高壓電纜故障測尋及定位方法

王　昆，李敏雪，繳春景

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.中海油田服務股份有限公司，天津300452）

高壓電纜故障測尋及定位方法

王昆1，李敏雪1，繳春景2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.中海油田服務股份有限公司，天津300452）

摘要：介紹了高壓電力電纜的故障類型、故障查找步驟以及國內外常用的故障檢測方法。通過對高壓電力電纜的故障部位、故障類型以及相對應的預定位方法以及對其精確定位的分析和探討，較為全面地提出了一整套行之有效的電力電纜故障測試方法。

關鍵詞：高壓電纜；定位；故障測距；護層

1　引言

由于電纜線路的隱蔽性及測試設備的局限性等，電力電纜一旦發(fā)生故障，查找起來非常困難。如何合理地選擇電纜故障測尋方法，準確、快速地查找電纜故障，縮短故障停電時間，成為目前研究的熱點問題。

電力電纜故障的查找一般要經過診斷、測距（預定位）、定點（精確定位）三個步驟［1］。故障發(fā)生后，一般先通過測絕緣電阻等方法，初步判斷出故障的性質；然后根據(jù)故障類型，采用合適的測距方法，初步測出故障的距離位置；最后沿著電纜走向在此位置前后仔細探測定點，直到找出精確的故障點位置。

2　電力電纜的故障類型

造成電力電纜故障的原因很多，比如：機械損傷、絕緣受潮、絕緣老化變質、過電壓、材料缺陷、設計和制作工藝不良以及護層腐蝕等。按照故障出現(xiàn)的部位，通常可分為線芯斷線故障、主絕緣故障和護層故障。按其故障性質可分為低阻故障和高阻故障。低阻故障指的是故障點絕緣電阻下降至該電纜的特性阻抗（即電纜本身的直流電阻值），甚至直流電阻為零的故障，也稱短路故障。高阻故障指的是故障點的直流電阻大于該電纜的特性阻抗的故障，可分為斷路故障、高阻泄露故障和閃絡性故障。其中高阻泄露故障是指在電纜高壓絕緣測試時，當試驗電壓升高到一定值時，泄漏電流超過允許值的高阻故障。閃絡性故障是指試驗電壓升至某值時，電纜局部出現(xiàn)閃絡放電現(xiàn)象，泄漏電流突然波動并隨電壓稍降而消失，但電纜絕緣仍然有較高的阻值。由于這種故障點沒有形成電阻通道，只有放電間隙或閃絡性表面的故障，故而稱為閃絡性故障。

在實際測試時，一般先用萬用表、兆歐表等測量故障電纜的相間、相對地的絕緣電阻，結合電纜的情況以及絕緣電阻的測量情況初步判斷電纜的故障類型，再根據(jù)不同的故障類型針對性地選擇故障測尋方法。

3　電力電纜故障預定位方法［2］

判明電纜故障的性質后，一般要先進行預定位測試，估算出故障點到電纜頭的距離，這一過程也稱為故障測距。預定位測試可以避免查找故障點的盲目性，提高工作效率。電力電纜按照故障出現(xiàn)的部位，通?？煞譃榫€芯斷線故障、主絕緣故障和護層故障，它們的檢測方法略有不同。

3.1電纜芯線及主絕緣低阻性故障

傳統(tǒng)的電力電纜故障測尋方法是直流電橋法，常用于電纜低阻故障（含短路故障）和電纜外護層故障點的測尋，其測試原理圖如圖1所示。如圖所示，將電纜的故障相C相與正常相A相在對端短接組成電橋的兩個臂，在測量端外接兩個可調電阻組成電橋的另外兩個臂，施加直流電壓并調節(jié)電橋使之平衡（檢流器G中無電流流過）。根據(jù)電阻比值和電纜全長，可求得故障點的距離。式中，RL＋L－X為電纜A相測試點至C相故障點之間的電阻，RX為電纜C相測試點至C相故障點之間的電阻，若電纜的芯線材料均勻、阻值均等性良好，則可得：式中，X為電纜C相測試點至C相故障點的距離，L為被測電纜的長度。

