交聯(lián)聚乙烯電力電纜故障分析與定位技術(shù)研究

衛(wèi)建均

（廣東電網(wǎng)公司茂名高州供電局，廣東 高州 525240）

0 前 言

近些年來，我國的電力負(fù)荷在持續(xù)上漲，尤其是在城市。由于城市的人口較多，現(xiàn)有的空間在不斷減少，必須采取安裝地下電纜的方式向居民輸送電能。而現(xiàn)今的電纜一般是使用在500kV或者低于500kV的交流電壓等級中。依據(jù)絕緣材料的性質(zhì)，可以將電纜分為三種，分別是橡膠絕緣型、油紙絕緣型以及塑料絕緣型。其中交聯(lián)聚乙烯電力電纜是塑料絕緣型的電力電纜。交聯(lián)聚乙烯電力電纜是在聚乙烯中添加交聯(lián)劑后擠壓成形，再利用物理或者化學(xué)方法交聯(lián)所形成的一種電纜。該類電纜具有較好的電氣性能、較高的絕緣電阻與擊穿電場強度，介質(zhì)損耗角的正切值比較小，擁有較好的抗老化與耐熱性能，能夠在高溫下工作，具有較大的載流量，能夠在垂直或者落差較大時敷設(shè)。因此，交聯(lián)聚乙烯電力電纜的應(yīng)用前景廣闊。但是由于這種電纜數(shù)量的增加，使用時間長等因素，導(dǎo)致電纜事故頻頻發(fā)生。本文對交聯(lián)聚乙烯電力電纜故障進(jìn)行分析與研究。

1 交聯(lián)聚乙烯電力電纜故障分析

1.1 電纜絕緣老化機理

因為敷設(shè)交聯(lián)聚乙烯電力電纜的實際環(huán)境狀況，使得絕緣層內(nèi)出現(xiàn)水樹，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣性降低。絕緣老化出現(xiàn)的兩個主要原因分別是電氣方面與化學(xué)方面。在電氣方面又分兩種情況，即樹老化與游離放電老化［1］。其中游離放電老化是出現(xiàn)在屏蔽層和絕緣層間隙內(nèi)的游離放電，導(dǎo)致絕緣體被侵蝕，最終出現(xiàn)絕緣老化的情況。而化學(xué)老化則是因為電纜所在環(huán)境導(dǎo)致的，如果電力電纜鋪設(shè)的環(huán)境中包含石油化學(xué)物質(zhì)，那么將導(dǎo)致聚氯乙烯護(hù)套出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。電纜絕緣受硫化物影響較大，因為硫化物會穿透電纜的絕緣層，和其中的銅導(dǎo)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化銅與硫化銅。而在電纜的絕緣層內(nèi)，氧化銅由內(nèi)導(dǎo)朝護(hù)套蔓延，就好像水樹一般，因此該老化情況又被稱為化學(xué)樹。

1.2 電纜故障原因

在內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境的作用下，已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象的電纜會出現(xiàn)絕緣被破壞或者擊穿的情況，進(jìn)而導(dǎo)致故障的產(chǎn)生。電纜故障發(fā)生的主要原因有以下幾種:（1）過熱；（2）絕緣受潮；（3）材料有缺陷；（4）直流耐壓試驗；（5）過電壓；（6）設(shè)計與制作工藝較差；（7）護(hù)層出現(xiàn)腐蝕；（8）機械造成的損傷［2］。

1.3 電纜故障分類

從形式上，電力故障分為并聯(lián)故障、串聯(lián)故障。發(fā)生可能性比較大的故障形式主要有三種，一相斷線并接地、一相對地以及兩相對地等。此外，國外將電力電纜故障分為三大類，分別是短路故障、無損壞故障以及開路故障；而國內(nèi)同樣將故障分成三類，分別是高阻相間或接地故障、開路斷線故障以及金屬性與低阻接地或相間故障。

2 電力電纜故障定位技術(shù)現(xiàn)狀

依據(jù)電力電纜的運行情況，交聯(lián)聚乙烯電力電纜故障定位技術(shù)可以分為在線定位方法與離線定位方法。其中在線定位方法發(fā)展速度較快，比如日本研究人員采取脈沖電流法，通過光纖電流互感器掌握電纜發(fā)生故障時出現(xiàn)的電流信號，且使用快速A／D技術(shù)完成距離的測量。而離線定位方法，國內(nèi)外比較常見的有二次脈沖法、直流高壓閃絡(luò)法、電橋法、沖擊高壓閃絡(luò)法以及低壓脈沖法等［3］。

3 GPS和雙端量的電力電纜故障定位原理

在行波定位原理的基礎(chǔ)上，發(fā)展了GPS和雙端量的電力電纜故障定位技術(shù)。該技術(shù)是通過故障浪涌信息朝電力電纜的兩側(cè)傳送的時間差異來對故障實行定位的技術(shù)，這需要電纜兩側(cè)的時間必須保持高度一致。針對時間的基準(zhǔn)問題方面，可以利用GPS全球定位系統(tǒng)中的原子鐘加以調(diào)整。

