電力電纜絕緣故障測(cè)尋方法探討

王宇斌

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局）

1 電力電纜絕緣故障測(cè)尋的意義

在電力工程項(xiàng)目中電力電纜是常見(jiàn)的一種材料，其絕緣層通常用塑料、PVC等化工材料制作而成，電纜制作的首要原則就是“絕緣”這種功能屬性，然而，城市土地資源非常有限，使用成本非常高。同時(shí)，傳統(tǒng)的大容量架空輸電方式在建筑整潔美觀方面已不能滿足現(xiàn)代城市的需要，電力電纜以其傳輸容量大、安裝方便、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)在城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

在電纜的運(yùn)行過(guò)程中，其絕緣層受到同時(shí)或連續(xù)的電、熱、機(jī)械和環(huán)境應(yīng)力。這些應(yīng)力有助于某些XLPE降解過(guò)程的啟動(dòng)和發(fā)展，導(dǎo)致絕緣的物理和化學(xué)性能發(fā)生一些不可逆的劣化。圖1為電纜多重應(yīng)力圖。根據(jù)電纜老化過(guò)程中受不同應(yīng)力的影響，常見(jiàn)主要分為熱老化、空間電荷注入、電老化、水樹(shù)老化等。電纜處于實(shí)際運(yùn)行情況下，其最高工作溫度可大90℃，但當(dāng)電纜發(fā)生故障情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行溫度高于實(shí)際工作溫度，如中低壓電纜短路或過(guò)載時(shí)，電纜的絕緣溫度可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到150℃，而當(dāng)高壓電纜發(fā)生短路故障時(shí)，電纜絕緣溫度甚至高達(dá)250℃。研究電纜絕緣的老化機(jī)理、影響因素以及空間電荷分布的特征關(guān)系，對(duì)于延緩絕緣老化、監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行狀態(tài)、保證電網(wǎng)安全運(yùn)行、提高電纜絕緣的可靠性具有重要意義。

圖1 老化壓力源和多應(yīng)力老化

目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，高壓電力電纜通常隱藏敷設(shè)在地下，運(yùn)行中的電纜如果發(fā)生故障，不易直觀發(fā)現(xiàn)，是否能夠快速測(cè)出故障位置的精準(zhǔn)位置對(duì)于能否及時(shí)排除故障恢復(fù)送電至關(guān)重要，許多企業(yè)用戶的專線是采用全線電纜從變電站敷設(shè)到工廠，城市繁華地帶由于地面空間有限，有時(shí)候采用電纜敷設(shè)用于連接變電站之間的電網(wǎng)關(guān)系，可見(jiàn)如果電纜發(fā)生故障通常會(huì)導(dǎo)致許多企業(yè)用戶停電停產(chǎn)。所以，快速查找到電纜故障位置，及時(shí)完成搶修恢復(fù)供電十分重要。在電力系統(tǒng)日常運(yùn)行中，快速有效準(zhǔn)確地測(cè)尋到電力電纜絕緣故障對(duì)于電力設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行、保障供電企業(yè)停電時(shí)戶數(shù)指標(biāo)、保障地區(qū)工商業(yè)用戶供電可靠性、提升電力獲得感、優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境意義重大。

2 當(dāng)前電力電纜絕緣故障現(xiàn)狀

用等效圖研究當(dāng)前電纜絕緣故障，如圖2所示。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，按照電氣理論當(dāng)前主要存在：低阻、高阻、開(kāi)路等輸配電電力電纜絕緣故障，如表1所示。

圖2 電纜故障等效電路圖

表1 電力電纜絕緣故障種類

3 電力電纜絕緣故障測(cè)尋現(xiàn)狀

3.1 電力電纜故障測(cè)尋原理

目前關(guān)于電力電纜絕緣狀態(tài)的檢測(cè)方法傳統(tǒng)的方式主要采用耐壓檢測(cè)和局部放電等試驗(yàn)，從電纜故障的原理考慮，目前工作中電纜絕緣故障測(cè)尋的原理有兩種：阻抗原理和行波原理，如表2所示。

