高壓電力電纜故障原因分析和試驗(yàn)方法

王政

上海東捷（建設(shè)）集團(tuán)有限公司 上海 200120

引言

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在發(fā)電機(jī)﹑變壓器﹑輸電線路，以及各種二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中得到了推廣使用。其中，電力電纜作為電力系統(tǒng)中連接各類電氣設(shè)備的重要工具，保證其工況良好對(duì)維護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響?；诖耍O(shè)計(jì)一種適用于電力電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成為新時(shí)期電力運(yùn)維與管理工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。

1 電力電纜故障分析的意義

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，高壓電力電纜是指額定電壓為1000V以上的電力電纜，是在電力系統(tǒng)的主干線路中用以傳輸和分配大功率電能的電纜產(chǎn)品，其基本結(jié)構(gòu)是由線芯（導(dǎo)體）﹑絕緣層﹑屏蔽層和保護(hù)層4部分所組成，在我國(guó)電力線路中所占的比重越來(lái)越大。可以說(shuō)，高壓電力電纜運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，對(duì)于國(guó)家發(fā)展及社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步具有十分重大的影響，一旦其運(yùn)行出現(xiàn)故障，就會(huì)造成大范圍﹑大面積的停電，影響到居民的正常生活以及企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。因此，對(duì)高壓電力電纜出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行分析，是電力部門必須把握的重要問(wèn)題。只有認(rèn)真分析高壓電力電纜出現(xiàn)故障問(wèn)題的原因，才能針對(duì)性提升高壓電力電纜試驗(yàn)方法以及檢測(cè)技術(shù)的專業(yè)性[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)的城市化發(fā)展和工業(yè)化建設(shè)，在有限的區(qū)域內(nèi)，高壓電力電纜的數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致這些地區(qū)的電纜之間的絕緣狀態(tài)不斷降低，極易發(fā)生故障問(wèn)題。而通過(guò)系統(tǒng)的故障分析，并配套以科學(xué)的試驗(yàn)方法及檢測(cè)技術(shù)，才能做到對(duì)高壓電力電纜故障問(wèn)題的“防患于未然”，確保其運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。但在進(jìn)行分析和檢驗(yàn)的過(guò)程中，工作人員必須注意，由于高壓電力電纜規(guī)模較為龐大，同時(shí)構(gòu)造也比較復(fù)雜，導(dǎo)致故障問(wèn)題也相對(duì)較為復(fù)雜，因此，在檢驗(yàn)的過(guò)程中必須秉持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，嚴(yán)格按照規(guī)定的程序，運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，從而確保工作的質(zhì)量和效率。

2 電纜故障原因

2.1 運(yùn)維管理問(wèn)題

高壓電纜在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響，進(jìn)而出現(xiàn)不同程度的絕緣﹑老化現(xiàn)象，為了保證高壓電纜能正常運(yùn)行﹑確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電力企業(yè)需要選派專業(yè)的運(yùn)維管理人員對(duì)其進(jìn)行維修﹑養(yǎng)護(hù)管理工作，以此提升高壓電纜的可靠性。但部分工作人員對(duì)規(guī)范操作的意識(shí)認(rèn)知不足，在實(shí)際運(yùn)維管理過(guò)程中并沒(méi)有嚴(yán)格按照高壓電纜的運(yùn)維管理標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施操作，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)維管理工作不到位，無(wú)法及時(shí)修復(fù)或排除高壓電纜中的安全隱患，進(jìn)而便會(huì)影響到高壓電纜的運(yùn)行質(zhì)量。在實(shí)際運(yùn)維管理工作中，如若操作人員的操作行為不規(guī)范﹑沒(méi)有依照標(biāo)準(zhǔn)要求佩戴防護(hù)裝置，那么便容易出現(xiàn)設(shè)備損壞或運(yùn)維人員觸電事故，這樣一來(lái)不僅無(wú)法保證高壓電纜的運(yùn)維管理質(zhì)量，還會(huì)威脅到相關(guān)人員的生命安全。

