輸電系統(tǒng)地下電纜故障查尋探測技術

邢國軍　劉純杰　高海濤

摘 要：電力的快速穩(wěn)定發(fā)展，是我國經(jīng)濟工業(yè)發(fā)展的重要基礎。由于都市景觀的要求，以及避免風災造成的輸電線損壞事故，近年來電力公司大力推動將輸配電力電纜地下化的發(fā)展。然而，由于滲水或是蟻害或其他災害等原因，地下電纜輸電線路停電事故屢見不鮮，造成社會與各企業(yè)重大停電損失。論文中從實務和理論方式探討故障點查尋方法，期能將此技術，提供電力公司現(xiàn)場維護人員參考與分享，提升地下電力電纜運轉可靠度，確保供電系統(tǒng)質量穩(wěn)定與安全。

關鍵詞：故障 探測技術 事故原因 故障的類型

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0069-02

1 研究背景與動機

我國電力建設的迅猛發(fā)展，給地下電纜的工程帶來的數(shù)量的劇增，也成為了電力質量好壞的重要因素，然而地下電纜有著長時間運轉的特性，由于使用時間周期長也就相應產(chǎn)生了常見故障現(xiàn)象。并且因為電纜埋于地下，如果一旦發(fā)生故障，會使檢測員很難直接的觀測到。一旦電纜在地下產(chǎn)生了故障現(xiàn)象，如果沒有很快的發(fā)現(xiàn)故障的具體位置并解決故障影響，停電是直接的后果，而這樣會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。所以，需要快速又精準的確定所產(chǎn)生的故障的性質，以便于找到故障具體位置，能夠迅速解決故障所帶來的影響，減少停電所帶來的經(jīng)濟損失，是電力公司管理者與現(xiàn)場維護技術人員共同關注和需要解決的問題，也是本論文研究動機。地下電纜在運行中，各種各樣的故障類型經(jīng)常會發(fā)生，有一些故障的類型、原因以及故障位置可以很快的發(fā)現(xiàn)，而有的卻很難發(fā)現(xiàn)。

2 電纜故障

2.1 地下輸電電纜事故原因

事故原因主要為民眾過失、設備不良、施工不良、蟻害、設備劣化及工作不慎等六大項。

從以往的生活經(jīng)驗和各地所發(fā)生的電纜事故得到總結：一般情況下，地下電纜最容易發(fā)生故障的位置都在電纜的接續(xù)匣、終端匣以及避雷器附近。上述電纜的接續(xù)匣、終端匣、避雷器和外力破壞事故等因設備和施工不良所發(fā)生故障的事故點，查修人員容易藉由肉眼直接觀察搜尋獲得，無需儀器設備測試查尋，就能迅速準確的找出事故原因，從而解決問題，消除不利影響，爭取將各種損失降到最低。然而，發(fā)生頻率次于前述原因的蟻害所造成事故，卻無法由肉眼直接觀察判斷故障點。必須藉助儀器設備測試查尋，方可查出故障區(qū)間確實故障點，亦即是本論文探討如何迅速做到準確地查修故障點的技術方法與經(jīng)驗分享。

故障率是地下電力電纜建設發(fā)展所需考慮的主要因素，故障產(chǎn)生分為三個階段，第一階段（1～5年）容易產(chǎn)生運行故障，電纜本體與其附屬設備以及電纜安裝施工時的質量問題是導致其故障發(fā)生的最重要的原因。運行第二階段（5～25年），就是電纜本體與其附屬設備運行的穩(wěn)定階段，電纜線路運行時所發(fā)生的故障率比較低，而產(chǎn)生故障的原因主要是因為電纜本體的絕緣層老化以及其附屬設備絕緣層受潮后質量劣化。運行第三階段（25年后），故障產(chǎn)生的主要原因是電纜本體絕緣層與其附屬設備材料的老化情況加劇，導致電纜運行時所產(chǎn)生的故障率也隨之上升。

2.2 電力電纜故障的類型

電力電纜的故障類型分為5類，如下所述。

（1）低電阻接地或短路故障：當絕緣電阻低于100kΩ時，電纜線路相導體對地或數(shù)相導體之間產(chǎn)生的故障。

（2）高電阻接地或短路故障：與低電阻接地或短路故障類似，其區(qū)別在于接地或短路故障所用的電阻高于100kΩ。

（3）斷線故障：在電纜各相導體絕緣正常的情況下，其中有一相或者是數(shù)相導體處于斷線狀態(tài)。

常見的斷線故障類型分為3類：單相斷線、二相斷線、三相斷線。

（4）閃絡性故障：在低電壓的條件下，電纜絕緣正常，一旦電壓升至一定值或某一較高值時，電壓維持一段時間后，絕緣會產(chǎn)生擊穿的現(xiàn)象，常見的類型分為3類：單相閃絡、二相閃絡、三相閃絡。

