電力電纜故障檢測及故障點定位方法探究

張仲文

摘要：由于電力電纜多敷設(shè)在地下電纜管或溝里，有效避免了自然侵蝕和人為破壞，其防腐蝕和防損傷的優(yōu)點尤為突出。然而對比架空線路，電力電纜的故障性質(zhì)和位置判斷比較困難，如何迅速、準(zhǔn)確地判斷故障性質(zhì)，查找故障點，顯得特別重要。文章對電力電纜故障類型進行了分類，對故障檢測方法進行了分析，并闡述了電力電纜故障點定位新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電力電纜；故障檢測；故障點定位方法；電力系統(tǒng)；故障排除 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM73 文章編號：1009-2374（2016）34-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.017

1 概述

電力電纜在實際運行或試驗過程中，出現(xiàn)的故障多種多樣，表現(xiàn)形式也各有不同。為了快速查找和排除故障，確保電力電纜線路的安全可靠運行，故障檢測技術(shù)人員必須具備和掌握故障發(fā)生原因的分析能力、故障類型判斷能力、故障查尋步驟和常用方法、熟練使用故障測試定位儀器的技能等。本文闡述了電力電纜故障類型、檢測步驟，并重點對電力電纜故障檢測及故障點定位方法進行研究分析。

2 電力電纜的結(jié)構(gòu)

電力電纜按其內(nèi)芯的數(shù)量劃分，可分為單芯電纜和三芯電纜兩種。不論是單芯電纜還是三芯電纜，電力電纜按其導(dǎo)線截面劃分，又可分為各種截面的型號規(guī)格。但是，不論是單芯還是三芯電纜，也不論是哪種截面型號規(guī)格的電纜，其基本結(jié)構(gòu)都是一樣的，即都是由導(dǎo)體、絕緣層和保護層組成。其中：導(dǎo)體在電纜最中央，起電流電能傳導(dǎo)的作用；絕緣層在導(dǎo)體和外保護層之間，起絕緣作用；保護層在最外層，起保護電纜承受一定的拉力的作用。目前應(yīng)用最廣泛的是由銅導(dǎo)體、交聯(lián)聚乙烯絕緣和高密度聚乙烯材料構(gòu)成的電纜。在電力系統(tǒng)中，高壓部分，如110kV、220kV、500kV電纜常采用單芯電纜；中低壓部分，如10kV和低壓電纜線路采用三芯電纜。

3 電力電纜的故障類型及診斷

電纜在運行或預(yù)試過程中，常常會出現(xiàn)電纜的絕緣層或保護套出現(xiàn)損壞或故障的情況，從而會導(dǎo)致線路停電，甚至危害到整個電網(wǎng)的安全運行，那么造成電纜故障的原因有哪些呢？通常，導(dǎo)致電力電纜發(fā)生故障的原因較多，有機械損傷、絕緣受潮、絕緣老化嚴(yán)重、原材料缺陷和制作工藝缺陷、雷擊或其他沖擊過電壓而損壞等。其中，機械損傷占到電纜故障的八成以上。根據(jù)電纜故障發(fā)生部位的不同，電力電纜故障主要發(fā)生在電纜本體、電纜中間接頭故障和電纜終端頭故障。實際運行經(jīng)驗中大部分電纜故障發(fā)生在中間接頭或終端頭上。根據(jù)故障發(fā)生時間不同，分為運行故障、試驗故障兩種，從電纜故障的性質(zhì)來看，電力電纜故障分為低阻故障、斷路故障、高阻泄露和閃絡(luò)故障。其中斷線故障是由于電流過大所致，主絕緣故障則由故障電阻和擊穿間隙所引發(fā)，一般情況下主絕緣故障又可分為低阻、高阻及閃絡(luò)故障。低阻故障和高阻故障的區(qū)分界線是取電纜自身阻抗的10倍，但是在實際的檢測中往往不會要求特別嚴(yán)格。閃絡(luò)故障最為重要的特點是電纜故障點的電阻值非常大，可以給故障電纜施加極大電壓，故障部位才會出現(xiàn)閃絡(luò)擊穿問題，以預(yù)防性試驗出現(xiàn)此種故障居多。

4 電力電纜故障的檢測步驟

當(dāng)電力電纜發(fā)生故障后，有一套完整、適用的步驟能使檢測人員在比較短的時間里找到故障點。電纜故障點測尋步驟大致可以分為：（1）確定電纜的故障性質(zhì)，即使用絕緣電阻表分別測量線芯對地絕緣電阻和相間絕緣電阻或在電纜遠端將三相短路，在近端用萬用表測量相間導(dǎo)體電阻判斷故障的性質(zhì)是確定是接地、短路、斷線，還是它們的混合；是單相、兩相，還是三相故障；是高阻、低阻，還是閃絡(luò)性故障；（2）對故障電纜進行粗略的檢測定位，方法是在電纜的一端使用儀器確定電纜故障點距離。常用方法有電橋法、波反射法；（3）找尋故障電纜的敷設(shè)路徑，粗略檢測到故障點后，我們就要探測電力電纜的路徑，找出故障電纜的敷設(shè)路徑和埋設(shè)深度，其常用的儀器是管線路徑儀；（4）對故障電纜進行精確的定位，檢測技術(shù)人員根據(jù)電纜故障預(yù)定位的結(jié)果，在電纜故障點附近，通過儀器和設(shè)備對電纜故障點的位置進行精確定位?；痉椒ㄊ强绮诫妷悍ê吐暅y定點法。