2.2 絕緣老化

導(dǎo)線的絕緣問(wèn)題其主要表現(xiàn)為導(dǎo)線的樹(shù)枝狀老化現(xiàn)象，大致分為以下幾類[2]：①電枝條。電枝條由于內(nèi)部電場(chǎng)的變化高度，而引起部分放電形成。電枝條老化的整個(gè)階段主要包括了3個(gè)部分，第一個(gè)是誘導(dǎo)階段，第二個(gè)是成熟期，第三個(gè)是擊穿階段。在誘導(dǎo)階段中并無(wú)明顯的部分放電現(xiàn)象出現(xiàn)，而是加壓到所規(guī)定的時(shí)限內(nèi)，才發(fā)生了部分釋放的現(xiàn)象。在生長(zhǎng)時(shí)期中的部分釋放僅要求很小的交流電壓就可以保持，該時(shí)期的枝條的種類逐年增加，部分釋放的電流頻率也在逐年的增加中。②水樹(shù)枝，水枝條形成的主要原理就是由內(nèi)部的失水所造成的，而水枝條的產(chǎn)生前提一定是內(nèi)部電場(chǎng)﹑水和起點(diǎn)。因?yàn)閷?dǎo)線的制造﹑鋪設(shè)﹑安裝和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)都有機(jī)會(huì)進(jìn)行水分的侵蝕，有些水分滲入非導(dǎo)體，絕緣體在交變電場(chǎng)的持續(xù)作用下，水分持續(xù)的滲入到終極點(diǎn)內(nèi)部，從而產(chǎn)生了樹(shù)枝狀。

2.3 電網(wǎng)需求不斷增長(zhǎng)

在我國(guó)工業(yè)用電﹑生活用電的需求量不斷增加的今天，盲目提高電網(wǎng)的負(fù)載率并不是一項(xiàng)科學(xué)的舉措——在傳統(tǒng)高壓電力電纜設(shè)備的運(yùn)行壓力不斷提升的過(guò)程中，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成的損耗也是顯而易見(jiàn)的。如果電網(wǎng)規(guī)模不能及時(shí)擴(kuò)大且高壓電力電纜長(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷的狀態(tài)，電網(wǎng)傳輸電能的效率和質(zhì)量均會(huì)下降，最終會(huì)造成資源利用率降低﹑安全隱患頻繁出現(xiàn)的情況。

2.4 自然因素的影響

在高壓電纜運(yùn)行期間，時(shí)常因自然因素的影響而發(fā)生故障問(wèn)題。當(dāng)遇到強(qiáng)降雨或大風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，高壓電纜便容易出現(xiàn)線路跳閘等現(xiàn)象，降低供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。此外，部分高壓電纜安裝在山區(qū)或林園內(nèi)部，如若在惡劣環(huán)境中出現(xiàn)故障問(wèn)題，那么還容易引發(fā)火災(zāi)事故，造成嚴(yán)重的不良影響。

3 電力電纜試驗(yàn)方法

3.1 導(dǎo)體直流電阻

對(duì)直流電阻產(chǎn)生影響的因素主要涉及以下幾點(diǎn)[3]：①導(dǎo)體材質(zhì)。當(dāng)導(dǎo)體材質(zhì)不符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求，將對(duì)導(dǎo)體電阻帶來(lái)不同程度上的影響，確保導(dǎo)體材質(zhì)純度非常必要；②導(dǎo)體截面。直流電阻大小與導(dǎo)體截面積有著密切的關(guān)聯(lián)性，基于長(zhǎng)度與材質(zhì)相同條件下，導(dǎo)體截面積越大，導(dǎo)體直流電阻也會(huì)隨之增大。電纜外徑不變，當(dāng)導(dǎo)體截面積增大時(shí)，必然會(huì)使原有絕緣層厚度減小，隨著時(shí)間推移，將會(huì)直接影響高壓電力電纜的絕緣性能。通常情況下，以20℃的環(huán)境條件為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)導(dǎo)體直流電阻進(jìn)行測(cè)定，例如，測(cè)定16mm2截面直徑的電力電纜的直流電阻時(shí)，由于內(nèi)部導(dǎo)體材質(zhì)不同，其直流電阻也有著一定差異，銅制與鋁制電纜是目前比較常見(jiàn)的導(dǎo)體材質(zhì)，該測(cè)定條件下，二者直流電阻分別為1.15Ω/m（銅制）﹑1.91Ω/m（鋁制）。