（5）復合型故障：發(fā)生這種故障的電纜線路具有2種或者2種以上故障特性，例如：接地斷線、斷線閃絡、斷線短路等。

2.3 電力電纜故障探測方法

有關電力電纜故障查尋探測技術主要方法，分述如下。

（1）電橋法：在電橋平衡的條件下，對應橋臂電阻的乘積相等，電纜的長度和電阻成正比。將被測電纜故障相與非故障相短接，電橋兩臂分別接故障相與非故障相，調節(jié)電橋兩臂上的一個可調電阻器，使電橋平衡，利用比例關系和已知的電纜長度就能得出故障距離。

利用電橋法操作簡單，精確度高，但是它的適用范圍小，比較適用于短路（接地）。若電阻在100kΩ以上的故障，因為其故障的電阻相對較大，電橋回路中的電流又很小，一般電橋檢流計靈敏度較低而不易探測。此外，電橋法不能測量三相短路的故障，因為必須要求有完好的相做比較。并且，若電纜線路中含有由導體材料或截面不同的電纜組成的情況下，需另外換算。

（2）低壓脈沖反射法：也稱時域反射法。

通過傳輸線的電波會產(chǎn)生反射現(xiàn)象這一原理，可以計量出故障點反射脈沖與發(fā)射脈沖之間的時間差，從而測距。在此測試中需要注入一低壓脈沖到電纜中，此脈沖沿著電纜傳播到阻抗不匹配點，則會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，例如短路點、斷路點、故障點、中間接續(xù)點、T型接頭以及終端接續(xù)匣等，利用計量出的故障點反射脈沖與發(fā)射脈沖之間的時差方可測距。若需判別故障的性質，根據(jù)波形的極性即可，例如：斷路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖的極性一樣，短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖的極性不同，所以此方法比較適用于交聯(lián)電纜的短路、斷路以及低阻故障的測量，不適用于高阻和閃絡性故障的測量。

（3）脈沖電壓法：脈沖電壓法是測量高阻泄漏與閃絡性故障的方法，對故障電纜加上直流高壓或脈沖高壓，使電纜故障點在高壓下發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象，利用儀器計量出電壓脈沖在測量點到放電點之間往返一次的時間進行測距。脈沖電壓法的優(yōu)點：高阻和閃絡性故障不會被擊穿，因其利用故障擊穿現(xiàn)象產(chǎn)生的瞬間脈沖信號，測量速度比較快。缺點：安全性相對較差，儀器與高壓回路之間會產(chǎn)生電氣耦合的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會導致高壓信號竄入，直接損壞儀器，帶來經(jīng)濟損失。

（4）脈沖電流法：脈沖電流法采用線性電流耦合器采集電纜中的電流行進波信號，故障點在高壓下?lián)舸r，使用儀器采集并記錄下?lián)舸┕收宵c所產(chǎn)生的電流行進波信號，通過分析判斷電流行進波信號在測量端與故障點往返一次所需時間來計算故障距離。此方法與脈沖電壓法相比，此方法使用線性電流耦合器，由于信號來自低壓回路，輸出的脈沖電流波型與高壓回路無直接電氣連接，電流脈沖信號較易分辨，對試驗儀器和試驗人員相對比較安全。

（5）直流高壓閃絡法：比較適用于測量高阻閃絡擊穿性故障，用高壓試驗設備把電壓升至一定值時就會產(chǎn)生閃絡擊穿現(xiàn)象。利用高壓試驗變壓器和調壓器對電容器進行充電，再將電容器串一個電阻與電纜連接起來形成回路；因需要檢測信號，所以需另外采用線性電流耦合器與該回路耦合。當電容器的電壓增至一定值時，高壓會把電纜故障點擊穿，此時短路電弧形成，故障點的電壓值即刻接近零，同時一個突波電壓和突波電流會產(chǎn)生，傳播方向為沿故障點向兩端。要獲得故障距離則需要在電纜的一端檢測電流脈沖在測量端和故障點之間往返一次的時間即可。

