電力電纜故障的定位方法探析

＊余 歡

（武漢金中石化工程有限公司荊門分公司 湖北 448002）

電力電纜故障的定位方法探析

＊余 歡

（武漢金中石化工程有限公司荊門分公司 湖北 448002）

隨著經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，對電力系統(tǒng)提出更高的要求，電力電纜也有了更多發(fā)應(yīng)用，隨之而來的是越來越多的電纜故障。本文主要是從電力電纜的組成和份額里出發(fā)，對發(fā)生電力電纜故障的原因進(jìn)行分析和分類，探討查找故障的方法，主要著重于探討故障的定位。首先通過行波法或電橋法進(jìn)行測距，再通過音頻感應(yīng)法、聲磁同步法以及聲測法等進(jìn)行精準(zhǔn)定位，提升故障定位的準(zhǔn)確性和效率。

電力電纜；故障；行波法

電力電纜的分類根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)有所不同，從絕緣材料方面可分為油紙絕緣、塑料絕緣和天然橡膠絕緣三類，按結(jié)構(gòu)特征可分為統(tǒng)包型、分相型、扁平型以及自容型，從敷設(shè)環(huán)境上可分為直埋式、溝架式以及水下敷設(shè)三類。交聯(lián)聚乙烯電纜由于簡單的結(jié)構(gòu)、較短的制造工期、較高的工作溫度、較小的輸電損耗，易于安裝、維護(hù)且性能可靠，有著廣泛的應(yīng)用。從傳輸容量、機(jī)械性能和耐熱性方面看，此類電纜可應(yīng)用到中低壓、高壓甚至超高壓系統(tǒng)。

1.電力電纜故障原因和分類

(1)故障原因

造成電纜故障的原因是復(fù)雜的。要想對故障點進(jìn)行快速判斷，就需要對電纜的工作環(huán)境以及常見原因有所了解，這也是減少電纜故障的一個重要途徑。常見的故障原因主要包括外力破壞、電纜質(zhì)量、電纜中間頭制作不達(dá)標(biāo)、管理存在問題、自然現(xiàn)象造成的損傷以及電纜生產(chǎn)質(zhì)量等。

外力破壞主要是在未經(jīng)許可、核實的情況下進(jìn)行的打樁、開挖等施工破壞電纜而導(dǎo)致的接地短路故障。電纜施工質(zhì)量問題是未能落實安裝要求，在施工過程中走形成碰傷或不合理的機(jī)械牽引力對電纜形成拉傷，對于移動設(shè)備，通常會出現(xiàn)因固定不夠而發(fā)生變形、摩擦、拉扯和錯位而出現(xiàn)絕緣故障。電纜接頭故障的原因大致包括以下幾個方面：潮濕環(huán)境下未對電纜頭進(jìn)行相關(guān)防護(hù)；中間接頭因密封不良而受潮導(dǎo)致的絕緣層劣化；中間接頭導(dǎo)體連接管管口不平整而導(dǎo)致的壓接不良；不合理的中間接頭設(shè)置。電纜的管理方面，存在電纜長期超負(fù)荷工作而未進(jìn)行相關(guān)維護(hù)，長期處于腐蝕環(huán)境中，通過熱力管線未采取防護(hù)措施，這些都導(dǎo)致電纜的絕緣老化、腐蝕以及過熱損壞。

(2)故障分類

類似于電力電纜的分類，從不同層面來看，故障分類有所不同。如封閉性和開放性故障，接地和非接地故障，單相故障和多相故障等。電纜故障主要包括以下幾類：開路故障是電纜的護(hù)層或?qū)w因斷裂而導(dǎo)致電壓無法達(dá)到對端或是絕緣電阻無窮大的情況；低阻故障是指電纜相對地或兩者之間的絕緣損傷，絕緣電阻小到能用抵押脈沖進(jìn)行測量，其中的特例是短路故障；高阻故障是電纜相對地或兩者之間的絕緣損傷后電阻較大，不可通過低壓脈沖法來對故障進(jìn)行測量。