表2 電力電纜故障測(cè)尋原理表

3.2 電力電纜故障測(cè)尋的基本步驟

對(duì)于一次電力電纜故障的測(cè)尋通常分為以下幾個(gè)步驟：

第一步是初步分析大概定位，找到故障的種類：俗話說(shuō)謀定而后動(dòng)，這個(gè)步驟是進(jìn)行尋找電力電纜絕緣故障之前至關(guān)重要的一步，只有當(dāng)確定了故障是哪一個(gè)種類后方可針對(duì)這個(gè)種類采用最合適的方法進(jìn)行快速測(cè)尋。目前工作中往往采用檢測(cè)故障電纜相對(duì)地絕緣電阻值和直流耐壓測(cè)試來(lái)初步分析確定。

第二步是對(duì)故障進(jìn)行預(yù)定位：大概確定故障的種類后，檢修人員就要采用直流電橋法、低壓脈沖法、二次脈沖法等各種適合的方法對(duì)故障電纜進(jìn)行粗測(cè)計(jì)量，測(cè)量后計(jì)算出故障位置距故障電纜測(cè)試端的大概距離。

直流電橋法是最常見(jiàn)的方法，靠Murray電橋電流值也可以觀察到明顯的變化，對(duì)故障位置定位精準(zhǔn)又便利。

比如電纜A相接地后，可采用如圖3所示的直流電橋法進(jìn)行故障位置的預(yù)定位。

圖3 直流電橋法測(cè)試接線原理圖

在圖中，將電橋的檢測(cè)端子其中一個(gè)接電纜故障纜芯A相另一個(gè)接正常運(yùn)行的無(wú)故障纜芯，把他們的另一端用跨接線短接，當(dāng)電橋平衡時(shí)，則有：

式中，S為從檢測(cè)端到故障位置的距離，m；L為電纜長(zhǎng)度，m；R1，R2為橋臂電阻，Ω。

工作人員連接過(guò)程中可采用焊接、壓接等方式，計(jì)算得到的數(shù)值需要將小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)值全部保留，以確保計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度，避免在查找過(guò)程中出現(xiàn)誤差［6］，對(duì)于高電壓等級(jí)比較危險(xiǎn)，這個(gè)因素限制了高壓電橋法的應(yīng)用范圍。

低壓脈沖法是靠分析反射脈沖和發(fā)射脈沖的時(shí)間差Δt來(lái)尋找故障位置的距離，電波在電纜中傳播，它的傳播速度只和絕緣介質(zhì)有關(guān)，加低壓脈沖信號(hào)到電纜內(nèi)，依據(jù)式（2）對(duì)故障位置具體位置予以判斷：

式中，L為從檢測(cè)端到故障位置的距離，m；V為電波傳播速度，m／s；Δt為發(fā)射脈沖波和反射脈沖波的時(shí)間間隔，s。低壓脈沖法主要合適于測(cè)試電纜斷路故障和低電阻短路或接地故障。

由于低壓脈沖在電纜中傳輸可以直接跳過(guò)高阻或閃絡(luò)故障位置，因此對(duì)于高阻故障和閃絡(luò)故障檢測(cè)，其預(yù)定位則采用二次脈沖法（也稱弧反射法）。

第三步：對(duì)故障進(jìn)行精準(zhǔn)定點(diǎn)：很顯然，工作人員完成預(yù)定位工作以后，所檢測(cè)到的故障距離和電纜實(shí)際敷設(shè)的距離難免有一些偏差，工作人員需要依據(jù)電纜運(yùn)行資料現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境確定故障的大概位置，此外如果有必要還需依據(jù)故障種類的不同，分別再采用大功率音頻定位法、聲磁時(shí)間差Δt法等對(duì)故障進(jìn)行精準(zhǔn)定點(diǎn)，也可采用沖擊放電聲測(cè)法，原理如圖4所示。

圖4 沖擊放電聲測(cè)法原理圖

在圖中，高壓發(fā)生器對(duì)電容C充電，當(dāng)充電電壓高到一定數(shù)值時(shí)，球間隙被擊穿，這個(gè)沖擊電壓順著電纜向故障位置傳播。只要沖擊高壓的幅度足夠高，電纜故障位置就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)放電，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的“啪、啪”放電聲，聲音傳到地面，這樣就能夠十分準(zhǔn)確地將故障位置尋測(cè)出來(lái)，并且誤差很小。