5 電力電纜故障點定位方法

由于電力電纜故障類型的千差萬別，電纜故障點所處的特殊環(huán)境對電纜故障的判斷和測試也會產(chǎn)生一定的影響。而電力電纜的敷設(shè)特點決定一般無法直觀確定障礙點，因此必須借助相關(guān)儀器進行判斷和測試。本人結(jié)合實際工作，將比較常見的檢測方法歸納如下：

5.1 電橋法

這種方法適用于短路故障、低阻故障、外護套故障。電橋檢測法是采用雙臂電橋檢測出電力電纜芯線的電阻值，準(zhǔn)確測量電力電纜的實際長度，根據(jù)電力電纜長度和電阻值之間的正比例關(guān)系，計算出電力電纜的故障點位置。

該公式是電橋法故障距離計算公式。值得注意的是，采用電橋檢測法應(yīng)確保檢測的精確度，電橋的連接線應(yīng)盡量短，接線直徑要盡量大，與電力電纜的芯線連接需采用壓接方式或焊接方式，整個計算過程的小數(shù)點需全部保留，不得進位?；菟雇姌虻幕驹硎抢霉收宵c兩側(cè)的電纜線芯電阻與比例電阻構(gòu)成Whitestone/Murray電橋，是傳統(tǒng)、經(jīng)典的定位方法。另外，電橋檢測法檢測電力電纜故障除了雙臂電橋外還應(yīng)與兆歐表或萬用表配合使用，從而為快速檢測電力電纜故障點提供保障。

5.2 低壓脈沖法

低壓脈沖法一般適用于低阻短路或接地性故障、斷線性故障，它的工作原理是通過發(fā)射低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點，如短路點、故障點，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測試點儀器被記錄下來。根據(jù)波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間差乘以脈沖的傳播速度，就可計算出電纜的故障距離。

lx=v/2*tx

式中：v為波速度；tx為脈沖往返時間；lx為電纜長度；v/2為波速的一半。

用測試儀記錄波來回反射一次的時間，根據(jù)上述公式，可以求出故障距離。應(yīng)注意一點，脈沖波在介質(zhì)中傳播的速度和介質(zhì)的材料有關(guān)，因此在測試時要選擇相應(yīng)的介質(zhì)材料波速度，測量結(jié)果的誤差就會比較準(zhǔn)確。

5.3 沖擊高壓閃絡(luò)測試法

沖擊高壓閃絡(luò)測試法也是我們常說的“沖閃法”。用于大部分閃絡(luò)故障，斷路和低阻、短路性故障。電力電纜發(fā)生故障七成以上為高阻故障，尤其是預(yù)防性試驗中出現(xiàn)擊穿故障有九成為高阻故障。沖擊高壓閃絡(luò)檢測法適用于各種類型的高阻故障檢測，它具有試驗過程簡便、準(zhǔn)確和快捷等特點。

采用沖擊高壓閃絡(luò)檢測法進行故障檢測分為兩類，包括電感沖閃法和電阻沖閃法。二者最大的不同在于球形間隙相互串聯(lián)的電感線圈L可換為電阻。兩種方法的工作原理相近，但前者應(yīng)用更為寬泛，高阻電力電纜故障查測多使用本方法。下面介紹電感沖閃法的工作原理：系統(tǒng)接通電源，電流經(jīng)過調(diào)壓器、變壓器整流器對電容器充電，如充電電壓升至一定值后，球間隙波擊穿，電容器的電壓通過球間隙短路電弧和小電感直接加設(shè)到電力電纜測量端。此沖擊電壓波沿著電力電纜方向朝故障點進行傳播，電壓峰值足夠大，故障點因電離放電，故障點放電產(chǎn)生短路電弧同時沿著電力電纜發(fā)送電壓波并反射。判斷沖擊高壓閃絡(luò)測試法的關(guān)鍵是判斷故障點是否擊穿放電方法如下：（1）故障點擊穿時，球形間隙放電聲清脆響亮，火花較大；（2）故障點擊穿時，電流表指針擺動范圍大。可以檢測波形第一個上突跳拐點與下一個下突跳點的時間間距，可利用計算故障點距離測試端的距離。

