基于故障點電流檢測法的高壓電纜故障研究

任廣為 段玉杰 黃梁英 楊三泉

摘 ? 要：隨著我國電力系統(tǒng)不斷的發(fā)展，高壓電纜在發(fā)電、輸電、變電以及配電等環(huán)節(jié)中起到重要的作用。本文首先通過對高壓電纜常見故障類型進行闡述，然后介紹當(dāng)前國內(nèi)外高壓電纜故障檢測方法以及不足，最后采用獨創(chuàng)的故障點電流檢測法，提出一套完整的高壓電纜金屬性接地故障快速定點檢測方法，這對于及時發(fā)現(xiàn)和排除電纜安全隱患，提高故障處理水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：高壓電纜 ?故障 ?電流檢測法

中圖分類號：TM755 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0027-04

Abstract： With the continuous development of China's power system， high-voltage cables play an important role in power generation， transmission， substation and power distribution. This paper firstly describes the common fault types of high-voltage cables， then introduces the current high-voltage cable fault detection methods and shortcomings at home and abroad， and finally uses a unique fault point current detection method to propose a complete high-voltage cable metal ground fault rapid fixed-point detection method. This is of great significance for the timely detection and elimination of cable safety hazards and the improvement of fault handling levels.

Key Words： High voltage cable; Fault; Current detection method

1 ?高壓電纜故障類型

電纜故障根據(jù)發(fā)生情況不同可分為不同的故障類型。當(dāng)故障出現(xiàn)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為主絕緣故障和金屬護套故障;當(dāng)故障出現(xiàn)在不同的電纜線路位置可分為本體故障和接頭故障;而短路和開路故障則屬于按故障性質(zhì)進行的分類。電纜的絕緣損傷和缺陷是高壓電纜的絕大多數(shù)故障出現(xiàn)的原因，其中最為常見是短路故障。根據(jù)故障電阻的大小，低電阻故障、高阻抗故障和閃絡(luò)故障為短路故障的三種類型。

低阻故障：該故障是指電纜的絕緣電阻小到特定阻抗值時，其絕緣性相對地損壞，此時低壓脈沖法是一種比較好的測量方法。出現(xiàn)低阻故障時，絕緣電阻將會變小到特定阻抗值，低于10Z0（Z0電纜波阻抗，一般小于40Ω）。低阻故障一個常見的特例就是短路故障。

高阻故障：該故障是指絕緣電阻較大，但這是與低阻故障相比較的，具體來說一般大于10Z0，此時低壓脈沖法測量已經(jīng)不適用了。

閃絡(luò)性故障：一般故障在故障點都會形成電阻通道而閃絡(luò)性故障僅在放電間隙或閃絡(luò)性表面。它的明顯的特點是它的阻值可以為無限大，但是降壓后絕緣可自行恢復(fù)其絕緣性。

從可靠性來講，電纜線路是明顯高于架空線路的，但由于各種因素的影響，電力電纜在實際運行中也會發(fā)生故障。例如強大的外力損壞，設(shè)計和制造工藝不過關(guān)，絕緣性受潮，絕緣出現(xiàn)老化變質(zhì)，過電壓，電纜的絕緣物流失，護套遭受腐蝕和材料存在缺陷等，這些都是導(dǎo)致電纜出現(xiàn)故障的主要原因。電纜由于深埋地下，發(fā)生故障時很難準確尋找到它的故障點。因此，如何以較低的經(jīng)濟成本精確、迅速地找出電纜出現(xiàn)故障的地方，成為了在高壓電力電纜故障測尋技術(shù)中困擾供電公司和施工單位的重要難題。

2 ?當(dāng)前國內(nèi)外電纜故障檢測方法

高壓電力電纜故障測尋技術(shù)分為故障性質(zhì)確認、故障預(yù)定位、測尋故障電纜的敷設(shè)路徑、故障精確定點四個步驟。

2.1 故障性質(zhì)確認

當(dāng)故障出現(xiàn)在電力電纜上時，故障的性質(zhì)的診斷是技術(shù)人員面對的首要問題，在此之后才開始確定采取的故障的預(yù)定位方法。預(yù)定位方法的選擇十分關(guān)鍵，如果選擇不恰當(dāng)不僅故障測尋的時間會延長，并且還會造成測試儀器的損壞。

