10kV電力電纜故障檢測(cè)

劉義平 曹 婷 魏文偉

（1.天津市電力公司路燈處，天津 300151；2.湖北武漢新洲供電公司，武漢 431400；3. 四川省內(nèi)江電業(yè)局，四川 內(nèi)江 641000）

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，電力電纜供電以其安全、可靠、穩(wěn)定、節(jié)約線路走廊且利于城市美化等優(yōu)點(diǎn)，被城市配電網(wǎng)廣泛采用并逐步取代架空線路。然而由于電力電纜多埋設(shè)于地下，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，很難盡快的檢測(cè)出故障點(diǎn)的確切位置。如果長(zhǎng)時(shí)間找不到故障點(diǎn)，將影響電力運(yùn)行的可靠性和安全性，造成時(shí)間、物力及人力的極大浪費(fèi)。如何提高故障檢修效率，及時(shí)修復(fù)故障電纜，從而保證供電可靠性、提升優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平、踐行優(yōu)質(zhì)服務(wù)承諾，是供用電部門非常關(guān)心的問(wèn)題。

1 電力電纜故障的原因和分類

1.1 電力電纜故障的原因

1）機(jī)械損傷。機(jī)械損傷是電纜故障中最常見(jiàn)的，所占比例也最大。主要由于安裝時(shí)損傷(劃傷、扭曲、打折等)、外力直接破壞（建筑施工開(kāi)挖、道路建設(shè)開(kāi)挖、自來(lái)水管道開(kāi)挖等等）、車輛碾壓損傷、土地沉降造成的電纜接頭和導(dǎo)體損傷。

2）絕緣受潮。電纜終端頭或中間接頭密封工藝不良、附件制造質(zhì)量不合格、金屬護(hù)套被異物刺穿或腐蝕破損。

3）電纜接頭故障。電纜接頭是電纜線路中最薄弱的環(huán)節(jié)，由人員直接過(guò)失（施工不良）引發(fā)的電纜接頭故障時(shí)常發(fā)生。如接頭壓接不實(shí)、加熱不充分等原因等。

4）絕緣老化變質(zhì)。電纜在運(yùn)行中受電、熱、化學(xué)、環(huán)境等因子的影響，電纜的絕緣都會(huì)發(fā)生不同程度的老化。

1.2 電力電纜故障的分類

目前電力電纜故障只可涉及三大類故障：導(dǎo)體故障（芯線及金屬屏蔽層）、主絕緣故障和護(hù)套故障。但由于電力電纜的種類較多，結(jié)構(gòu)組成不盡一致，加上人們的工作屬性和人們的目的要求不盡相同等原因，使得電纜故障分類方法較多。本文主要結(jié)合目前故障檢測(cè)技術(shù)及故障點(diǎn)電阻值的大小對(duì)電纜故障進(jìn)行分類[1]，其電纜故障示意圖及故障分類表分別如圖1、表1所示。

圖1 故障電纜示意圖

表1 電力電纜故障的分類

2 10kV電力電纜故障點(diǎn)的查找

2.1 電力電纜故障點(diǎn)的查找流程

圖2 電力電纜故障查找流程圖

2.2 電力電纜故障檢測(cè)方法

1）電力電纜故障粗測(cè)

（1）電橋法。電橋法是電力電纜測(cè)距的經(jīng)典方法，其歷史比較悠久。包括直流電阻電橋法、直流高壓電阻電橋法和電容電橋法等。電阻電橋法只能測(cè)試一些單相對(duì)地或兩相間絕緣電阻比較低的電纜故障；高壓電橋法主要用于測(cè)試阻值大于 10k?而小于兆歐的主絕緣單相接地故障或相間并對(duì)地故障；電容電橋法主要測(cè)試電纜的開(kāi)路斷線故障[2]。

電橋法操作相對(duì)簡(jiǎn)單方便，但需要事先知道電纜的準(zhǔn)確長(zhǎng)度等原始資料，同時(shí)不適用于檢測(cè)高阻故障。而實(shí)際電力電纜故障中的絕大多數(shù)為高阻故障。因?yàn)樵诠收想娮韬芨叩那闆r下，電橋電流很小，一般靈敏度的儀表難以探測(cè)。

（2）行波法。其中包含低壓脈沖法和高壓脈沖法。

①低壓脈沖法。低壓脈沖法主要用于測(cè)量電纜的開(kāi)路、短路和低阻故障的故障距離；同時(shí)還可用于測(cè)量電纜長(zhǎng)度、波速度和識(shí)別定位電纜中間頭、T形接頭與終端頭等。