（6）聲音測尋法：在測尋電纜故障的過程中，有故障的電纜在加上一個幅度足夠高的沖擊電壓的情況下，故障點會產(chǎn)生閃絡放電，還會有巨大的放電聲產(chǎn)生，而這種聲音能夠傳達到地球表面，通過這個現(xiàn)象來定點以致測尋到故障點。此方法所用的定位儀采用高靈敏度的聲電轉換器，先將地面微弱的地振波轉變成電信號，然后利用電晶體放大器將所接收到的電信號進行一定的放大，再利用耳機還原成聲音。由于環(huán)境噪聲的干擾，在實際測尋時增加了辨別的困難。在故障點放電的情況下，會產(chǎn)生聲波以及高頻電磁波。聲磁同步法是聲音測尋法的改進，當故障放電時，利用電磁波和聲波的接收是否同步可以判斷。若能檢測到故障點放電電磁波，又能聽到地震波，則放電聲波正在工作，在地振波信號和電磁波同步的條件下，且地振波信號和電磁波同步，證明所聽到的地震波是可靠的，即可以確定故障點的具體位置。

（7）音頻法：音頻法的發(fā)展的原理是電纜多芯線里流動的電流所產(chǎn)生的磁通相位差與故障點前后的磁通變化。利用此法來判斷電纜各種類別的短路故障時，高靈敏度的音頻接收機和耳機、探測線圈、匹配變壓器以及音頻信號發(fā)生器等設備是必須要具備的。當故障電壓低于100kΩ時，利用此方法，一般可以測尋到故障的具體位置。由于合成電磁場的相角、幅度與故障電阻的大小、所采用的信號頻率、故障點前后的電纜長度有關，且電纜實際出現(xiàn)兩芯線間純短路概率很小，所以在現(xiàn)場應用此方法感應接收定點也不太容易。

聲音測尋法與音頻法的原理都是依靠判斷電磁波或聲波信號是否最強來判斷故障具體位置，但在實際測尋的過程中，兩者的信號哪一個最強并不是很明顯就能判別的，例如，在電纜外被覆未完全擊穿的情況下，由于聲波發(fā)射在整條電纜的介質中，所以在很大范圍內所接收到的信號強度區(qū)別不明顯。當管路中產(chǎn)生電纜故障時，可以判別聲音信號最強的位置是管路口，而不是故障點。

3 結語

依據(jù)上述探討可知，對電力電纜故障測距有很多方法，除因外界破壞因素而引起的故障易查尋外，其它的故障的具體位置不易查尋，必須依靠儀器測尋，一旦測尋人員操作儀器的經(jīng)驗不足，測尋方法不妥，造成故障點誤判或者是長時間找不到故障點，故障維修的時間延遲所造成的經(jīng)濟損失和社會成本難以估計。

現(xiàn)代微電子技術的不斷發(fā)展與創(chuàng)新應用于各種在線監(jiān)測，新方法有很多，例：應用小波變換分析法、GPS電纜雙端故障測距法、實時專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)、應用光纖復合電纜傳感技術、分布式光纖溫度傳感器等監(jiān)測地下電力電纜故障點，具有高測量精度、高自動化、結合因特網(wǎng)和云端科技的在線監(jiān)測及全自動測距電纜故障探測，能夠滿足精度要求。由于我國在電纜故障測距方面的應用還不太成熟，并且不是實時動態(tài)的。所以將電纜的地理訊息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)聯(lián)合運用于電纜狀態(tài)及運行時所發(fā)生的故障的自動定位測距，以達到實時動態(tài)的全自動監(jiān)測測距，這也是現(xiàn)代電纜故障測距的發(fā)展趨勢。有助于在確保安全的前提下，事先檢測診斷電力電纜供電設備，對故障進行預測，降低電纜故障產(chǎn)生的概率，減少供電事故發(fā)生率，縮短事故的停電時間，提升供電的電壓質量。

展望未來國內外科研技術人員實現(xiàn)實時動態(tài)在線監(jiān)測，在電纜線路故障前事先檢測發(fā)現(xiàn)弱點，減少電纜故障發(fā)生機率，全自動監(jiān)測運轉時方便、快速及準確地找出電力電纜發(fā)生故障的自動定位測距，減少因故障停電而恢復供電的時間、經(jīng)濟損失，提高供電的可靠性與供電電壓的質量。

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