故障性質(zhì)的確定主要包括幾個方面：就電阻而言需判斷故障電阻是高阻狀態(tài)還是低阻狀態(tài);就故障點位置而言是閃絡(luò)性故障還是封閉性故障;就故障類型而言是接地、短路、斷線故障;就相數(shù)類型而言是單相、兩相，還是三相故障。通常，不同的故障現(xiàn)象代表著不同的故障類型，通過這個故障的性質(zhì)可以進行初步判斷。如果故障的性質(zhì)還無法通過上述判斷完全將確定下來，此時就必須對絕緣電阻進行測量和“導(dǎo)通試驗”。故障點的擊穿電壓有時難以弄清時而確定故障的性質(zhì)時，可以采取進行直流耐壓試驗來確定。

2.2 故障預(yù)定位

故障預(yù)定位是指能夠測量出故障點到電纜任意一處的距離。預(yù)定位有很多種方法，主要可分為阻抗法和行波法兩大類。

（1）阻抗法。

阻抗法是基于線路單端或者多端的電壓、電流和阻抗間的關(guān)系，列寫和求解故障點方程進而進行故障點預(yù)定位。經(jīng)典電橋法是一種典型的阻抗法，基本原理是被測電纜存在故障相和非故障相，在電纜末端短接它們，并且故障相與非故障相分別接導(dǎo)電橋兩臂上，為了使電橋達到平衡，需要通過兩臂上的一個可調(diào)電阻器進行調(diào)節(jié)。利用比例關(guān)系和電纜長度是已知的，通過他們計算計算可以得出故障距離。電纜預(yù)定位時，低壓電橋測量法常用在電纜低阻擊穿情況上，電纜電容電橋測量則一般用于開路斷線。測試過程簡單而結(jié)果比較精確是電橋法測量的主要優(yōu)點，但該方法中的測試回路需要有完好線芯，而且電源電壓不能加太高。此外，在遇到探測高阻和閃絡(luò)性故障的情況該方法無法輕易進行，因為此時故障的電纜有很大的故障電阻、很小的電橋電流。另外，如前面所述，電纜長度是已知的，但現(xiàn)實中有時候無法得知它的長度，并且由不同導(dǎo)體材料或不同截面組成的電纜線路還需要進行換算。例如，電橋法無法測量電纜三相短路故障。因此，它的適用范圍比較小。

（2）行波法。

故障點的位置可以通過測量行波在電纜線路故障點和測量端之間往返的傳播時間來確定，這就是常說的行波法。脈沖電壓法、脈沖電流法、低壓脈沖法和二次脈沖法是常見的基于行波法的離線測距方法，其故障定位原理如下。

①脈沖電壓法。

脈沖電壓法能夠測試出高阻泄漏與閃絡(luò)性故障。它的基本原理是：電纜故障點通過引入脈沖高壓或直流高壓信號進行擊穿，放電電壓脈沖將在測量端與故障點之間進行往返，通過觀察往返一次的時間可以準確地對故障進行預(yù)定位。值得注意的高阻與閃絡(luò)性故障在脈沖電壓法并不會燒穿，而是通過產(chǎn)生于故障點擊穿瞬時的脈沖信號來直接預(yù)定位，故該方法有測試過程比較簡化并且測試速度快。

②脈沖電流法。

脈沖電流法利用線性電流耦合器測量電纜故障擊穿時產(chǎn)生的電流脈沖信號，該信號將在測量端與故障端進行往返，測量往返一次所需時間即可對故障進行測距。這種方法不僅成功磁耦合了儀器與高壓回路，不考慮串聯(lián)電阻與電感帶來的影響，并且簡化了接線過程，使傳感器耦合出的脈沖電流波形更容易被辨別。

③低壓脈沖反射法。

低壓脈沖反射法注入脈沖電壓信號到故障電纜測試端，入射電壓行波和反射電壓行波會有時間差，通過測量該時間差來進行測距。簡單、直觀是使用低壓脈沖發(fā)射法進行測試的一大優(yōu)點，在現(xiàn)實工況中，電纜原始參數(shù)可能遭受了缺失，此時，脈沖反射波能夠發(fā)揮出它的長處，將電纜接頭與分支點的位置輕易識別出來。

