電力電纜故障檢測方法探討

杭州市房地產開發(fā)實業(yè)有限公司 繆振邦

1 電力電纜的故障原因

電纜故障的原因：運行中的電纜處于外加電壓與自身耐受電壓能力的一對矛盾之中，電纜故障則來自矛盾的兩個方面，根據電纜絕緣的擊穿機理，分析各種電纜故障情況，究其主要原因是：

（1）電擊穿：電纜在異常升高的電壓作用下，在絕緣的薄弱處或強電場區(qū)，物質結構直接被電場破壞，即形成擊穿。因此無論是電纜本體還是在電纜中間或中終端接頭處，造成絕緣能力減弱以及電場分布集中的因素都是產生故障的直接原因，如外力破壞、金屬尖端毛刺等。

（2）熱擊穿：運行中的電纜，當發(fā)熱量大于散熱量時，若不能再恢復熱平衡，絕緣溫度將不斷升高，導致絕緣結構破壞，絕緣能力迅速降低，最后表現為電場作用下的擊穿。

1）主要發(fā)熱因素有：a、通流導體發(fā)熱，如電纜超負荷運行、接頭壓接不好、接觸電阻過大等。b、絕緣損耗，絕緣材料在電場作用下存在著極化、電導、游離損耗，而絕緣中含有氣泡、水分及其它雜質，以及絕緣老化或材質不好，都將使損耗明顯增大，導致局部過熱。

2）散熱因素：主要與環(huán)境溫度和周圍媒介有關。如隧道通風不良，電纜排列過密、敷設靠近熱管等都不利于散熱。

因此，所有引起發(fā)熱和不利于散熱的因素，也都是產生故障的原因。

（3）老化擊穿：電纜絕緣在電、熱、化學、機械等因素的長期作用下，各種性能將發(fā)生不可逆轉的劣變，其中絕緣耐受電壓的能力也逐漸降低，表現為壽命的縮短。氣溫、水分在電場作用下形成樹枝狀放電通道，逐步降低絕緣強度。因此水和氣泡是絕緣老化的重要因素，溫度升高將會加速老化的發(fā)展。

2 電纜故障的分類

電纜故障按照不同要求，有多種分類方法，從故障檢測角度可以分兩類。

（1）絕緣損壞導致的直接短路、接地或閃絡擊穿；（2）纜線斷開或不完全斷線。有時有兩種類型同時發(fā)生的情況。其中，在第一類中，因纜線絕緣層的破損導致的短路，一般定義為“低阻”，低阻的直接形式就是導線的直接接觸。如果纜線之間有一般電介質隔離，行程的環(huán)路，即為高阻。特例情況，到時隔離電介質的擊穿電壓較低時就形成閃絡性高阻。

3 電力電纜故障探測

電力電纜故障的特點是具有多樣性，尤為突出的具有隱蔽性，表現為：（1）敷于地下難以發(fā)現；（2）高阻故障難以測量；（3）封閉性故障難以定點。因此探測電纜故障，合理安排測試步驟、選擇有效測量儀器、采用正確的測量方法將十分重要。

對電纜故障位置的定位分為粗測和精測二個步驟。粗測是初步判斷電纜故障位置；通常有“閃絡法”、“駐波法”、“電橋法”、“脈沖法”、等。精測則是在粗測范圍內對電纜故障位置進行精確定位。每種方法都具有自己的適用故障類型和不同的測試操作方法，因此也都有各自的特點。

電力電纜的故障查找有以下幾個步驟：

（1）測定故障性質，不同性質故障將采用不同的測試方法，確定故障性質是探測故障的首要步驟。首先要了解基本情況，除了了解故障電纜的原始資料外，還應知道所測電纜是運行電纜還是新敷設電纜，前者多為單點故障，后者則可能有多點故障；要了解是運行擊穿還中試驗擊穿，試驗擊穿電壓值是多少，前者可能出現低阻或斷線故障，后者則多為高阻性故障。運行中的跳閘故障有可能出現斷線，可用萬用表做纜芯導通試驗來判斷，斷線故障采用發(fā)送脈沖法測量。

用兆歐表分別測三相纜芯對地絕緣電阻以及三相之間絕緣電阻，以判斷是相對故障還是間接故障。兆歐表測量為零值再用萬用表測其絕緣電阻值，作為是否需要進行“燒穿”或采用高壓閃絡測量的參考。絕緣電阻較低者（＜1KΩ）先用發(fā)送脈沖法測量，無法用發(fā)送脈沖法測量者，采用高壓閃絡法測量。

