基于故障點(diǎn)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(jìn)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(dú)創(chuàng)的故障點(diǎn)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(diǎn)檢測方法，這對于及時(shí)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(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0103-04

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(hù)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(jìn)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(shí)，其絕緣性相對地?fù)p壞，此時(shí)低壓脈沖法是一種比較好的測量方法。出現(xiàn)低阻故障時(shí)，絕緣電阻將會變小到特定阻抗值，低于10Z0（Z0為電纜波阻抗，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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)際運(yùn)行中也會發(fā)生故障。例如強(qiáng)大的外力損壞，設(shè)計(jì)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(hù)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(shí)很難準(zhǔn)確尋找到它的故障點(diǎn)。因此，如何以較低的經(jīng)濟(jì)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(rèn)、故障預(yù)定位、測尋故障電纜的敷設(shè)路徑、故障精確定點(diǎn)四個步驟。

2.1 故障性質(zhì)確認(rèn)

當(dāng)故障出現(xiàn)在電力電纜上時(shí)，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(shí)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(diǎn)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，還是斷線故障;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(jìn)行初步判斷。如果故障的性質(zhì)還無法通過上述判斷完全確定下來，此時(shí)就必須對絕緣電阻進(jìn)行測量和“導(dǎo)通試驗(yàn)”。故障點(diǎn)的擊穿電壓有時(shí)難以弄清時(shí)而確定故障的性質(zhì)時(shí)，可以采取進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)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(diǎn)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。

2.2.1 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(diǎn)方程進(jìn)而進(jìn)行故障點(diǎn)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到電橋兩臂上，為了使電橋達(dá)到平衡，需要通過兩臂上的一個可調(diào)電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用比例關(guān)系和電纜長度是已知的，通過它們計(jì)算可以得出故障距離。電纜預(yù)定位時(shí)，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(diǎn)，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(jìn)行，因?yàn)榇藭r(shí)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(shí)中有時(shí)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(jìn)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。

2.2.2 行波法

故障點(diǎn)的位置可以通過測量行波在電纜線路故障點(diǎn)和測量端之間往返的傳播時(shí)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(diǎn)通過引入脈沖高壓或直流高壓信號進(jìn)行擊穿，放電電壓脈沖將在測量端與故障點(diǎn)之間進(jìn)行往返，通過觀察往返一次的時(shí)間可以準(zhǔn)確地對故障進(jìn)行預(yù)定位。值得注意的是高阻與閃絡(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(diǎn)擊穿瞬時(shí)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(shí)產(chǎn)生的電流脈沖信號，該信號將在測量端與故障端進(jìn)行往返，測量往返一次所需時(shí)間即可對故障進(jìn)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(shí)間差，通過測量該時(shí)間差來進(jìn)行測距。簡單、直觀是使用低壓脈沖發(fā)射法進(jìn)行測試的一大優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)工況中，電纜原始參數(shù)可能遭受了缺失，此時(shí)，脈沖反射波能夠發(fā)揮出它的長處，將電纜接頭與分支點(diǎn)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(jìn)行測距。在測量電纜全長時(shí)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(shí)，該方法就不太適用了。因?yàn)椴捎玫蛪好}沖法測試高阻故障或閃絡(luò)性故障時(shí)需先將故障點(diǎn)燒穿，然后才能得到較低的故障電阻。由于故障點(diǎn)燒穿的具有及其繁瑣的過程并且耗費(fèi)時(shí)間很長，需要配備經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)的接地電阻大于電纜波阻抗5倍時(shí)，可認(rèn)為開路情況達(dá)到了。此時(shí)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(diǎn)能夠發(fā)生閃絡(luò)，為了使故障點(diǎn)相對于低壓脈沖是完全短路，需要同時(shí)觸發(fā)釋放第二個低壓脈沖，那么在故障點(diǎn)的電弧未熄滅時(shí)，可以認(rèn)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(diǎn)的確定是通過兩個低壓脈沖反射波形在進(jìn)行疊加時(shí)將會出現(xiàn)一個明顯的發(fā)散點(diǎn)來進(jìn)行的。

低壓脈沖寬度可調(diào)、精度高是此方法的優(yōu)點(diǎn)。此外，在用該方法進(jìn)行測量故障點(diǎn)閃絡(luò)故障時(shí)，可以避免強(qiáng)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(diǎn)電阻到很低值。此外，故障點(diǎn)擊穿時(shí)間在絕緣受潮嚴(yán)重時(shí)會變得比較長，從而導(dǎo)致使用該方法的測試時(shí)間相應(yīng)增加。并且，由于故障點(diǎn)電阻需降低到很低，而能維持這個狀態(tài)的時(shí)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(shí)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(jìn)行精確定點(diǎn)，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(jī)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(zhǔn)確敷設(shè)位置和深度。

2.4 故障精確定點(diǎn)

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

2.4.1 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(shí)間差。聲磁同步法是根據(jù)兩者的最小傳播時(shí)間差來定位故障的。磁信號以接近光速進(jìn)行傳播，但是閃絡(luò)聲音在接近聲速進(jìn)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(diǎn)的正上方時(shí)，時(shí)間差達(dá)到最小值。這種方法相對比單純的依靠耳機(jī)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(diǎn)附近有空腔共振或管線交叉的地方。這時(shí)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(diǎn)，聲音和磁信號的時(shí)間差就越小。

2.4.2 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(shí)，故障處的放電聲音很微小，尤其是在金屬性接地故障點(diǎn)處，因無放電聲而無法進(jìn)行故障點(diǎn)定位。此時(shí)，就要用音頻感應(yīng)法來對上述無法定位故障點(diǎn)的情況進(jìn)行故障點(diǎn)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(jī)進(jìn)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(diǎn)移動時(shí)，會聽到聲音有規(guī)則的變化。當(dāng)探測器的探頭到達(dá)故障點(diǎn)上方時(shí)，聽到聲響會增強(qiáng)，再從故障點(diǎn)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(qiáng)或中斷的點(diǎn)即是故障點(diǎn)。

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(diǎn)方法，均無法實(shí)現(xiàn)接地金屬性故障的準(zhǔn)確定點(diǎn)，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(diǎn)的方法。

3 ?故障點(diǎn)電流檢測法

高壓電纜金屬性接地故障快速定點(diǎn)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(diǎn)前后形成的電磁波輻射脈沖的波形形狀與幅值，利用獨(dú)創(chuàng)的定位算法，對金屬性接地故障點(diǎn)進(jìn)行快速查找定位。具體實(shí)施步驟如下：

（1）構(gòu)建故障快速定點(diǎn)檢測裝置系統(tǒng)架構(gòu)。

實(shí)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(jìn)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(jìn)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。

（2）設(shè)計(jì)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(jì)磁場測量傳感器。

（3）研究磁場信號接收與判別算法。

故障點(diǎn)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(jì)算得到的電磁波方向和數(shù)值大小進(jìn)行判別電纜發(fā)生故障點(diǎn)的前后。

另外根據(jù)有無有規(guī)律的間斷電磁波，根據(jù)計(jì)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。

（4）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(jìn)行特定頻率的濾波，以便精確結(jié)果判斷。

（5）設(shè)計(jì)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(diǎn)的尋找異常艱難，當(dāng)前電纜故障越來越頻繁，這需要花費(fèi)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(diǎn)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(zhǔn)確定位金屬性接地故障，這對于整個電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要的作用。

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