測(cè)試原理：從測(cè)試端向電纜中輸入一個(gè)低壓脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)沿著電纜傳播，當(dāng)遇到電纜中的阻抗不匹配點(diǎn)時(shí)，如開(kāi)路點(diǎn)、短路點(diǎn)、低阻故障點(diǎn)等，會(huì)產(chǎn)生反射脈沖。根據(jù)反射脈沖和發(fā)射脈沖的往返時(shí)間差Δt及脈沖傳播速度V，計(jì)算故障點(diǎn)的位置。如圖 3、圖 4所示，分別為開(kāi)路故障測(cè)試原理電路、泄漏性故障（低阻故障）測(cè)試原理電路圖。

圖3 開(kāi)路故障測(cè)試原理電路

圖4 泄漏性故障（低阻故障）測(cè)試原理電路

②高壓脈沖法。高壓脈沖法是利用高壓信號(hào)使電纜故障瞬間變成短路或低阻故障，使故障點(diǎn)反射系數(shù)接近-1，故障點(diǎn)近乎產(chǎn)生全反射。通常有兩種基本的閃絡(luò)法，即直閃法和沖閃法。閃絡(luò)法測(cè)試電纜故障時(shí)，電纜故障點(diǎn)形成的反射波是高電壓脈沖波，不能直接通過(guò)儀器進(jìn)行顯示，通常需要取樣器，將故障點(diǎn)在高電壓作用下形成的高壓脈沖轉(zhuǎn)換成儀器所需要的低壓脈沖信號(hào)。根據(jù)取樣方式的不同，又分為電壓法、電流法及電壓感應(yīng)法[1]，其取樣器原理圖如圖5所示。

圖5 三種取樣器原理圖

其中，R1為分壓電阻、R2為取樣電阻、Lp為電流取樣器、C為儲(chǔ)能電容、B為變壓器。

直流高壓閃絡(luò)法（直閃法）：在故障電纜上施加直流電壓，使故障點(diǎn)擊穿房放電，發(fā)生閃絡(luò)。然后通過(guò)記錄測(cè)量故障點(diǎn)擊穿產(chǎn)生的電流行波信號(hào)在測(cè)試端和故障點(diǎn)之間往返一次所需的時(shí)間Δt，再根據(jù)行波在電纜中的傳輸速度V，就可以計(jì)算出故障距離。直閃法主要用于測(cè)試電力電纜閃絡(luò)性高阻故障，也可用于測(cè)試阻值特別高，但與完好相相比阻值較低的泄露性高阻故障。如圖6所示為直閃法測(cè)試原理線路。

圖6 直流高壓閃絡(luò)法接線原理圖

沖擊高壓閃絡(luò)法（沖閃法）：由于直閃法所采用的直流高壓電源的等效內(nèi)阻比較大，電源輸出功率受到了一定限制，對(duì)于絕大多數(shù)泄露性高阻故障，直閃法不能進(jìn)行測(cè)試。沖閃法正是利用大容量的充電電容作為直流高壓電源，加到故障電纜使故障點(diǎn)閃絡(luò)放電形成瞬間短路。主要用于測(cè)試電力電纜的泄露性高阻故障，也可用于測(cè)試電力電纜的低阻、開(kāi)路及閃絡(luò)性高阻故障。其測(cè)試原理線路與直閃法基本相同，不同的只是在儲(chǔ)能電容與電纜之間串入一球形間隙，如圖7所示為沖閃法測(cè)試原理線路。

圖7 沖擊高壓閃絡(luò)法接線原理圖

其中，T1為調(diào)壓器、T2為高壓試驗(yàn)變壓器、C為儲(chǔ)能電容器、L為線性電流耦合器、Js為放電間隙。

2）電力電纜故障點(diǎn)精測(cè)

（1）聲測(cè)法。利用故障點(diǎn)放電時(shí)所產(chǎn)生的聲波進(jìn)行定點(diǎn)，聲音傳感器在電力電纜上方將聲音信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，聲音最大的地方為故障點(diǎn)所在的位置，離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)，振動(dòng)聲音越小。

（2）聲磁同步法。利用故障點(diǎn)在沖擊電壓作用下閃絡(luò)放電時(shí)，同時(shí)接收故障點(diǎn)放電所產(chǎn)生的電磁波和振動(dòng)聲波，判斷出所測(cè)信號(hào)是否由故障點(diǎn)的放電產(chǎn)生來(lái)準(zhǔn)確的判斷故障點(diǎn)位置。