3.1 雙端量的電力電纜故障定位原理

（1）交聯(lián)聚乙烯電力電纜出現(xiàn)故障之后的行波源。在交聯(lián)聚乙烯電力電纜出現(xiàn)事故后，可以采取疊加原理對故障之后的網(wǎng)絡(luò)加以研究，也就是類似在發(fā)生故障的位置添加一個電壓源。該電壓源與故障點之前的電壓一致，且兩點之間的相位差180°，該電壓源叫做附加電源，用ef表示。在附加電源的協(xié)助下，兩側(cè)傳送的行波將出現(xiàn)在電纜線路中。

（2）行波的傳送。以下針對交聯(lián)聚乙烯電力電纜出現(xiàn)金屬性的接地事故進(jìn)行分析，在附加電源的協(xié)助下，電壓行波與電流行波均將朝電纜的兩側(cè)活動，抵達(dá)電纜末端位置時因為波阻抗沒有持續(xù)進(jìn)行，行波則會出現(xiàn)發(fā)射現(xiàn)象，且在回到故障位置之后再次發(fā)射，這類情況持續(xù)發(fā)生，直到達(dá)到故障之后才能穩(wěn)定［4］。假設(shè)電纜兩側(cè)的點是M、N，如圖1所示，那么可以將兩處的電壓定為:

圖1 雙端量電力電纜故障定位的原理

式中，TM、TN是故障行波由故障位置運動到電纜兩側(cè)M、N的傳送時間；αM、αN是兩點的行波發(fā)射系數(shù)。

從式（1）、（2）能夠發(fā)現(xiàn)，在故障發(fā)生之后，有一個行波波頭抵達(dá)電纜的兩側(cè)，而電流與電壓的行波具體表現(xiàn)完全不一樣。通常情況下，α是負(fù)實數(shù)，可見當(dāng)t等于τ時，由于電流行波中的反行波與前行波互相交疊，從而使得電流行波加強，電壓行波變小。由此可見，與之前運用電壓行波定位故障相比，通過電流行波來定位更加靈活。圖2是電流行波的網(wǎng)格示意圖，從圖中發(fā)現(xiàn)在故障F位置上，電流行波出現(xiàn)反射現(xiàn)象。必須加以說明，一旦故障位置的接地電阻不是零時，那么就會出現(xiàn)透射。

圖2 電流行波的網(wǎng)格示意圖

（3）計算故障的距離。通過圖2發(fā)現(xiàn)，行波抵達(dá)電纜兩側(cè)時間說明了電纜兩側(cè)與故障位置之間的距離。假設(shè)第一次行波抵達(dá)M、N位置的時間是T1M、T1N，M點到故障位置的距離設(shè)為XM，N點到故障位置的距離設(shè)為XN，在電纜內(nèi)電磁波的傳送速度是V，電纜的長度設(shè)為L，那么:

通過式 （5）、（6）可以發(fā)現(xiàn)，由于行波的速度是150m／μs，因此若得到第一次故障行波抵達(dá)電纜兩側(cè)的時間，那么就能準(zhǔn)確掌握故障的定位。

3.2 分析定位誤差

在電纜中，電磁波的傳送速度是150m／μs。通過式（5）、（6）可以知道，電纜兩側(cè)時鐘的計時與同步精度對定位誤差有一定的影響。如果因為時鐘同步精度而造成的定位誤差是δ1，時鐘計時精度而造成的定位誤差是δ2，而最大的定位誤差是δmax，那么:

公式中的v表示電磁波的傳送速度，τ1表示時鐘同步的誤差時間，而τ2表示時鐘計時的誤差時間。

綜上，GPS和雙端量的電力電纜故障定位不但工作原理安全可靠，還極易得到電流行波。此外，由于該技術(shù)只需行波中的第一個，因此故障位置的透射波不會對其造成影響，且極易分辨波形的特點，進(jìn)而能夠快速、準(zhǔn)確地掌握電力電纜故障的定位。

4 結(jié)束語

總之，在對交聯(lián)聚乙烯電力電纜故障進(jìn)行分析時，不但要注意因為絕緣材料而造成的故障，同時還必須重視直流耐壓試驗對其造成的影響。此外，通過交聯(lián)聚乙烯電力電纜運作過程中出現(xiàn)的故障行波，能在線確定電纜故障定位，避免各種麻煩的發(fā)生，例如之前的離線測試導(dǎo)致長時間的停電問題，實驗過程中接線復(fù)雜的問題。

［1］盧 山.10kV電纜故障點測尋方法和現(xiàn)場應(yīng)用實例［J］.湖北電力，2011，（01）:30－32.

［2］劉 濤.基于行波原理的電力電纜在線故障定位［J］.農(nóng)村電氣化，2011，288（05）:42－43.

［3］鄭秀玉，李曉明，丁堅勇.電力電纜故障定位技術(shù)綜述［J］.電氣應(yīng)用，2009，28（22）:82－85.