（2）進行故障測距，為尋找隱藏在地下的故障位置，應首先得知故障點所在大致區(qū)域，則需要測出故障點距測量點的電氣距離——故障測距。對于用兆歐表測電阻值的故障，可先用電橋法或低壓脈沖法進行測距。若測量無效，即屬于高阻性故障，應改用直接閃絡法測量或經“燒穿”后再用電橋法測量。

（3）故障定點，準確地確定故障的所在位置是故障探測的最終目的，由于按照所測故障距離在地面是進行丈量或按照資料標定進行計算，與地下電纜實際走徑不完全一致，因此還需要在所測故障距離附近測定故障位置——故障定點。對于非金屬性短路故障可用聲測法定點；對于金屬性短路故障用音頻感應法測尋。若電纜走向不清，定點之前需先用路徑儀查尋電纜所走路徑，以減少測距的丈量誤差，提高定點效率。

4 電橋法故障測距

電橋測距簡單地說是通過所測纜芯電阻來間接反映故障距離的經典測距方法，以單相接地故障為例，將故障相纜芯與一好相纜芯末端短接。故障點接地電阻與電源串聯，跨接于電橋的A、B節(jié)點；接有分流電阻的檢流計接入電橋C、D節(jié)點。利用電橋平衡橋臂電阻的關系計算故障距離。

此種測量方法因故障相接地電阻串入電源或檢流計回路，受檢流計靈敏度所限該電阻將限制流過檢流計的電流，減少測量范圍，產生測量誤差。若接地電阻值過大，甚至無法測量。因此，用電橋法測量高阻性故障距離，需要采取必要措施。

（1）用“燒穿”法降低對地絕緣阻值。

（2）提高電源電壓，增大流過檢流計的電流量。

（3）提高檢流計靈敏度。

電橋測距的精確度及查尋故障的難易，有賴于資料的準確，對于不同材質或截面的電纜，應按照資料進行等值長度換算。應盡量減少接線引起的測量誤差，接線的引線電阻值雖遠小于故障絕緣電阻，但完全可與纜芯電阻值相比較，為減少測量誤差應盡量不要把引線電阻接入橋臂段，而因歸于電源或檢流計回路，應盡量減少接線的接觸電阻。

總的來說，電橋測距屬于低電壓表態(tài)測量，干擾小，儀器簡單，只要注意上述問題，測量精度較高，至今仍在應用。由于“燒穿”技術尚不完善，嚴重地限制了電橋法對高阻故障測距的有效性。

5 脈沖法故障測距

“脈沖法”即使用電纜故障閃測儀給故障電纜發(fā)射一個電脈沖信號，信號在電纜中遇到阻抗變化點（如接頭、故障點或終端、分支）時會將產生反射脈沖，有原路反饋給電纜故障閃測儀。由電纜故障閃測儀記錄發(fā)射電脈沖信號的時間和接收到的反饋電脈沖信號的時間差，以及信號在纜線中的傳輸速度常亮，即可確定阻抗變化點的大概位置。具體的計算公式如下：

式中：

D：反饋點到測試端的距離；

V：信號傳輸速度常亮；

T：電信號傳輸時間。

由“脈沖法”的特點可以看出，反饋點要有明顯的阻抗變化，以便于產生反饋脈沖，所以此方法用于纜線的“低阻”、“斷路”等故障的測試。也可以用于測量電纜長度和部分接頭位置。脈沖信號發(fā)生器向故障纜芯發(fā)送重復窄脈沖信號，該信號以波的形式向故障點傳播。斷線故障的故障點可視為開路，阻抗值為無限大；短路故障點阻抗為零值，脈沖波達到故障點因所遇阻抗突變，分別產生與來波同極性或反極性反射，沒有返回測量端。用“脈沖法”測試電纜“低阻”和“斷路”故障原理接線圖如圖1所示。測試后得到的典型測試波形如圖2所示。

圖1 “脈沖法”測試電纜故障接線圖

圖2 “脈沖法”測試電纜故障典型波形圖

電纜波速度與其材料結構有關，脈沖法故障測距是根據電纜自身的屬性，以導線波過程為測量原理，以故障點產生波反射為前提條件的測距方法，通過對圖2測試波形的分析，可以得出以下結論：

激發(fā)脈沖與反射脈沖為同極性時為“開路”故障，為反極性反射時為“低阻”。也有可能出現多次反射，旦脈沖幅度有衰減。測試電纜全長時，其終端作開路處理，終端反射波形與開路故障相同，測試故障相對當故障點為短路和斷路故障時不存在終端反射脈沖；其他情況可能存在電纜全長反射。