3.2 脈沖檢測(cè)法

脈沖檢測(cè)法也是高壓電力電纜故障檢測(cè)常用的技術(shù)之一，在具體運(yùn)用中，主要分為兩種，分別是低壓脈沖檢測(cè)法和二次脈沖檢測(cè)法。其中低壓脈沖檢測(cè)法主要適用于開(kāi)路故障以及低阻故障的檢測(cè)。在具體運(yùn)用中，檢測(cè)人員可以針對(duì)存在故障問(wèn)題的高壓電力電纜，在其本身增設(shè)一個(gè)低壓脈沖信號(hào)，然后移動(dòng)該信號(hào)。如果在移動(dòng)的過(guò)程中信號(hào)遇到高壓電力電纜實(shí)際的故障點(diǎn)，電氣參數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大的變化，從而導(dǎo)致脈沖信號(hào)出現(xiàn)反射或折射的現(xiàn)象。而檢修人員根據(jù)專業(yè)儀器記錄的脈沖發(fā)射與接收之間的時(shí)間差，同時(shí)結(jié)合檢測(cè)的參數(shù)，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出故障發(fā)生具體位置。而二次脈沖檢測(cè)法則適用于高壓電力電纜的閃絡(luò)性故障以及部分高阻故障檢測(cè)。該檢測(cè)技術(shù)的核心是高壓發(fā)生器沖擊閃絡(luò)技術(shù)，能夠在故障點(diǎn)起弧及滅弧的一瞬間觸發(fā)原有的低壓脈沖，從而幫助檢測(cè)人員進(jìn)行故障位置的準(zhǔn)確判斷。

3.3 型式試驗(yàn)

開(kāi)展型式試驗(yàn)?zāi)康氖钦莆针娎|設(shè)計(jì)質(zhì)量，確認(rèn)電纜設(shè)計(jì)指標(biāo)是否符合高壓輸電標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)保證高壓電力電纜良好工作性能。由于該試驗(yàn)方法將對(duì)電纜造成一定破壞，要求相關(guān)人員必須嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，確保一次性完成檢測(cè)試驗(yàn)，避免對(duì)高壓電力電纜造成二次破壞。型式試驗(yàn)方法類型主要包括以下幾項(xiàng)[4]：①局部放電試驗(yàn)。與上述交流電壓試驗(yàn)方法與試驗(yàn)要求相一致，選擇短電纜進(jìn)行試驗(yàn)；②彎曲放電試驗(yàn)。對(duì)短電纜先進(jìn)行彎曲處理，再進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，電纜線芯數(shù)直接決定其彎曲程度；③加熱放電試驗(yàn)。一般情況下，在輸電過(guò)程中，高壓電力電纜將會(huì)產(chǎn)生一定熱量，若超過(guò)自身耐熱值將會(huì)影響其絕緣性能。因此，需要通過(guò)利用加熱放電試驗(yàn)掌握高壓電力電纜的局部放電量是否與規(guī)定要求相一致。各項(xiàng)型式試驗(yàn)方法的檢驗(yàn)要求及標(biāo)準(zhǔn)同上。

3.4 直閃法

這種方法一般應(yīng)用于檢測(cè)因擊穿而引發(fā)的電纜故障。需要注意，多種因素都可能導(dǎo)致電纜被擊穿。比如電纜本身存在質(zhì)量問(wèn)題﹑安裝過(guò)程存在瑕疵等導(dǎo)致電纜未能處于最佳工況等。一旦出現(xiàn)擊穿，可以理解為電纜出現(xiàn)了短路故障時(shí)，故障范圍內(nèi)電纜電路中的電阻值必然的大幅度增加。不僅如此，如果自然出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，故障電纜在極短時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速釋放較大的電流脈沖波。在這種脈沖波的作用下，電纜與故障點(diǎn)之間會(huì)出現(xiàn)一種反射效應(yīng)。針對(duì)這種情況，要求檢測(cè)人員首先圍繞電纜預(yù)設(shè)端口進(jìn)行全面測(cè)試，獲得精準(zhǔn)的電磁波信息。在此基礎(chǔ)上，檢測(cè)人員還需對(duì)波形圖中的“時(shí)間”參數(shù)進(jìn)行對(duì)照分析，對(duì)比不同時(shí)間段波形的變化情況，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)故障具體位置的確定?？傮w而言，直閃法是一種檢測(cè)效率和檢測(cè)精準(zhǔn)程度均較高的檢測(cè)方法，可在電纜故障檢測(cè)工作中廣泛應(yīng)用。而為了進(jìn)一步提高電纜故障檢測(cè)準(zhǔn)確性，檢測(cè)人員可采用多種方法進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)多種檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合考量，盡量避免出現(xiàn)疏漏。