但是如果設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間地加高電壓“擊穿”風(fēng)險(xiǎn)太大，則能夠采用沖擊閃絡(luò)法進(jìn)行預(yù)定位，用聲磁同步法來(lái)精確故障位置。

下面介紹沖擊閃絡(luò)法，它的思路如下：首先檢修人員把試驗(yàn)直流負(fù)高電壓加在電纜一端，到了故障位置會(huì)發(fā)生電弧，電流增大電壓減小，發(fā)生短路反射，反射波傳到做試驗(yàn)的那一端，之后在首段又會(huì)發(fā)生開(kāi)路反射，新的反射波又傳到故障點(diǎn)循環(huán)往復(fù)，這樣的反射過(guò)程會(huì)在檢測(cè)端和故障位置之間持續(xù)下去，唯一的區(qū)別就是振蕩的幅度越來(lái)越小。

為防止檢測(cè)端并聯(lián)的大電容C將反射波短路，需要在電纜和球隙之間串接電感線圈L組成微分電路。電感L對(duì)突眺電壓U有較大的阻抗R，檢測(cè)設(shè)備就可記錄電波在檢測(cè)端第一次反射至第二次反射的時(shí)間T，并考慮到這是電波在線芯上往返一次的時(shí)間，則有：

式中，X為從檢測(cè)端到故障位置的距離，m；T為電波在檢測(cè)端第一次反射至第二次反射的時(shí)間，s；V為電波傳播速度，m／s；

當(dāng)發(fā)生閃絡(luò)性高阻故障和泄漏性高阻故障時(shí)通常用沖擊閃絡(luò)法檢測(cè)。

而聲磁同步法是對(duì)聲測(cè)法進(jìn)行優(yōu)化。首先檢修人員把試驗(yàn)直流負(fù)高電壓加在電纜一端，故障位置既發(fā)生閃絡(luò)放電也會(huì)釋放出聲音信號(hào)和電磁信號(hào)，眾所周知電磁信號(hào)的傳播速度和光速差不多，瞬間就可以到達(dá)故障位置，聲音信號(hào)和磁場(chǎng)信號(hào)傳播速度不同是聲磁同步法的依據(jù)，計(jì)數(shù)的開(kāi)始時(shí)間是儀器探頭檢測(cè)到電磁信號(hào)那一刻，這個(gè)工作一直持續(xù)到檢測(cè)到聲音信號(hào)結(jié)束，并順著電纜尋找數(shù)字最小之處即為故障位置。

通過(guò)以上步驟綜合分析方可精準(zhǔn)測(cè)尋到電纜故障的位置，可見(jiàn)并不簡(jiǎn)單。尤其是預(yù)定位這一步至關(guān)重要，如果出現(xiàn)較大偏差，則事倍功半，針對(duì)斷路故障、接地故障、低阻故障和高阻故障不同種類故障的預(yù)定位應(yīng)當(dāng)采取不同思路。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力電纜是電力傳輸?shù)妮d體，電力電纜發(fā)生絕緣故障后，分情況來(lái)說(shuō)如果是電纜直接短路或短路點(diǎn)電阻值小于1Ω的故障則采用電橋法。如果是電纜故障預(yù)定位和精確定位方面則采用沖擊閃絡(luò)法、聲磁同步法。這些方法相對(duì)比較成熟，但設(shè)備價(jià)格較高［6］。所以在電力工作一線現(xiàn)場(chǎng)，電力電纜絕緣故障的測(cè)尋需要依據(jù)不同的電纜故障性質(zhì)和電纜的運(yùn)行環(huán)境，選擇不同的測(cè)定方法。并且結(jié)合資料數(shù)據(jù)共同分析，從而達(dá)到盡快測(cè)定故障位置的目的，消除缺陷恢復(fù)送電，提升地區(qū)供電可靠性，只有這樣才能凸顯電力自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，才能讓電力電纜在越加龐大的電力系統(tǒng)和更加復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定地發(fā)揮其作用，保證電力運(yùn)行的安全性和可靠性，為我國(guó)的電力用戶提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。