（3）音頻感應(yīng)法。在被測(cè)電路的一端給電纜的故障相加一定功率的低壓音頻信號(hào)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)傳輸?shù)蕉搪坊驍嗑€點(diǎn)后，卻不能繼續(xù)沿著電纜傳輸，從而電纜故障點(diǎn)兩邊將有明顯的信號(hào)大小變化，如果在電纜路徑的上方通過(guò)一接收器探測(cè)信號(hào)的變化情況，即可確定故障點(diǎn)位置。

同時(shí)電纜各項(xiàng)基礎(chǔ)資料的準(zhǔn)確性與完整性對(duì)提高故障點(diǎn)查找效率也非常重要，如電纜敷設(shè)走向、電纜總長(zhǎng)度、電纜中間接頭分布等。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

3.1 故障電纜基本情況

電纜型號(hào)：VLV22-8.7/10kV-3*35mm2

電纜敷設(shè)方式：直埋敷設(shè)

電纜長(zhǎng)度：電纜標(biāo)注長(zhǎng)度為675m，測(cè)試長(zhǎng)度為673.2m

有無(wú)中間接頭：1個(gè)

3.2 確定故障電纜并診斷電纜故障性質(zhì)

用兆歐表及萬(wàn)用表測(cè)量電纜三相對(duì)地絕緣電阻，A相對(duì)地為∞，B相對(duì)地為0.4M?，C相對(duì)地為∞；分別通過(guò)A相對(duì)金屬護(hù)層、C相對(duì)金屬護(hù)層，采用低壓脈沖法測(cè)試電纜全長(zhǎng)，測(cè)試長(zhǎng)度為673.2m，與標(biāo)注長(zhǎng)度基本相符，從而確定故障為單相泄露性高阻故障，測(cè)試波形如圖8所示。

圖8 低壓脈沖法實(shí)測(cè)波形

3.3 對(duì)電纜故障進(jìn)行粗測(cè)與精確定點(diǎn)

采用沖閃電壓感應(yīng)法（CVGF），即在使用沖閃法時(shí)采用如圖5（c）所示取樣器。工作時(shí)，當(dāng)電容C上的直流電壓足夠高時(shí)，球隙Js被瞬間擊穿，產(chǎn)生瞬間脈沖電流和電壓信號(hào)，電壓信號(hào)由變壓器 B采集并輸出，電流信號(hào)由Lp采集并輸出[3]，通過(guò)測(cè)試儀器接收信號(hào)并顯示測(cè)試波形。當(dāng)電壓升到12kV時(shí)，故障點(diǎn)形成閃絡(luò)放電，閃測(cè)儀出現(xiàn)如圖9所示波形，故障點(diǎn)粗測(cè)距離為656.6m。

圖9 采用CVGF法實(shí)測(cè)波形

在粗測(cè)距離的基礎(chǔ)上，采用聲磁同步法精確定位。由于故障點(diǎn)距離對(duì)端較近，利用同步接收定點(diǎn)儀直接到對(duì)端定點(diǎn)，在距離對(duì)端約17m處（即距離測(cè)試點(diǎn)656.6m處）很清晰的聽(tīng)到了故障點(diǎn)放電聲音，開(kāi)挖后故障點(diǎn)就在此處。

故障點(diǎn)確認(rèn)后，將其在故障點(diǎn)鋸開(kāi)并作簡(jiǎn)單處理，分段進(jìn)一步用搖表測(cè)量電纜對(duì)地絕緣低阻，測(cè)量結(jié)果表明電纜不存在其他故障點(diǎn)。

4 目前電纜故障檢測(cè)的新方法

4.1 電纜故障測(cè)距的方法

1）實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)，即用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬專家思維，解決某一領(lǐng)域內(nèi)的重大問(wèn)題。文獻(xiàn)[5-6]指出，電纜故障測(cè)距專家系統(tǒng)將專家知識(shí)庫(kù)作為電腦的基本數(shù)據(jù)庫(kù)，用一套規(guī)則來(lái)維護(hù)和更新知識(shí)庫(kù)。它根據(jù)故障定位的三個(gè)主要內(nèi)容把任務(wù)分為三個(gè)階段：故障診斷、故障預(yù)定位、故障精確定點(diǎn)。