電纜中的低阻故障和開路故障常采用低壓脈沖法進行測距。在測量電纜全長時應(yīng)用該方法可以得到比較具有良好的效果。但是，在電纜發(fā)生的是高阻或閃絡(luò)性故障時，該方法就不太適用了。因為采用低壓脈沖法測試高阻故障或閃絡(luò)性故障時需先將故障點燒穿，然后才能得到較低的故障電阻。由于故障點燒穿的具有及其繁瑣的過程并且耗費時間很長，需要配備經(jīng)驗比較豐富的操作人員。

④二次脈沖法。

二次脈沖法是指向故障電纜釋放一個低壓脈沖（不大于20～160V），使故障電纜相對于低壓脈沖是開路。當(dāng)觀察到故障點的接地電阻大于電纜波阻抗5倍時，可認為開路情況達到了。此時在脈沖釋放端能夠接收到一個反射波形，該波形相當(dāng)于一個線芯絕緣良好電纜情況下的波形。然后再向故障電纜釋放一個高壓脈沖，使線芯絕緣故障點能夠發(fā)生閃絡(luò)，為了使故障點相對于低壓脈沖是完全短路，需要同時觸發(fā)釋放第二個低壓脈沖，那么在故障點的電弧未熄滅時，可以認為在脈沖釋放端接收到一個的低壓脈沖反射波形，該波形相當(dāng)于一個線芯對地完全短路的波形。反射波形點的確定是通過兩個低壓脈沖反射波形在進行疊加時將會出現(xiàn)一個明顯的發(fā)散點來進行的。

低壓脈沖寬度可調(diào)、精度高是此方法的優(yōu)點。此外，在用該方法進行測量故障點閃絡(luò)故障時，可以避免強烈電磁干擾。不過，此方法存在著不少的不足之處，比如需要用到的儀器比較多，需要降低故障點電阻到很低值。此外，故障點擊穿時間在絕緣受潮嚴重時會變得比較長，從而導(dǎo)致了使用該方法的測試時間相應(yīng)增加。并且，由于故障點電阻需降低到很低，而能維持這個狀態(tài)的時間很難確定，所以在第二次施加低壓脈沖的有一定控制的難度，致使現(xiàn)實測試中成功率不高。

2.3 測尋故障電纜的敷設(shè)路徑

為了對直埋電纜進行精確定點，需要確定出故障電纜的敷設(shè)路徑與埋設(shè)深度。并且需要測尋電纜的敷設(shè)路徑以便繪制埋地電纜敷設(shè)路徑的圖紙。具體的測尋方法是向電纜中通入音頻信號電流，然后利用路徑接收機天線線圈接收此音頻信號。根據(jù)電纜正上方的電磁場變化規(guī)律確定電纜在地下的準確敷設(shè)位置和深度。

2.4 故障精確定點

故障定點也就是確定故障點的精確位置，目前常用聲磁同步法與音頻感應(yīng)法。

（1）聲磁同步法。

由于磁信號和閃絡(luò)聲音信號在地面的傳播速度不同，這就引起了時間差。聲磁同步法是根據(jù)兩者的最小傳播時間差來定位故障的。磁信號以接近光速進行傳播，但是閃絡(luò)聲音在接近聲速進行傳播，不論哪種情況，閃絡(luò)聲的傳播要慢一些。當(dāng)處于故障點的正上方時，時間差達到最小值。這種方法相對比單純的依靠耳機最大聲音，可靠性更加的高。由于閃絡(luò)最大聲處很難確定，尤其是在周圍環(huán)境復(fù)雜的地方，如遇到電纜本體內(nèi)閃絡(luò)、故障點附近有空腔共振或管線交叉的地方。這時放電聲在很大范圍內(nèi)都能聽見。有干擾的情形下使用這種方法存在一定的局限性?，F(xiàn)場聲磁同步信號原理圖如圖1所示，越接近故障點，聲音和磁信號的時間差就越小。

