電力電纜故障定位及故障診斷方法分析

［關(guān)鍵詞］電力電纜；故障定位；故障診斷

1 電力電纜故障類型及原因

電力電纜使用過(guò)程中，易受內(nèi)、外界因素影響而發(fā)生故障，不同因素所導(dǎo)致的故障類型也有所不同，大致可分為4種，具體見(jiàn)表1。

表1中，Zc為電纜特性抗阻，Zn為電纜額定絕緣電阻，Zf為實(shí)際絕緣電阻。

（1）因電纜生產(chǎn)設(shè)計(jì)及工藝問(wèn)題而導(dǎo)致的電纜缺陷問(wèn)題，例如，纜芯缺陷、絕緣外套缺陷等，這類缺陷無(wú)法在故障檢測(cè)中準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，而是在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后逐漸凸顯，從而引發(fā)電纜故障。

（2）因惡劣天氣以及蟲(chóng)害等自然因素導(dǎo)致的電纜故障問(wèn)題，如絕緣外套損壞、纜線斷裂等。

（3）因外力或操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌碾娎|故障問(wèn)題，如電纜鋪設(shè)過(guò)程中因操作不當(dāng)導(dǎo)致的電纜損傷，輕則破壞電纜絕緣層，重則導(dǎo)致電纜斷裂。

（4）因材料老化導(dǎo)致的電纜故障問(wèn)題，隨著電纜使用時(shí)間的延長(zhǎng)，電纜絕緣層逐漸老化，絕緣性能逐漸下降，從而導(dǎo)致出現(xiàn)相間故障或接地故障。

除上述原因外，電纜使用過(guò)程中還可能受化學(xué)腐蝕、過(guò)電壓等因素發(fā)生故障，但發(fā)生率相對(duì)較小。

2 電力電纜故障定位方法

2.1 阻抗法

阻抗法是常用電纜故障定位手段之一，其原理是通過(guò)確定電纜長(zhǎng)度與阻抗值的比值對(duì)電纜故障進(jìn)行定位。通過(guò)阻抗法定位電纜故障的過(guò)程中，需借助電橋法對(duì)故障電纜位置的阻抗值進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)階段，常用的電橋法分為兩種，不同電橋法的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用場(chǎng)景也有所不同。

2.1.1 傳統(tǒng)電橋法

傳統(tǒng)電橋法是將存在故障的電纜和不存在故障的電纜的一端連接至電橋的橋臂上，兩根電纜的另一端短接，其原理如圖1所示，通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器R3讓檢流計(jì)中沒(méi)有電流通過(guò)使電橋平衡。

圖1中，R1、R2、R3、R4為電橋橋臂組織，G為檢流計(jì)，R0為非故障電纜電阻值，Rx為故障電纜電阻值。

從原理上看，傳統(tǒng)電橋法分別在電橋臂兩端連接故障電纜及非故障電纜，并將兩根電纜相接。在此情況下，通過(guò)改變變阻器的阻值，控制檢流計(jì)中的電流，從而達(dá)到電橋平衡的狀態(tài)。電橋平衡公式如下所示。

式（1）能夠計(jì)算出故障電纜電阻值Rx，再根據(jù)該值與電纜長(zhǎng)度的比值對(duì)電纜故障具體位置進(jìn)行確定。相較于伏安法，傳統(tǒng)電橋法操作更加精密、復(fù)雜，故而對(duì)于電阻的測(cè)量更加準(zhǔn)確。

2.1.2 倒置型電橋法

由式（1）能夠看出，傳統(tǒng)電橋法測(cè)量故障電纜電阻值Rx的計(jì)算方法較為復(fù)雜，并且在電纜長(zhǎng)度測(cè)量方面存在一定的操作約束。為進(jìn)一步提高測(cè)量的精準(zhǔn)性，倒置電橋法由此產(chǎn)生，其原理如圖2所示。

相較于傳統(tǒng)電橋法，倒置電橋法的連接方式更加簡(jiǎn)單，盡可能地減少了不必要的電橋臂。在此情況下，通過(guò)改變變阻器的阻值達(dá)到電橋平衡狀態(tài)，假設(shè)變阻器左側(cè)電阻為Rm，變阻器電阻為Rf，則電橋平衡公式如下所示。

傳統(tǒng)電橋法和倒置電橋法均依賴于集中參數(shù)模型來(lái)定位電纜故障的具體位置。這類方法的準(zhǔn)確性可能受限于建模的精度，從而導(dǎo)致定位誤差。此外，阻抗法的操作過(guò)程復(fù)雜，要求在故障發(fā)生時(shí)在電橋兩端連接故障與非故障電纜，并進(jìn)行短接。若故障點(diǎn)的電阻值較高，可能會(huì)因電橋電流減小而影響阻抗法的測(cè)量精度。因此，阻抗法在電纜故障定位中具有一定的局限性。

2.2 行波法

行波法利用了電磁波的傳播理論，即在電纜當(dāng)中電磁波波長(zhǎng)與電纜長(zhǎng)度存在固定比值關(guān)系的情況下，電纜則可看作電阻、電感、電導(dǎo)和電容串并聯(lián)的分布參數(shù)模型。電纜分布參數(shù)模型如圖3所示。其中，G為檢流計(jì)，L為電感，C為電容。由于電容的存在，電流及電壓的產(chǎn)生具有一定延遲性，使得電纜中行波的傳輸需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間。

當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，受影響部位的分布參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致該位置的特征阻抗發(fā)生變動(dòng)。這種變化使得電磁波在故障點(diǎn)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。具體地，故障點(diǎn)的反射系數(shù)可用于描述這一變化，這是因?yàn)殡娎|的電氣特性改變反映了其物理狀態(tài)的變化。通過(guò)分析故障點(diǎn)處電磁波的反射和透射特性，可有效地定位電纜故障位置。反射系數(shù)計(jì)算方式如下所示。