2）小波變換應(yīng)用在電纜故障測(cè)距中

小波變換，具有表征特征信號(hào)突變特征的能力以及對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的良好的處理效果，可以從不同尺度下信號(hào)小波變換的結(jié)果進(jìn)行干擾分析和抑制、提取信號(hào)故障特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。文獻(xiàn)[7]用小波變換來(lái)檢測(cè)行波準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間，在輸電線路上已經(jīng)成功應(yīng)用。相同的原理也可以用于電纜的故障檢測(cè)，但因?yàn)殡娎|的距離比較短又埋于地下，行波傳播過(guò)程更為復(fù)雜，要達(dá)到幾米的精確測(cè)距，需要克服更多的困難。

4.2 電纜故障定點(diǎn)的新方法

1）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是一種新的信息處理理論，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)。其具有良好的自適應(yīng)性、自組織性和容錯(cuò)性，具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想、識(shí)別等能力，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。電纜的故障測(cè)距是一種映射關(guān)系，即單端與兩端故障電氣量與故障點(diǎn)之間為一一映射關(guān)系，這種映射關(guān)系受到故障過(guò)渡電阻、系統(tǒng)運(yùn)行方式等多種因素的影響[8]，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以避開(kāi)模型問(wèn)題，從而為故障測(cè)距提供了嶄新的途徑。

2）GPS（全球定位系統(tǒng)）行波故障定位

文獻(xiàn)[9]成功地將全球定位系統(tǒng)（GPS）應(yīng)用于電纜故障測(cè)距，將電纜故障測(cè)距技術(shù)推進(jìn)了一步。該系統(tǒng)采用故障浪涌到達(dá)電纜兩端的時(shí)間差來(lái)定位。

3）分布式光纖溫度傳感器（FODT）

文獻(xiàn)[10]利用分布式光纖傳感器，將光纖復(fù)合到電纜中，做成光纖復(fù)合電纜，通過(guò)激光脈沖的注入時(shí)間反射光線的到達(dá)時(shí)間差來(lái)計(jì)算故障距離，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)故障點(diǎn)附近溫度變化情況來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜線路運(yùn)行情況。這種檢測(cè)技術(shù)成本較高，主要用于新敷設(shè)的重要電纜。

5 結(jié)論

電力電纜故障的檢測(cè)需要理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，掌握絕緣擊穿機(jī)理、測(cè)試儀器的結(jié)構(gòu)和波形的形成過(guò)程來(lái)分析故障類型，抓住波形突變拐點(diǎn)進(jìn)行比較對(duì)照，及時(shí)準(zhǔn)確地查找出故障點(diǎn)并及時(shí)修復(fù)，提高電力電纜運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，在熟悉理論知識(shí)并不斷實(shí)踐的基礎(chǔ)上多摸索、多總結(jié)，使得電纜故障測(cè)距、定點(diǎn)方法不斷發(fā)展，不斷改進(jìn)。

[1]韓伯鋒.電力電纜試驗(yàn)及檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.9.

[2]韓伯鋒.電纜故障閃測(cè)儀原理與電纜故障測(cè)量[M].陜西:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1993.3.

[3]韓伯鋒.一種電力電纜故障的數(shù)據(jù)采集保護(hù)裝置:中國(guó)，01240569.8[P].2002-03-20.

[4]黃衛(wèi)東.10kV電力電纜故障的類型及故障點(diǎn)查找分析[J].機(jī)電信息,2011(15):23-24.

[5]KUAN K K. Real-time expert system for fault location on high voltage underground distribution cables [J].IEEE Proceedings-C, 1992, 139 (3):235-240

[6]STEINER J P, WEEKS W L, NG H W. An automated fault location system[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1992,7(2):967-978.

[7]覃劍,陳祥訓(xùn),鄭健超,吳成琦.利用小波變換的雙端行波測(cè)距新方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000,20(8) :6-10.

[8]危韌勇,李志勇.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)脅逼測(cè)量方法[J].電網(wǎng)技術(shù),1999,23(12) :20-23.

[9]KAZUO A, DR HIROYUKI K, YOSHINORI K. Fault location system for power cable using global positioning system-FLAG[J].Fujikura Technical Review,2000.

[10]ZHANG X H, JIANG X W . The application of fiber optic distributed temperature sensor to fault detection of XLPE insulated underground cable[C].Proceedings of the 6th International Conference on Properties and Applications Of Dielectric Materials,2000,6:21-26.

[11]許君.電力電纜故障判斷檢測(cè)技術(shù)與預(yù)防技術(shù)措施[J].商品與質(zhì)量·學(xué)術(shù)觀察,2011(1):31-33.

[12]盧山.10kV電纜故障點(diǎn)的測(cè)尋方法和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例[J].湖北電力.2011,35(1):30-32.