鐵路低壓電纜故障研究

摘 要：闡述了鐵路低壓電纜故障發(fā)生的原因和及時準確處理的必要性，分析了鐵路低壓電纜故障完整性信息的獲取途徑，結合日常維護經驗，提出了處理鐵路低壓電纜故障的一般措施。

關鍵詞：低壓電纜；故障測距；路徑查找；故障判據；電纜識別

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.254

0 引言

我國鐵路事業(yè)的高速發(fā)展，鐵路自動化監(jiān)控設備的應用越來越廣泛，對電力電纜的依賴性越來越高；同時由于高速鐵路引入既有站施工的增多，涉及對既有電纜的改造項目也顯著增多；既有電纜在施工工藝、材質上存在的問題，出現故障在所難免，本文根據鐵路電纜日常維護經驗，同時查看相關資料，探討如何快速準確的查找和處理電纜故障的方法。

1 電纜故障的類型和成因

電纜故障大致表現為導線連續(xù)性故障和絕緣性故障。低壓電纜出現故障的成因很復雜，電纜的生產質量、施工工藝不規(guī)范、運行維護等任何環(huán)節(jié)出現疏漏，都會埋下故障隱患，隨著電纜使用年限的增加，受潮和材料老化會造成電纜絕緣性能進一步劣化，此外電纜負載過大、日常檢修不到位、外部環(huán)境的影響也是電纜發(fā)生故障的重要原因。

電纜的故障可以分為串聯故障和并聯故障。串聯故障是電纜中的一個或多個導體在中途發(fā)生斷開，通常這種情況發(fā)生在供電側電源開關沒有跳閘，一路或幾路用電設備發(fā)生失電的時候。并聯故障表現為導線對地或導線之間的絕緣電阻顯著下降，在雨雪等濕度比較大的情況下發(fā)生漏電或擊穿，不能承受正常工作電壓而引起跳閘。隨著近些年來電纜故障研究的不斷發(fā)展，相關理論和技術不斷成熟，逐漸形成了一套科學規(guī)范的電纜故障解決方案。

2 低壓電纜故障信息獲取

電纜故障信息的獲取對選擇故障查找方案至關重要，目前主要是由有經驗的專業(yè)技術人員指導并根據現場采集到的信息后判定，受現場操作人員的人為因素影響比較大。本文首先從信息獲取層面進行分類，探討如何獲取完整的電纜故障判據，指導接下來的故障點查找和修復。

（1）電纜型號：電力電纜的基本結構分為導電體、絕緣層、保護層三個部分。電纜的線芯、絕緣層決定電源的耐壓等級，保護層則保護電纜在鋪設和運行過程中免受機械損傷和外部環(huán)境的侵襲。

（2）電纜工作條件：平時檢修中要不斷完善電纜技術資料，包括電纜路徑、供電側的空開位置和保護定值、用電側的設備工作電流和峰值電流等信息。當發(fā)生故障后可以根據這些信息縮小故障范圍，及時排除用電設備和變電設備故障。

（3）電纜安裝方式：電纜按安裝方式分為地埋和架空兩種，有些電纜涉及到下穿鐵路、公路河流及其它高震動、高落差等復雜環(huán)境的鋪設，綜合考慮這些因素可以明顯加快故障處理進度。此外電纜鋪設的深度和路徑也會影響到電纜路徑信息的獲取。

（4）故障特征：電纜故障處理建立在準確的電纜故障特征判斷基礎上，而前面所講的外部環(huán)境等只是判斷電纜故障的輔助信息。

（5）信息有效性、完整性鑒別：電纜故障分析很重要的工作是對信息的有效性進行鑒別，分清楚那些對故障診斷起到積極的作用，哪些信息跟已知的有效信息相矛盾或只是起到輔助作用。當我們獲得的有效信息足夠我們查找并修復故障則稱為我們已經掌握了完整故障信息。

（6）故障特征獲?。汗收咸卣餍畔⒅饕请娎|各相的絕緣電阻，絕緣電阻是判斷電纜絕緣性能的最重要的指標。測量絕緣電阻要在電纜兩端開路的條件下進行，測量前應確認電纜上沒有連接負載，防止測量用的高電壓燒壞用電器。