6 高智能電纜故障閃測儀的應用

高智能電纜故障閃測儀屬于微機智能化電纜故障測試儀，適用于35KV及以下各種電纜的所有故障。具有測量斷線、短路、高阻等電氣性故障距離，利用微電子技術實現智能化。但在查找電力電纜故障時還必須與一些高壓試驗設備，如：高壓變壓器、整流硅堆、高壓貯能電容、放電間隙和測聲儀器等配套使用。

在用高智能電纜故障閃測儀進行測試時，引起高智能電纜故障閃測儀測試誤差的主要來源以下四個方面：

（1）閃測儀本身產生的誤差。（一般可以忽略不計）

（2）電纜的電波傳輸速度V帶來的測試誤差。按照儀器產生廠家的產品介紹，傳輸速度V一般最大可引起2%的相對誤差。

（3）測試波形的讀數誤差。

（4）電纜的實際丈量誤差。

利用高智能電纜故障閃測儀器，對電纜故障測試實踐中，可方便、快速地找到故障電纜的故障點，但在實際使用中應注意以下二點：

A.電纜故障粗測時的測試誤差不容忽視，特別是介質傳輸速度V誤差和讀數誤差中的t2時刻的定位誤差是測試誤差中的主要誤差時，因此注意積累不同介質電纜的傳輸速度V數據、積累t2時刻的定位經驗非常必要的。

B.熟悉不同故障類型的波形也非常必要，因為對不同故障類型的波形熟悉，就意味著對畸變波形判別能力的提高，因而可以不必轉移測試地點。從而可節(jié)約時間提高勞動效率。

7 采用小波變換，行波故障測距裝置的新技術應用

如何準確測定供電線路的故障點，縮短供電搶修時間，減少停電損失，一直是電力系統(tǒng)運行亟待解決的問題。傳統(tǒng)的阻抗測距方法測距誤差大，適應性差。而利用小波變換提起技術，行波故障測距裝置新技術的應用是我們能夠期待的事情。

（1）原理：

利用線路故障時產生的暫態(tài)行波信號，配合GPS時鐘，故障行波脈沖到達端點測量點的時間差，計算故障距離。

A.單端測距：

一般故障：L=（t2-t1）V/2.。L為故障點位置，分別為故障產生行波第一次到達測量點的時間和其從故障點反射回測量點的時間，v為行波傳播速度。即i3到M點和i1到M點的時間差。

高阻故障：L1=L-（T2-T1）V/2.。L1為故障點位置，L為線路長度，T1，T2分別為故障產生行波i2第一次到達測量點N的時間和i1從M端母線折射電流i2到測量點N的時間差，v為行波傳播速

L為線路長度，L1和L2分別為故障點到兩端的距離，T1，T2分別為行波到達線路兩端時間，V為行波傳播速度。

（2）技術難點

A.常規(guī)的阻抗測距，測量到的電壓、電流量而計算出故障回路的阻抗，由于線路長度與阻抗成正比，從而計算出故障距離。阻抗測距忽略線路電容、過渡電阻、負荷電流等因素，一般保護裝置、錄波裝置測距精度無法達到國家標準。

B.行波信號的獲取方法、精確定時問題、數據處理方法都會決定是否成功。

由于以下幾個方面的不確定性，使精確確定故障行波到達的時間和行波傳播的速度成為測距的關鍵。故障發(fā)生時刻不確定，母線接線方式不確定，造成反射波的不確定性，以及故障距離的變化導致行波主頻率的不確定性等。由于初始行波到達母線后，產生的暫態(tài)行波是一個突變的、具有奇異性的信號，單純的頻域分析法，或單純的時域分析法，都不能精確描述暫態(tài)行波這類非平衡變化信號。

從上面的公式可以看出，時間確定，V的確定，行波以不同模式傳播，每種模式各頻率分量傳播速度和衰減也不同，當距離近時高頻分量豐富接近光速，距離遠時，行波高頻分量減少，以相對較低速度傳播，行波速度難以確定。T1，T2，V還有線路長度L都是影響測量精度的因素。

（3）解決方法

小波變換技術的應用，較好解決了故障波的提取。行波速度300M/US，1us對應150M，GPS可獲得1us以內的時間脈沖。采用計算機技術，高速采樣芯片，提高采樣頻率，集成度大大提高，降低硬件設計復雜程度；同時，采用時分復用的情況下控制模擬采集通道的切換，實現了多采集通道的同步采樣。以GPS秒脈沖作為同步輸入信號，確定每一次數據采樣的精確時間。已經能夠很好地解決以上問題。高速準確電線電纜故障檢測裝置進入實際應用已經是可期待的。

通過以上分析，電力電纜的故障檢測方法有很多，采取什么樣方法迅速準確的查找故障點，分析故障形成的原因及結合現場運行情況也是非常很重要的。

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