)中有4類節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、征兆、假設(shè)、起始原因.狀態(tài)節(jié)點(diǎn)是表達(dá)領(lǐng)域中某部分或某功能的狀態(tài)，如斷路器跳閘；征兆節(jié)點(diǎn)是表達(dá)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的征兆，如斷路器跳閘的征兆是保護(hù)動(dòng)作：假設(shè)節(jié)點(diǎn)是表達(dá)研究系統(tǒng)的診斷假設(shè)，如發(fā)生線路故障的假設(shè)；起始原因節(jié)點(diǎn)是表達(dá)引起故障的最初原因.各類節(jié)點(diǎn)之間可形成對應(yīng)的基本關(guān)系.

4.1.3 小波變換應(yīng)用在電纜故障測距中

小波分析是幾個(gè)學(xué)科共同發(fā)展的結(jié)晶，這幾個(gè)學(xué)科是數(shù)學(xué)、信號(hào)處理以及計(jì)算機(jī)視覺.小波分析在數(shù)學(xué)上是用小波的原型函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其中原型函數(shù)可以看成是帶通濾波器，因此小波分析也可以通過濾波器來實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵是尋求具有恒定相對帶寬的濾波器組，而這正是信號(hào)處理中濾波器組理論的核心內(nèi)容.

4.2 電纜故障精確定點(diǎn)法

電纜故障的預(yù)定位，據(jù)目前的測試水平來看是不困難的.如果用YM電纜故障定位系統(tǒng)，在電纜波形粗測確定以及路徑清楚的情況下，一般只用數(shù)分鐘便能測出故障點(diǎn)至測試端的距離，而且預(yù)定位誤差一般不會(huì)超過10 m.但是，由于電纜運(yùn)行資料的誤差和不完整，故障類型的不同，以及電纜故障點(diǎn)所處的環(huán)境因素的復(fù)雜多樣性，如欠缺電纜的準(zhǔn)確長度和線路圖，在強(qiáng)大的噪聲源和工頻電磁場附近，電纜敷設(shè)在埋管中、難于進(jìn)入到建筑物等，都會(huì)給故障點(diǎn)的精確定點(diǎn)帶來許多意想不到的困難.大量實(shí)踐證明，精確定點(diǎn)方面的問題，已成為快速尋測故障的主要矛盾.

4.3 電纜故障定點(diǎn)的新方法

4.3.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能計(jì)算系統(tǒng).網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)結(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)神經(jīng)元，經(jīng)可以記憶（存儲(chǔ)）、處理一定的信息，并與其他結(jié)點(diǎn)并行工作.求解一個(gè)問題是向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)點(diǎn)輸入信息，各結(jié)點(diǎn)處理后向其它結(jié)點(diǎn)輸出，其它結(jié)點(diǎn)接受并處理后再輸出，直到整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)工作完畢，輸出最后結(jié)果.

4.3.2 GPS（全球定位系統(tǒng)）行波故障定位

傳統(tǒng)的高壓輸電線路故障定位主要基于阻抗算法，這種算法對于高阻接地、多端電源線路、直流輸電線路等情況存在明顯的不適應(yīng)，通常在實(shí)用中其故障定位精度＜3%～5%，這對于長線路（＞100 km）難以滿足尋線要求.

4.3.3 分布式光纖溫度傳感器（FODT）

光纖傳感的基本原理是，當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，光的特性（如振幅，相位，偏振態(tài)等）將隨檢測對象的變化而變化.因此，光從光纖中射出時(shí)，光的特性己得到了調(diào)制.通過對調(diào)制光的檢測，便能感知外界的信息.

4.4 在線帶電檢測新方法

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，原有主要依靠定期停電后進(jìn)行絕緣預(yù)防及檢測電路的方法已難以滿足現(xiàn)實(shí)的要求.近年提出了一些新的在線帶電檢測方法，這些方法對早期發(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：

4.4.1 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，使該直流電壓與運(yùn)行中電纜的交流電壓疊加，檢測通過電纜絕緣層的極微弱的直流電流，即可測得整條電纜的絕緣電阻，從而可對電纜的好壞進(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，也難以僅靠測量其絕緣電阻值來預(yù)測其壽命.

4.4.2 直流分量法

通過檢測電纜芯線與屏蔽層電流中極微弱的直流成分，對電纜中某一點(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.目前國外將用直流分量法測得的值分為大于100 n A、1～100 n A、小于1 n A三檔，分別表明絕緣不良、絕緣有問題需要注意、絕緣良好.

4.4.3 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)平衡回路中檢測上述信號(hào)的相位差，即可測出電纜絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù).

對于電纜的故障診斷和排除，精確度要求較高，尤其是城市10 k V配網(wǎng)系統(tǒng)中，準(zhǔn)確地定位電纜故障是進(jìn)行檢修維護(hù)的關(guān)鍵步驟，一旦故障點(diǎn)確定好，故障也就迎刃而解了；相反，如若電纜故障點(diǎn)的檢測結(jié)果與實(shí)際故障相差較大，那么檢測定位也就失去了意義，并且給檢修維護(hù)人員帶來的麻煩將十分巨大.因此診斷方法與步驟都應(yīng)按照程序進(jìn)行，不能有差錯(cuò)，失之毫厘謬以千里.通過對10 k V配網(wǎng)電力電纜故障不帶電檢測與定位分析，總結(jié)出一系列行之有效的方法，為日后開展電力電纜帶電作業(yè)積累了經(jīng)驗(yàn)，為不停電作業(yè)提高供電可靠性和帶電作業(yè)化率奠定了基礎(chǔ).

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TM727.1，F(xiàn)407.01

A

1009-1734（2013）S0-0176-04

2013-10-25

趙志修，助理工程師，配電線路技師，研究方向：配電線路帶電作業(yè).