絕緣電阻測量通過外接電壓測試電纜的相對地和兩相間的絕緣電阻，常用的測量儀器是兆歐表。在選用兆歐表時應注意額定電壓在500V以下的電纜選用500V或1000V的兆歐表，額定電壓越大的兆歐表的分辨率越差，我們選用歐姆表的最小度數要大于被測電纜的電阻。

需要注意的是測量時歐姆表指數為零并不代表被測電阻為零，此時我們可以通過萬用表輔助測量，但必須對兩種電阻值加以區(qū)分。此外也可以用高壓發(fā)生器對電纜有故障的相進行耐壓試驗，這個方法可以比較直觀地判斷故障性質。

3 低壓電纜故障查找方法

判斷出電纜的故障性質后，接下來的步驟主要分為故障距離初測、電纜路徑調查與識別、故障精確定點、故障修復。故障測距是通過在電纜線芯上外接信號源并接受相應的反射信號，利用信號源和特征信號源之間的時間差估算故障到信號源之間的距離。故障測距是通過接收器接收目標電纜上的矢量電場判斷電纜的走向埋深等相關信息。故障定點是在故障測距的基礎上進一步精確定位故障點以便后期施工修復故障。

技術人員應根據故障性質合理選用故障測距和定點的儀器和方法。下面結合我段常用的巴測T-30故障識別儀器和T5000電纜路徑儀介紹鐵路低壓電纜故障查找的一般方法。

3.1 故障測距

電纜的測距方法主要有阻抗法和行波法兩種。阻抗法由于受故障點過渡電阻影響，測量精度不高?，F代行波法是利用向故障電纜發(fā)射高頻脈沖信號，在電纜的故障點、中間接頭、終端頭等位置由于波阻抗發(fā)生改變使信號產生反射，反射波被TDR分析儀接收，通過計算發(fā)射脈沖和反射脈沖的時間差可以計算出故障點的距離。影響行波法測量精度的因素主要有電波在電纜中傳播速度的選擇和分析儀的時域采樣精度。

波阻抗變化越大，脈沖反射回的能量越大。也就是說反射回發(fā)射端的脈沖能量越大，而傳播到遠端的能量就越小。最極端的故障是開路（斷線）或死接地故障（金屬性短路），這兩種故障會引起全反射。反射脈沖的極性能夠反映出故障性質是開路還是短路。正極性的反射脈沖（反射脈沖向上）表明是開路（斷線）故障或電纜終端；負極性的反射脈沖（脈沖向下）表明是短路故障。

對于絕緣電阻在1000Ω以下的故障電纜可以采用發(fā)射幾十伏的高頻脈沖即可收到理想的波形，其波形如圖1所示。

對于絕緣電阻在1000歐姆以上或是閃絡型的故障，低頻脈沖在故障點不能產生很好的反射，從而無法判斷故障距離。這時可以采用ARM弧反射法，它是將上文的低壓脈沖反射跟高壓電磁沖擊法相融合的一種方法，該方法的波形簡單、容易識別、易于掌握、測試精度高，因而被廣泛采用。

ARM弧反射法首先對電纜施加高壓脈沖使故障點發(fā)生有效擊穿，擊穿電弧維持時間可以長達幾十毫秒，電弧使故障點瞬時導通，高阻故障變?yōu)榈妥韫收稀Ｔ趽舸┩瑫r通過信號耦合電路向電纜施加低壓脈沖信號，通過采集低壓脈沖信號的輸入輸出波形即可準確判斷故障點位置。

ARM弧反射法的典型波形如圖2所示，深色曲線是單獨用低壓脈沖時產生的，作為參考波形，淺色曲線是ARM擊穿后的波形，兩條線開始分開的地方表示高阻故障的位置。需要注意的是我們我們選用高壓擊穿脈沖幅值時不得超過電纜的最大耐受電壓，同時反射法的測量精度主要受電波在電纜中傳播的速度設定值影響，因此在測試前要先校準電纜的波速度。

3.2 電纜路徑查找和電纜識別

測出電纜故障距離之后需要沿著電纜的路徑找到對應的故障距離標定點，鐵路兩側的低壓電纜通常采用電纜溝或者直接埋設，無法直接看到，因此探明電纜路徑的工作必不可少。我們主要進行德國巴測公司的T5000電纜路徑識別儀器。它的主要原理是通過信號發(fā)生器在電纜上形成一個有方向固定頻率的電場，通過信號接收器上方向不同的線圈感應出的對應頻率的信號的幅值來判斷電纜的走向。

