電力電纜故障定位方法研究

北方工業(yè)大學(xué) 張浩然 中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院 金 辰

1 電纜常見故障分析

外力造成的電纜損傷。電力電纜損壞往往是在外力作用下形成的，如運輸過程中電纜相互擠壓導(dǎo)致變形；電纜敷設(shè)過程中由于操作不符合規(guī)范導(dǎo)致被尖角、鐵釘、臺階凸起等尖銳物劃傷或由于過度彎曲而損傷電纜；電纜敷設(shè)后電纜路徑上進行土建施工過程中造成電纜損傷。自然現(xiàn)象也會造成電纜受到外力損傷，如土地沉降使電纜受到過大拉力，造成中間接頭斷裂；土地中酸堿物質(zhì)對電纜外護套的過度腐蝕也會引起電纜外護套出現(xiàn)麻點、穿孔或開裂，造成電纜損傷。

傳輸電壓超負荷造成的電纜損傷。電力電纜自身所運用的材料有著相應(yīng)的絕緣等級，如出現(xiàn)了很大的過電壓如對地短路、雷擊等事故，電纜絕緣層就可能出現(xiàn)被燒壞擊穿的問題；電纜制造中的工藝和設(shè)計問題。電力電纜在設(shè)計制造中，鉛(鋁)護層容易留下破口等缺陷。絕緣包裹過程中，紙絕緣也容易出現(xiàn)破損、褶皺和間隙重疊等缺陷。電纜的附件制造中會出現(xiàn)鑄鐵件砂眼，瓷件機械強度不夠和組裝密封性不嚴等缺陷。電纜中間接頭和終端的制造過程中會出現(xiàn)防水和電場分布的設(shè)計缺陷或制造工藝問題，容易導(dǎo)致后期運行中發(fā)生故障。

絕緣老化與受潮。電纜絕緣老化的一個重要原因是電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部存在氣隙，氣隙在絕緣介質(zhì)電離時會產(chǎn)生臭氧、硝酸等化學(xué)生成物，腐蝕絕緣、加速絕緣老化。電纜絕緣異常老化另一主因是過熱，電纜運行溫度每提升八度，電纜故障率會增加一倍。絕緣受潮也是電纜故障的一大誘因，造成電纜受潮的主要原因有：中間接頭盒或終端終端接頭結(jié)構(gòu)不密封或安裝不良而導(dǎo)致進水，電纜敷設(shè)時金屬護套被外物刺傷或運行中被腐蝕穿孔、水從小孔或裂縫浸入電纜導(dǎo)致受潮。

2 電力電纜故障查找方法

發(fā)生故障的電纜定位前應(yīng)先判斷電纜故障類型，踏看故障電纜全程，全面掌握電纜資料并詳細記錄，如電纜品種、長度的敷設(shè)狀況路徑，電纜的接頭數(shù)量和位置、運行時間故障歷史記錄、周圍的施工狀況等，盡可能畫出方位圖并拍照記。再根據(jù)儀器和設(shè)備的測試原理采取相應(yīng)的定位方法。

2.1 電力電纜基本結(jié)構(gòu)

電力電纜的基本結(jié)構(gòu)由線芯、絕緣層、屏蔽層和保護層四部分組成，如圖1所示。線芯是電力電纜輸送電能的導(dǎo)體部分。絕緣層是線芯與外部的電氣隔離。屏蔽層的作用是屏蔽電磁場。電纜運行中屏蔽層會形成感應(yīng)電壓，電壓大小與電纜長度成正比，長距離電纜上的感應(yīng)電壓可達到危及人身安全的程度，所以電纜運行中屏蔽層需要接地。35kV以上高壓單芯電纜通常采用一端接地的方式，長距離線路可采用中點接地和交叉互聯(lián)方式。35kV及以下電壓等級三芯電纜多采用兩端接地方式，電纜運行中流過三個線芯的電流總和為零，在屏蔽層外基本沒有磁鏈，屏蔽層兩端基本沒有感應(yīng)電壓。保護層的作用是避免電力電纜免受外界雜質(zhì)和水分的侵入，防止外力損壞電力電纜。

圖1 電力電纜基本結(jié)構(gòu)圖

2.2 電纜故障粗定位

目前電纜粗定位的方法主要有波反射法、高壓電橋法和電壓降法。波反射法利用脈沖波的傳播及反射時間來計算距離，對于擊穿、斷線類故障均可使用，但其波特性差，在交叉互聯(lián)結(jié)構(gòu)中傳播較為困難，且對于穩(wěn)定性高阻故障難以定位；高壓電橋法利用電纜導(dǎo)體或金屬屏蔽電阻均勻的特點，通過電橋原理得到故障點的位置比例，靈敏度高、使用原理簡單，可直接定位高阻故障，但無法定位斷線故障，需借用輔助電纜，單芯電纜也可能因干擾無法定位；電壓降法利用電纜導(dǎo)體或金屬屏蔽電阻勻、甚至可知的特點，測量通過故障段電流引起的電壓降，進而計算故障位置比例或長度，該方法特別適合于高壓長電纜的故障定位，但由于定位時電流較大，可能會燒穿外屏蔽或護套，造成更大面積的絕緣損傷。