圖1　直流電橋法測試原理圖

該方法可用于低阻故障（含短路故障）的測距，如使用電容電橋還可以測量斷線故障。但對于高阻和閃絡性故障，除非采用外施高壓事先將故障點燒成低阻故障，否則，由于注入的電流太小，電橋很難平衡。

電橋法測量時要知道電纜的全長等資料，對電纜的芯線材料的均勻性、阻值均等性、對端短接線電阻及接觸電阻的要求也都很高。另外，電橋法無法測量三相短路及三相斷路故障。

目前提出了一種新的、更簡便有效的方法—直流電阻法，其測試原理圖如圖2所示。先將電纜的故障相芯線與護層鎧裝短接，再用直流高壓設備向護層鎧裝注入直流電流（電壓一般在5kV左右）。測量芯線與護層之間的電壓以及注入的電流，兩者相除即得測試點到故障點這一段的護層電阻值。將該電阻值與單位長度的護層電阻值比較，就能得出故障點的距離。這種方法成功地避免了測試接線的接觸電阻以及對端短接線電阻的影響，因而測試結果比較準確。另外，現(xiàn)場使用時，應該注意采用同相芯線作為輔助線，而避免使用其他相的芯線或金屬護層，這樣，同相的芯線和護層相當于同軸電纜結構，有助于減少現(xiàn)場電磁干擾對測量結果的影響。

圖2　直流電阻法測試原理圖

低壓脈沖反射法，又稱雷達法，亦稱為時域反射法（Time Domain Reflectometry，TDR），是指脈沖反射儀在不通過高壓沖擊器的情況下，獨立測量電纜的低阻和斷路故障。測試時向電力電纜的故障相注入低壓脈沖，該脈沖以一固定波速沿電力電纜傳播到阻抗不匹配點（即短路、斷線和接地故障點）時，由于波形阻抗發(fā)生變化，在故障點產生一個反射脈沖，回送到測試點由儀器記錄下來。根據(jù)發(fā)射脈沖與反射脈沖的往返時間差和脈沖在電力電纜中傳播的波速度，便可計算出故障點離測試點的距離。行波故障測尋是根據(jù)電壓和電流行波在線路上固定的傳播速度（電纜中波速約為160～220m／μs）這一特點，提出了行波故障測距方法。低壓脈沖反射法的接線示意圖如圖3所示。

在電纜的低阻或斷路故障相接脈沖反射儀的一端，另一端接金屬護套，由于金屬護套的波阻是均勻的，因此可根據(jù)反射波形計算故障點的距離。該方法可測定低阻和開路故障，測量準確率較高；但不能測高阻和閃絡故障，因為這兩種故障點處的行波反射系數(shù)很小，反射儀難以識別。

圖3　低壓脈沖反射法測試示意圖

3.2電纜芯線及主絕緣高阻性故障［3］

脈沖電壓取樣法，又稱沖擊高壓閃絡法，是20世紀70年代發(fā)展起來的一種用于測量高阻泄露與閃絡性故障的測試方法。利用直流高壓或脈沖高壓信號擊穿電力電纜的故障點，通過記錄放電電壓脈沖在測試點與故障點往返的時間計算出故障點的距離。脈沖電壓法主要有直流高壓閃絡測量法（直閃法）和沖擊高壓閃絡測量法（沖閃法）兩種方法?？梢詼y量高阻故障和閃絡性故障。

脈沖電流取樣法又稱為沖擊高壓電流脈沖取樣法。其原理是：故障點在高壓下?lián)舸r，陡度很大的高壓直流電流到達故障點會發(fā)生瞬時放電現(xiàn)象，產生強烈的放電聲音、放電火花和放電脈沖波。故障點的放電脈沖波在測試端和故障點之間往返，在電纜的測試端口將電波記錄下來，便可以電波波形來判斷電波往返反射的時間，再根據(jù)電波在電纜中傳播的速度換算出故障點到測試端得距離。這種方法用互感器將脈沖電流耦合出來，波形較簡單，較安全。也包括直閃法及沖閃法兩種類型，其中直閃法用于測量閃絡性高阻故障，而沖閃法既可測量泄露性高阻故障，也可測量閃絡性故障。