圖3，4，5是信號發(fā)生器直連法的接線方式，這種信號準確度最高。在接線時要注意兩點，一是信號發(fā)生器的信號源不得接到連接多條電纜的母線排上，信號源的接地級必須遠離附近電纜的鎧裝層接地處以免把信號輸出到多個導體上；二是被引入信號的導體遠端必須接地且中途無斷點，形成良好的信號回路。

直連法不僅適用于停電的線路，借助于專用的信號耦合器也可以將信號加到帶電的導體上，信號接收器利用先進的數字濾波器可以濾掉工頻信號及其它非目標頻率信號的干擾，如圖它還可以提供信號電纜的走向、埋深等其它參數。

鐵路上往往是多條低壓電纜同溝鋪設，在對故障電纜進行割據改造操作前必須準確識別目標電纜。使用LCI和CI電纜識別儀可以分別對帶電和停電的電纜進行識別。電纜識別儀信號引入的方式跟路徑識別儀相似，其接收機器類似鉗形電流表，利用數字正交電流的原理可以準確識別信號電流及其方向。將接收器夾在一條電纜上，如果接收器既檢測到周期性的目標信號又檢測到電流方向跟電纜方向一致，則說明被測電纜是目標電纜。我們做電纜識別時要能準確掌握電纜的方向，中途有無分叉，電纜末端是否由端子排根別的電纜連接等信息，并對所有可疑電纜進行逐個識別，才能得出準確的結論。

3.3 故障的精確定點

目前流行的電纜故障精確定位的方法主要有音頻感應法、聲磁定位法、電勢差法。前兩種方法要求故障點在高壓脈沖下產生明顯的擊穿聲音；低壓電纜由于絕緣電阻比高壓電纜低得多，高阻故障相對容易發(fā)生擊穿，但是低阻和斷路故障卻很難發(fā)出明顯的聲音。電勢差法適用于電纜發(fā)生對地泄流的情況，在土地上形成均勻的電場，鐵路低壓電纜往往采用電纜槽道鋪設，很難在大地形成均勻的電場，因此也不適用。我們在實際工作中形成了聲磁同步法、感應電壓法和改進的二分法相結合的故障處理方法。

如果判斷電纜發(fā)生高阻故障，根據電纜的耐壓等級選擇合適的擊穿電壓，一般1000V的電纜施加直流脈沖不得大于4kv。當高壓脈沖使故障點發(fā)生擊穿時，巨大的電流在故障點產生巨大的電磁信號和聲音信號。已知聲音在介質中的傳播速度比電磁信號慢很多，利用儀器接受到兩者信息的時間差可以判斷故障點到儀器的距離，聲磁信號到達時間相隔最短和聲音最大的位置即是故障點位置。

如果判斷電纜是斷路故障，我們可以在故障相上施加正常220V工作電壓，用非接觸式測電筆對電纜故標前后進行測試，找出電纜帶點情況發(fā)生突變的位置，該處就是斷路點。這種方法必須要在識別目標電纜后進行，并且對有些屏蔽層良好的電纜和鋪設情況復雜的情況不是特別有效。

低壓電纜由于其成本和割接技術要求低的特點也可以給我們提供了一種類似于傳統二分法的故障排除方法。首先我們在電纜的一端測出故障距離，接下來在故障定標附近切斷電纜，用兆歐表分別測量兩側的絕緣電阻，在有故障的一端再次進行故障測距作業(yè)，再次切開測量兩端故障，以此類推，不斷地縮小故障范圍直到切除故障部分。實際工作中我們需要靈活考慮電纜布線和埋設情況，采用最合理快捷的割接方案。

參考文獻：

[1]于景豐，趙鋒.電力電纜實用技術[J].北京：中國水利水電出版社，2003（01）.

[2]崔江靜，梁芝培，孫廷璽.電力電纜故障測試技術及其應用的概述[J].高電壓技術，2001，27（104）：40-43.

[3]楊孝志，陸巍，吳少雷等.電力電纜故障定位技術與方法[J].電力設備，2007，8（11）：22-24.

作者簡介：孔令坤（1988-），男，河南商丘人，碩士，助理工程師，研究方向：接觸網遠動設備維護。