2.電力電纜故障定位的步驟和原理

因故障導(dǎo)致供電中斷后，測試人員應(yīng)合理選擇儀器和測試方法快速尋找故障點。故障點查找的步驟是先故障分析再測距，最后精確定位。

(1)故障分析

故障分析是了解故障電纜的基本信息，對其進(jìn)行綜合分析，包括敷設(shè)方式、電纜長度、型號、走向，以及接頭的位置、長度、預(yù)留地點、發(fā)生故障前運(yùn)行狀況等，了解路徑的施工情況，對故障電纜的類型進(jìn)行初步判斷，對其進(jìn)行絕緣測試。發(fā)生故障后，可在敷設(shè)人員處獲得施工詳細(xì)資料，以此來提升故障定位的準(zhǔn)確性。如果不了解電纜的路徑和長度，需要在定位時排查清楚，判斷故障類型時可借助故障時保護(hù)裝置動作情況。

(2)測距

在定位的過程中，測距是最關(guān)鍵的一步，準(zhǔn)確的定位是減少檢修時間重要途徑，特別是在長電纜中，不能準(zhǔn)確定位對檢修工作的影響更嚴(yán)重。在實際應(yīng)用中，為保證測試的準(zhǔn)確，可通過多種方法來驗證，必要時可通過電橋法或者脈沖電流來驗證。

①行波法測距原理

該方法進(jìn)行測距中，電纜會從理論上看做均勻長線，以此來對微觀傳播過程進(jìn)行分析。電纜傳輸線路中的分布參數(shù)包括電感元件、電容、電導(dǎo)、電阻等，在任意點的等效電路圖中，每個無限小段的電纜傳輸線路如下圖所示：

圖1 均勻長線的等效電路圖

在長線理論中，影響故障波形分析和性質(zhì)分析的重要因素包括波的透射和反射、特性阻抗以及波的速度。其中波速v和特性阻抗分別為：

其中C為光速，μ和分別為電纜芯線周圍介質(zhì)的相對導(dǎo)磁系數(shù)和相對介電系數(shù)。可看出電波在電纜中的傳輸速度與芯線材料和界面劑無關(guān)，與介電性能相關(guān)，不同的絕緣材料中，電波的傳輸速度有所不同。特性阻抗為實數(shù)，與頻率無關(guān)。兩種電纜連接時因不同的波阻抗會在連接處存在阻抗不匹配的情形。行波經(jīng)過此處就會出現(xiàn)部分或全部反射，也可能存在透射。不均勻的阻抗也會出現(xiàn)不同的反射，其強(qiáng)弱隨著阻抗的變化而變化，可同反射系數(shù)來進(jìn)行描述。

開路電壓反射系數(shù)為+1，在開路中，電壓形成全反射，實際電壓值為入射電壓和同極性的反射電壓和而形成加倍現(xiàn)象。開路點的電流反射系數(shù)為-1，實際電流值為入射電流與相反方向、相等大小的反射電流之和，為零。短路電壓反射系數(shù)為-1，實際電壓為入射電壓與相反方向、相等大小的反射電壓之和，為零。短路點的電流反射系數(shù)為+1，實際電流為入射電流與反射電流之和，出現(xiàn)加倍。

行波法測距的方法是測量測量端與故障點之間的放電脈沖或低壓注入脈沖之間的時間來對距離進(jìn)行換算測量。入射與反射脈沖的時間差為Δt，距離L為L=V*Δt/2，以此來計算測試端到阻抗不匹配點的距離。

② 電橋法基本原理

電橋法測距中，將電纜視為集中參數(shù)元件，某一時間點上，電纜個點有著相同的相位、電流等，相同規(guī)格電纜芯線的電阻與長度成正比。等效電路圖如下圖2：

圖2 電橋法測量等效電路圖

在電流平衡的作用下，檢流計G中沒有電流，且R1/ R2=R3/R4

其中x為測量點與故障點之間的距離，L為電纜長度。該方法的優(yōu)點是高精度、方便、簡單，誤差在0.3%到0.5%之間，但不能應(yīng)用于高電阻故障。隨著該技術(shù)的發(fā)展，在克服缺點的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了自動測量的只能全自動高壓電橋，也可在高電阻值情況下使用。