二次脈沖法是20世紀90年代國外發(fā)明的，又稱高壓弧反射法，即結合高壓發(fā)生器沖擊閃絡技術，在故障點起弧的瞬間通過內部裝置觸發(fā)發(fā)射一低壓脈沖，此脈沖在故障點閃絡處（電弧的電阻值很低）發(fā)生短路反射，并記憶在儀器中，電弧熄滅后，復發(fā)一測量脈沖通過故障處直達電纜末端并發(fā)生開路反射，比較兩次低壓脈沖波形可非常容易的判斷故障點（擊穿點）位置。此法的局限性在于故障點始端或近端波形復雜，而且有一定的盲區(qū)，誤差較大。

3.3電纜護層故障

電纜護層故障測試是近年來比較突出的1個新問題。因為低壓電力電纜一般都是三相統(tǒng)包結構。對金屬護層的對地絕緣一般沒有特殊要求。但對于高壓單芯電纜，外護層絕緣一旦發(fā)生故障，造成金屬護層多點接地，會產生環(huán)流，致其發(fā)熱會加速電纜的老化，縮短電纜的使用壽命。另外，故障處進水也會造成電纜受潮。所以高壓單芯電纜在運行中要求護層絕緣良好，通常只在電纜頭的一端直接接地。

對于高壓單芯電纜的護層故障，由于大地的行波損耗很大，脈沖法所能測試的距離很短，已經不能有效使用。因為在發(fā)生電纜外護套絕緣故障時，一端接電纜外護套，一端接土壤（其波阻不均勻），用回波反射法測得外護套故障的反射波形是不規(guī)律的，不能根據(jù)反射波形計算故障點的距離，故通常使用直流電橋法或直流電阻法進行測量。

4　電力電纜故障精確定位方法

電力電纜故障的精確定位（亦稱定點）是故障查找的關鍵。由于電纜端部預留以及測量誤差等原因，通過預定位方法算出電纜故障點的距離后，需要再通過精確定位的方法，找出故障點的準確位置。

對于電纜芯線及主絕緣低阻性故障的電纜，一般采用音頻感應法通過檢測地面上磁場的變化來確定故障點位置。在電纜故障相注入音頻電流信號，經故障點后流回電源。由于電磁耦合作用，在大地中會產生感應電流，從而形成地面磁場。用線圈在地面上沿電纜走向檢測，信號明顯變弱或中斷的地方一般就是故障點位置。

對于電纜芯線及主絕緣高阻性故障的電纜，施加高壓脈沖后，故障點會發(fā)生伴隨聲音信號和電磁信號的放電。在地面上沿電纜走向用振動傳感器拾取放電時產生的聲音信號并加以放大，收到信號最強的地方一般就是故障點位置，這種定位方法稱為聲響法。但聲響法不易區(qū)分外界振動噪聲的干擾。如果同時再檢測放電所產生的電磁信號，不但能有效排除掉非放電時的外界振動聲音，還能根據(jù)接收到聲音、電磁信號的時間間隔，大致估計出故障點到探頭的距離，這種測試方法叫做聲磁同步法。

對于地埋電纜護層故障的定位，大多使用跨步電壓法，其原理是：在故障護層上注入直流電壓，經故障點后由大地流回，從而在地面產生跨步電壓；在預定故障距離附近用一對探頭沿電纜走向檢測不同位置的跨步電壓值，根據(jù)其大小、極性，就可以確定故障點的位置。在實際使用中，為減小地面雜散電流的影響，通常注入的是直流脈沖信號。如果先將零位在中心的電壓檢測計的指針調零，當直流脈沖到來時，根據(jù)指針擺動的幅度及偏向，判斷故障點的遠近及方位。但是，在現(xiàn)場條件下，由于地面雜散電流的影響，通常很難將電壓檢測計調零并保持。根據(jù)現(xiàn)場的使用經驗，這時宜采用數(shù)字電壓表（例如普通的數(shù)字式萬用表的毫伏檔），以檢測脈沖到來時電壓讀數(shù)變化的幅度來衡量跨步電壓，這樣有助于解決電磁式電壓表調零難的問題。