（2）音頻感應(yīng)法。

當(dāng)電網(wǎng)中的短路故障出現(xiàn)在電纜上并且電纜的接地電阻的阻值較低時，故障處的放電聲音很微小，尤其是在金屬性接地故障點處，因無放電聲而無法進行故障點定位。此時，就要用音頻感應(yīng)法來對上述無法定位故障點的情況進行故障點定位。音頻感應(yīng)法是將1kHz的音頻信號發(fā)生器發(fā)出的音頻電流信號注入待測電纜，使其發(fā)出電磁波。垂直或者水平地將接收線圈放置于地面上，并將接收線圈接收到的信號傳輸?shù)浇邮諜C進行放大。地面上的磁場主要是在兩個通有電流的導(dǎo)體間產(chǎn)生的，并且隨著電纜的扭距的變化而變化。因此，當(dāng)探測器的探頭沿著電纜向故障點移動時，會聽到聲音有規(guī)則的變化。當(dāng)探測器的探頭到達故障點上方時，聽到聲響會增強，再從故障點繼續(xù)沿著電纜向前移動，音頻信號會明顯變?nèi)跎踔潦侵袛?。所以，在聲響明顯變強或中斷的點即是故障點。

綜上所述，無論是國內(nèi)還是國外的電纜故障檢測、故障定點方法（見圖2），均無法實現(xiàn)接地金屬性故障的準確定點，因此亟需找到一種新的能夠?qū)Ω邏弘娎|金屬性接地故障快速定點的方法。

3 ?故障點電流檢測法

高壓電纜金屬性接地故障快速定點檢測思路：在出現(xiàn)接地故障的高壓電纜一側(cè)施加高壓脈沖電流，通過檢測故障點前后形成的電磁波輻射脈沖的波形形狀與幅值，利用獨創(chuàng)的定位算法，對金屬性接地故障點進行快速查找定位。具體實施步驟如下。

3.1 構(gòu)建故障快速定點檢測裝置系統(tǒng)架構(gòu)

實現(xiàn)重復(fù)脈沖法檢測裝置系統(tǒng)架構(gòu)，通過自耦變壓器、高壓變壓器及高壓整流硅堆對電容器進行充電，充電電壓約10kV左右，充好電的電容器通過間隙對故障電纜進行間隔約3～5s的脈沖放電，放電形成的電磁波會在整條電纜上對外環(huán)形輻射。

3.2 設(shè)計與優(yōu)化磁場測量傳感器參數(shù)

在出現(xiàn)接地故障的高壓電纜一側(cè)施加直流高壓脈沖電流，整條故障電纜上都會產(chǎn)生有規(guī)律的間斷電磁波輻射，對于電流所產(chǎn)生的磁場，用安培右手定則辨別通電導(dǎo)線的電流方向及其產(chǎn)生的磁場方向，從而設(shè)計磁場測量傳感器。

3.3 研究磁場信號接收與判別算法

故障點前后形成的電磁波輻射，無論是輻射波形幅度數(shù)值還是輻射波形的形狀都會發(fā)生變化，將電磁波的大小形成量化數(shù)值，利用安培右手定則，根據(jù)計算得到的電磁波方向和數(shù)值大小進行判別電纜發(fā)生故障點的前后。

另外根據(jù)有無有規(guī)律的間斷電磁波，根據(jù)計算得到的電磁波方向和數(shù)值大小可以區(qū)別好電纜和故障電纜。

研究信號接收電路的屏蔽與濾波接收電路為去除干擾雜波，采取了硬件電路和軟件算法進行特定頻率的濾波，以便精確結(jié)果判斷。

3.4 設(shè)計高速采樣系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)包括采集模塊、供電模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等。采樣率定為125Ms/s。為了完整保存采樣信號，采集模塊的數(shù)據(jù)存儲容量為32MB。

4 ?結(jié)語

電纜一旦發(fā)生故障，故障點的尋找異常艱難，當(dāng)前電纜故障越來越頻繁，這需要花費大量的人力物力，并且還可能承擔(dān)巨大的停電損失。所以，本文所提的故障點電流檢測法不僅能夠迅速查找并定位高壓電纜發(fā)生的高阻故障、閃絡(luò)故障、泄漏故障，還可準確定位金屬性接地故障，這對于整個電力系統(tǒng)的安全運行起到重要的作用。

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