3.5 電壓法

脈沖電壓法主要應(yīng)用于閃絡(luò)式故障和高阻故障，一般包括直閃法和沖閃法兩類。其技術(shù)原理是首先給線路接通，運(yùn)用的高電壓和低直流電壓變化之后，再檢測(cè)到所產(chǎn)生的高電流脈動(dòng)通過(guò)故障點(diǎn)和輸出點(diǎn)之間的位置，從而完成對(duì)故障點(diǎn)的測(cè)距。直閃法一般檢測(cè)的是閃絡(luò)式高阻故障；沖閃法一般檢測(cè)的是泄漏性問(wèn)題和閃絡(luò)的高阻問(wèn)題。脈沖電壓法的優(yōu)點(diǎn)是：只要有處在高壓狀態(tài)下的放電過(guò)程中，就能夠利用這個(gè)技術(shù)對(duì)故障點(diǎn)加以探測(cè)，既沒(méi)有擊穿性問(wèn)題，也不影響電纜的原始數(shù)據(jù)。弱點(diǎn)是：可靠性很弱，易竄入高壓現(xiàn)象，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度也很低。

4 電力電纜故障維護(hù)措施

4.1 嚴(yán)控施工管理

施工管理包括電纜通道的規(guī)劃設(shè)計(jì)﹑電纜及其附件的質(zhì)量﹑安裝工藝和驗(yàn)收等。在規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)主動(dòng)與政府部門溝通，力求規(guī)劃路線與城鎮(zhèn)發(fā)展相結(jié)合，電纜截面積應(yīng)滿足后期負(fù)荷增長(zhǎng)需求。安裝前應(yīng)對(duì)所有電力電纜設(shè)備進(jìn)行抽檢，確保設(shè)備無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。電纜埋設(shè)方式﹑深度﹑彎曲半徑等應(yīng)符合技術(shù)規(guī)范，對(duì)受力部位做穿管保護(hù)并加以固定，敷設(shè)后電纜外觀應(yīng)無(wú)損傷，進(jìn)出電纜管道口封堵良好。在中間接頭制作時(shí)，確保施工人員持證上崗，中間接頭制作完成后須在電纜溝或電纜井內(nèi)制作接頭固定架，防止中間接頭被拖曳和浸水。運(yùn)行單位還應(yīng)做好電纜施工中間驗(yàn)收及竣工驗(yàn)收工作，確保線路工程零缺陷移交運(yùn)行。

4.2 完善施工質(zhì)量管理

建筑施工質(zhì)量是電力工程項(xiàng)目中非常關(guān)鍵的部分，只有在建筑施工的進(jìn)程中不斷完善建筑產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，才可以使得電氣工程項(xiàng)目更加的品質(zhì)保證，所以，完善建筑施工品質(zhì)管理體系也是十分有必要的。所以對(duì)電氣工程項(xiàng)目的人員而言，就必須要嚴(yán)格遵照施工流程進(jìn)行電纜的實(shí)施和制造。在某種情形下看，由于電纜的連接在電氣工程項(xiàng)目中扮演著非常關(guān)鍵的作用，所以工程人員必須要保證電纜及其連接的密封性，同時(shí)還要嚴(yán)格遵照國(guó)家有關(guān)的施工規(guī)范進(jìn)行建造。所以為避免電纜及其連接處發(fā)生潮濕的狀況，在進(jìn)行建筑施工的進(jìn)程中必須要嚴(yán)禁將光纜和導(dǎo)線胡亂的浸入在水中，最大程度防止電纜絕緣系統(tǒng)發(fā)生損壞。

4.3 電纜保護(hù)

在電纜牽引前，就必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械防護(hù)，以降低電纜所承載的機(jī)械扭力，并利用電纜自身形狀具體地敷設(shè)路線，以避免對(duì)電纜內(nèi)部產(chǎn)生的機(jī)械破壞。同時(shí)加強(qiáng)護(hù)線保電力度，進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)電力設(shè)施防護(hù)的宣傳力度，并廣泛開(kāi)展了針對(duì)性強(qiáng)的吊機(jī)碰線﹑燃放煙花等專項(xiàng)宣傳活動(dòng)，完善電纜通道的警告標(biāo)識(shí)，有效降低了自然外力破壞事件的發(fā)生率。

5 結(jié)束語(yǔ)

高壓電力電纜是應(yīng)用于輸電工程中的關(guān)鍵電能傳輸載體，由于受到外界各方面因素干擾，致使高壓電力電纜故障高頻率發(fā)生，極大威脅了電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此，需要選擇合適的試驗(yàn)方法與檢測(cè)技術(shù)對(duì)高壓電力電纜故障及實(shí)際工作性能進(jìn)行測(cè)定，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，消除風(fēng)險(xiǎn)隱患，從而為電網(wǎng)系統(tǒng)高效率運(yùn)行以及安全傳輸電能提供基礎(chǔ)保障。