5.4 跨步電壓法

跨步電壓法對于單相接地故障或兩相、三相短路并接地故障，外護套故障適用。需用儀器：電纜護層故障定位電源，跨步電壓指示器。其工作原理是在故障相與地之間，加上負極性的直流電源，從故障點流入土壤的電流在土壤表面形成漏斗狀電位分布，通過探棒尋找土壤中的電勢最低點。當(dāng)儀表的指針偏向右側(cè)，則向右測尋找，偏向左方，則向左方尋找，逐漸縮小故障的距離位置，直到指針位于正中間。跨步電壓法的操作步驟如下，首先在目標(biāo)電纜加脈沖電源升壓3～5kV，然后把跨步電壓指示器，通過專用連線與探棒相連，把功能鍵旋至跨步和最大靈敏度，探棒相隔2m左右，在初測故障點附近，插入土壤，選擇合適靈敏度，觀察指針指向，若電壓為+，指針往+方向有規(guī)律擺動，說明故障點在紅棒方向，向紅棒方向移動一間隔，若電壓仍為+，說明故障點仍在紅棒方向，繼續(xù)移動紅棒，直到電壓為-，指針往-方向擺動，調(diào)節(jié)紅棒，使跨步電壓為0，兩棒中心為故障點位置。

5.5 聲測定點法

聲測法，顧名思義是按照故障電力電纜的釋放電聲查找故障，聲測定點法適合電纜主絕緣故障的精確定點。利用故障點在高壓沖擊時的擊穿放電聲音進行精確的定位。其工作原理首先需要一個能使故障點產(chǎn)生規(guī)則放電的裝置，利用該裝置使故障點放電，然后才可以在初測的距離附近，沿電纜線路，用拾音器來接收故障點的放電聲波，如果已經(jīng)聽到有規(guī)律的啪啪聲，故障點就在此附件，此時沿電纜走向，前后移動定點儀，最后集中于最響點，以此來確定故障點精確位置。明敷電纜可根據(jù)聽覺直接查找，而暗敷電纜則首先需求表明電力電纜的走向，在電聲最小時借助助聽器或聽診器放大電聲的辦法進行查找。在查找過程中，拾音器可貼近地面，沿著電力電纜的走向緩慢移動，如聽到電聲達到最大則判定該位置為故障點。應(yīng)用本方法僅需注意安全問題，試驗設(shè)備端和電力電纜末端需由專人監(jiān)視試驗過程。

6 電力電纜故障點定位新技術(shù)

6.1 高頻感應(yīng)定位法

通過利用高頻信號波發(fā)生裝置向電力電纜輸入高頻電流，由此產(chǎn)生高頻電磁波，并由地上探頭沿著電力電纜的路徑接收電力電纜周邊的高頻電磁場，電磁場的變化經(jīng)接收和處理直接顯示于液晶屏幕上，按照顯示數(shù)值的大小判定故障點位置。高頻感應(yīng)定位法和傳統(tǒng)音頻感應(yīng)定位法更具優(yōu)勢，高頻信號源比音頻信號源更易實現(xiàn)且制造簡單，也可減少定點探測設(shè)備的體積和重量，為小型化、便攜式設(shè)備創(chuàng)造更為有利的條件。另外，高頻信號的頻譜抗干擾能力更強，直接顯示于液晶屏幕的方式要比依靠人耳辨別更為可靠和直接，采用高頻感應(yīng)定位法也可在不停的情況下以耦合式接線方式來完成在線故障探測。

6.2 紅外熱象技術(shù)

電力電纜過載，芯線的溫度急劇攀升，由此可以對電力電纜的芯線溫度變化作為判定故障位置的依據(jù)。采用紅外熱象儀掃描電力電纜表面，拍攝表面溫度場的分布圖像，進一步處理得到溫度場的數(shù)值分布，然后可根據(jù)已建立的傳熱數(shù)學(xué)模型、電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)、環(huán)境溫度和表面溫度對電力電纜芯線的溫度進行反演計算，從而可以實現(xiàn)電力電纜芯線溫度的非接觸故障探測。正是紅外技術(shù)不需接觸設(shè)備，不要求設(shè)備停運，且具有操作簡便、檢測速度快、工作效率高等優(yōu)點，在未來的電纜故障檢測中，紅外熱像技術(shù)必將發(fā)揮更大的作用。

7 結(jié)語

我國電力電纜故障測試技術(shù)水平在近些年中得到了很大的提高，對于不同特點的故障應(yīng)采用相應(yīng)有效的檢測方法。電力電纜故障點定位應(yīng)借助先進的測量儀器和檢測設(shè)備，準(zhǔn)確、快速地確定電力電纜故障點的位置，為及時處理故障贏得寶貴時間。本文通過介紹我國電力電纜的故障類型及診斷，并重點就電力電纜故障的檢測和電力電纜故障點定位新技術(shù)進行探討分析，旨在促進交流和學(xué)習(xí)，通過理論研究為我國電力事業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 徐丙垠，李勝祥，陳宗軍.電力電纜故障探測技術(shù)

[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊體.一起10kV電纜單相接地故障的檢測分析[J].大眾用電，2011，（4）.

[3] 鹿洪剛，覃劍，陳祥訓(xùn)，劉兵.電力電纜故障測距綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，（20）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）