(3)精確定位

精準(zhǔn)定位是根據(jù)初步測距后進(jìn)行定位，主要包括音頻感應(yīng)法、聲磁同步法以及聲測法三種。聲磁同步法克有限應(yīng)用于部分低阻故障或會產(chǎn)生沖擊放電聲的高阻故障，如果不存在放電聲的金屬性短路、接地則可選用跨步電壓法和音頻感應(yīng)法。

①聲測法

高壓脈沖作用于故障電纜時會出現(xiàn)擊穿放電，會伴隨較大的放電聲。對于直埋電纜或是打開蓋板的溝架式敷設(shè)電纜，可通過人耳聽聲來定位。在較大埋深或封閉性電纜中，可通過振動傳感器和聲電轉(zhuǎn)換器來對放電點進(jìn)行查找，該技術(shù)也是最基礎(chǔ)的精確定位技術(shù)，有著較高的可信性，但是受環(huán)境噪聲影響較大。應(yīng)用儀器可對故障點的聲波信號進(jìn)行記錄，測試人員根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)來對故障點的防電信號進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

②聲磁同步法

高壓脈沖作用于故障線路產(chǎn)生聲音信號同時還會產(chǎn)生放電電流，使電纜周圍出現(xiàn)脈沖磁場。該方法是采用儀器來對脈沖磁場信號進(jìn)行檢測，如果磁場信號與聲音信號同步，則可將其認(rèn)作故障點發(fā)出，否則為干擾信號。由于聲音信號和磁場信號傳輸速度差，到達(dá)地面會存在一定的時間差，通過探頭對時間差最小的地方進(jìn)行查找就能尋找到故障點位置。聲磁同步法能排除環(huán)境干擾因素，也是當(dāng)前較為理想的檢測方式。

③音頻感應(yīng)法

該方法是對電纜輸入音頻電流，通過接收電磁波來實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。探頭移動在電纜上會接收到相同強(qiáng)度和規(guī)律的音頻聲音，而在故障點上方則會出現(xiàn)信號突然加強(qiáng)的情形，越過故障點，信號明顯減弱，則可判斷信號增強(qiáng)點為故障點。該方法多用于低于10歐的低阻故障。當(dāng)電纜接地電阻較低特別是金屬性接地故障時，因微弱的放電聲音，聲測法進(jìn)行定位存在很大難度，所以要采用音頻感應(yīng)法。音頻感應(yīng)法能較好的應(yīng)用于兩相短路并接地故障，三相短路以及三相短路并接地故障。

[1]束洪春,田鑫萃,董俊,楊毅．利用故障特征頻帶和TT變換的電纜單端行波測距[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,22:103-112+17．

[2]朱博．長距離電力電纜絕緣在線監(jiān)測及故障定位技術(shù)研究[D]．哈爾濱理工大學(xué),2015．

余歡（1981～），男，武漢金中石化工程有限公司荊門分公司研究方向：供配電。

(責(zé)任編輯 高鎮(zhèn)峰)

Analysis of the Location Method for Power Cable Malfunction

Yu Huan

(Jingmen Branch office, Jinzhong Petrochemical Engineering co., LTD of Wuhan Province, Hubei, 448002)

As the speeding up of economic development, which puts forward higher requirements for power system and the power cable also have more multiple applications, along with which is the followed cable malfunction. This article mainly start from the composition and share of power cable, takes analysis and classification of the reason causing power cable malfunction, explores the method of finding the malfunction and mainly focuses on discussing the location of the malfunction. Firstly, through the traveling wave method or bridge method to take the distance measurement and then through the frequency induction method, magnetic sound synchronization method and sound identification method etc. to take accurate positioning and improve the accuracy and efficiency of malfunction location.

power cable；malfunction；traveling wave method

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