跨步電壓法的檢測方法有兩種，如圖4（a）、（b）所示。圖（a）利用在故障點正上方跨步電壓為零、在故障點兩側沿電纜走向跨步電壓極性相反且達最大值的特征來對故障點定位；圖（b）利用放電電流在故障點上方環(huán)形發(fā)散的特征，在不同方向分別尋找兩個等電位點，故障點必然位于兩組等電位連線的垂直平分線的交叉點上。

圖4　跨步電壓法

5　應用實例

2011年3月22日下午JX1－1油礦突然停電，嚴重影響了各平臺正常運行。經排查判斷，可能屬CEPA至WHPB海纜故障。3月23日測試人員對JX1－1油礦CEPA至WHPB海纜進行故障檢測，用萬用表初測的結果如下：

綠相對地：0MΩ綠相對紅相：0MΩ

紅相對地：0MΩ綠相對黃相：0MΩ

黃相對地：0MΩ黃相對紅相：0MΩ

由初測結果可以看出，此海纜的三相全為低阻性故障，故選擇低壓脈沖法分別對海纜的兩端進行測試。測試結果如圖5所示。

圖5　低壓脈沖法測量波形（JX1－1 CEPA至WHPB海纜）

從絕緣測試和萬用表測量數(shù)據(jù)可以判斷，此故障屬海纜三相接地故障，且無法測量海纜全長，通過海纜測試數(shù)據(jù)分析，從CEPA平臺側測量故障點距離為127.7m，WHPB平臺側測量故障點距離為4202.3m。

該測量結果后經海纜搶修項目檢驗比較準確，為海纜的修復工作起了重要的指導作用。事故后調查發(fā)現(xiàn)，由于作業(yè)船施工時刮擦到海纜，導致海纜受到損傷，后經長時間海水浸泡導致最終接地。

6　結束語

目前電力電纜故障測試已基本上形成了一整套行之有效的方法，便于測試查找各種已知類型的故障。電纜護層故障可以采用電橋法和直流電阻法進行預定位，采用跨步電壓法進行精確定位。電橋法、直流電阻法和低壓脈沖法對斷線低阻故障很準確，但對高阻不適用。沖擊高壓閃絡法、沖擊高壓電流脈沖取樣法和高壓弧反射法可以測量線纜高阻性故障，但測量儀器和測量線路存在誤差，且波形有時不夠明顯，靠人為判斷，儀器誤差相對較大。隨著計算機技術和信號處理技術的發(fā)展及應用，電纜故障定位的新方法不斷涌現(xiàn)，但目前大部分還處于理論研究和仿真階段，其有效性還需要在實踐應用中進行檢驗。

參考文獻：

［1］徐丙垠.電力電纜故障探測技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

［2］韓伯鋒.電纜故障閃測原理與電纜故障測量［M］.西安：陜西科學技術出版社，1993.

［3］崔江靜.電力電纜故障測試技術與應用概述［J］.高電壓技術，2001，（7）：40－43.

中圖分類號：TM247；TM835

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）06—0043—04

作者簡介：

王昆（1983－），男，碩士研究生，主要從事海洋工程電儀表方面的工作。

收稿日期：2015－07－05

Fault testing and positioning of high voltage cable

WANG Kun1，LI Min－xue1，JIAO Chun－jing2
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China；2.China Offshore Oilfield Service Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Abstract：The fault types，the failure search steps and the failure detection methods commonly used in domestic and foreign countries for the high voltage cables are presented.Through the analysis and discussion on the failure positions，the fault types and the corresponding rough positioning and accurate positioning methods，a set of effective methods of fault testing and positioning for the high voltage cables are given.

Key words：HV cable；positioning；fault location measurement；shield