利用Murray電橋?qū)舸c定位是經(jīng)典的辦法，方便而準(zhǔn)確。電橋法的依據(jù)是線芯（或屏蔽層）電阻均勻，與長度成比例（圖2）。鋼帶鎧裝三芯電力電纜，長度為L、B相線芯對鋼帶在L1處擊穿。借助于A相作為輔助線，使用低阻值連線短路N、Y兩端。L1段電纜線芯電阻為R1，L2段電纜及A相電纜線芯的電阻為R2。與定位電橋構(gòu)成Murray電橋回路（圖3）。

圖2 電橋法接線示意圖

圖3 電橋法電路原理圖

圖4 跨步電壓法的接線及電位分布示意圖

根據(jù)原理圖，當(dāng)電橋平衡后可得式1、式2，其中L1+L2=L，P為電橋刻度盤度數(shù)。根據(jù)式（2）可得故障點位置L1=2×L×P，由此可見，只要電橋有一定的靈敏度并能平衡，電橋法定位簡單而精確。

2.3 電纜故障精定位

精確定點的原理，是利用脈沖放電設(shè)備（俗稱電錘）在故障電纜端部施加高壓脈沖，傳導(dǎo)至故障點形成放電，用定點儀在預(yù)計故障點位置測量聲音和磁場的分布、磁場和聲波的時間差。對于高阻故障、閃絡(luò)型故障、低阻故障、斷線故障和混合故障，一般在現(xiàn)場采用高壓脈沖聲磁同步法進行精定位。通過合理調(diào)節(jié)脈沖輸出和聲波增益，聽聲音最大位置為故障點附近，再通過測試聲磁時間差確定數(shù)值最小位置為故障點。

對于電纜故障點處護層保護破損的開放性故障一般采用跨步電壓法，圖4中故障點處是裸露對大地的，當(dāng)把A’和B’兩點的接地線解開后，從A端對電纜打壓，那么在故障點的大地上就會出現(xiàn)喇叭型電壓分布，用高靈敏度的電壓表在大地表面測兩點間的電壓，在故障點附近就會產(chǎn)生電壓變化。在電壓表插到地表上的探針前后位置不變的情況下，在故障點前后表針的搖動方向是不同的，根據(jù)電壓表針的擺動方向得出故障點所在位置的方向。

3 典型案例

華北區(qū)域某熱電廠在2號機停電檢修時，對GIS至變壓器間三相電纜進行絕緣電阻測試，試驗結(jié)果顯示C相電纜外護套絕緣電阻值為0.03MΩ/km，低于DL/T1253-2013《電力電纜線路運行規(guī)程》中關(guān)于絕緣電阻值的相關(guān)要求，初步懷疑外護套絕緣受損。技術(shù)人員前往現(xiàn)場進行故障分析。

首先通過復(fù)測絕緣電阻值，排除電纜因受潮或儀器接觸不良產(chǎn)生的干擾，確認故障點依然存在；接著使用儀器對外護套進行直流耐壓測試，確認外護套絕緣約為700V左右且泄漏電流較大，判斷為低阻故障；之后使用儀器對故障進行定位，利用電橋法初步定位故障點位于GIS側(cè)620米左右。通過實地勘探大致確定為C相電纜中間接頭處，在其附近利用跨步電壓法進行精定位，確定故障點為電纜接頭防爆房中；最終在C相電纜中間接頭的表面上方，發(fā)現(xiàn)由于電纜分支上的緊固螺絲對主電纜產(chǎn)生了擠壓，造成了主電纜鎧裝及護套的破損，由此產(chǎn)生了絕緣的缺陷。通過對螺絲及電纜表層分別纏繞絕緣膠布和絕緣護套等措施，重新對電纜進行絕緣電阻測試，試驗結(jié)果合格，確認缺陷已經(jīng)消除。

綜上，在實際現(xiàn)場試驗的過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境以及電纜敷設(shè)狀態(tài)的干擾，可能會對電纜故障的查找增加難度，因此試驗人員在了解試驗原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)充分聯(lián)系現(xiàn)場實際情況來提高查找效率，降低電纜故障帶來的損失。