在電纜出現(xiàn)高阻故障的情況下，故障點(diǎn)的反射行波與注入行波有著相同的極性；在電纜出現(xiàn)低阻故障的情況下，故障點(diǎn)的反射行波與注入行波有著不同的極性。故而針對(duì)不同故障類型，需選擇不同測(cè)試方法。

在發(fā)生低阻故障時(shí)，可采用低壓脈沖反射法，即向電纜中輸入脈沖電壓，在脈沖經(jīng)過(guò)故障位置后，會(huì)引起阻抗變化，進(jìn)而產(chǎn)生反向脈沖。通過(guò)明確脈沖發(fā)送與反向脈沖接收時(shí)間間隔，以及脈沖的傳輸速度便能夠計(jì)算出具體的電纜故障位置。

在發(fā)生高阻故障時(shí)，可采用高壓脈沖法，即通過(guò)沖擊高壓或直流高壓擊穿電纜故障點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生閃絡(luò)放電現(xiàn)象。在電力電纜發(fā)生閃絡(luò)放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反復(fù)反射的脈沖信號(hào)。通過(guò)記錄這些電壓和電流行波信號(hào)，可測(cè)量反射脈沖信號(hào)的往返時(shí)間。隨后，結(jié)合脈沖信號(hào)在電纜中的傳播速度，可準(zhǔn)確計(jì)算出電纜故障的具體位置。這種方法利用了信號(hào)傳播的基本物理特性，從而實(shí)現(xiàn)了故障點(diǎn)的精確定位。

3 電力電纜故障診斷方法

3.1 故障類型判定

故障類型判定是電纜故障診斷的首要任務(wù)，需拆除明顯故障電纜，通過(guò)各種儀器儀表對(duì)電纜的芯線以及絕緣外套阻值情況進(jìn)行測(cè)定。本研究結(jié)合芯線故障，對(duì)電纜故障的精準(zhǔn)診斷定位方法進(jìn)行研究。

3.2 故障精準(zhǔn)診斷

根據(jù)故障電纜實(shí)際情況選擇合理的測(cè)試方法。測(cè)試方法的選擇在很大程度上決定了故障診斷的精準(zhǔn)性，需結(jié)合電纜高低壓情況進(jìn)行測(cè)試方法以及設(shè)備的選取。例如，低壓電纜的絕緣性、耐壓性相對(duì)較低，則無(wú)法采用高壓檢測(cè)方法，避免對(duì)電纜的絕緣屬性造成破壞。而如果采用紅外測(cè)溫法，則需保證線纜處于非暗敷設(shè)環(huán)境。故而電纜故障診斷過(guò)程中，為能夠在保證作業(yè)人員人身安全的同時(shí)，進(jìn)一步提高測(cè)量精準(zhǔn)性，需盡可能得選取具備良好接地及防觸電功能的設(shè)備展開(kāi)測(cè)試。

測(cè)試設(shè)備的選取也需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行確定。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，所選調(diào)壓器通常為1～2kVA的單相雙線圈調(diào)壓器，并通過(guò)低壓交流電源進(jìn)行通電，輸入電壓在30V左右。同時(shí)，還需根據(jù)電纜規(guī)格參數(shù)進(jìn)行電流表的選擇。芯線故障測(cè)試原理如圖4所示。

電纜測(cè)試方法及測(cè)試設(shè)備確定后，通過(guò)儀器儀表測(cè)試電纜芯線以及絕緣外套的電阻值，進(jìn)而確定故障電纜是否存在短路問(wèn)題，以此保證交流電源的安全性。交流電源接入后，可對(duì)電纜首端的芯線以及絕緣外套的電流值進(jìn)行測(cè)試。需要注意的是，需在電壓表讀數(shù)精準(zhǔn)的情況下進(jìn)行測(cè)試。

為了保障整個(gè)測(cè)試過(guò)程的精確度，需盡可能地控制測(cè)試工作所帶來(lái)的數(shù)據(jù)差。因此，建議在電纜線的末端位置再次測(cè)試，同步做好相應(yīng)的測(cè)試記錄。最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，定位故障點(diǎn)最近端位置，從而縮短測(cè)量長(zhǎng)度，減輕工作量。

為進(jìn)一步提高電纜故障測(cè)試的精準(zhǔn)度，需重復(fù)測(cè)試電纜末端的芯線以及絕緣外套的電流值，并記錄測(cè)量數(shù)值，將其與電纜首端測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，定位故障點(diǎn)最近端位置，從而縮短測(cè)量長(zhǎng)度，減輕工作量。

根據(jù)歐姆定律，式（5），以及電容器X電抗測(cè)量，式（6），能夠確定電流I與電纜長(zhǎng)度L之間的關(guān)系，如式（7）所示。

為了驗(yàn)證這些理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，并提高故障診斷的精確度，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)測(cè)試，并結(jié)合了試驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬和創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，能夠預(yù)測(cè)并模擬電纜在不同條件下的電氣響應(yīng)，尤其是對(duì)不同類型的故障（如短路、開(kāi)路）的影響。此外，還利用了MATLAB、Python或其他科學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)一步分析了電纜的特性，并收集了現(xiàn)有的故障數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，如決策樹(shù)、隨機(jī)森林或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，基于已知數(shù)據(jù)集對(duì)故障模式進(jìn)行了識(shí)別和預(yù)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)電力電纜故障診斷及定位水平持續(xù)攀升，但是相比其他電力設(shè)施故障問(wèn)題，電力電纜的故障多種多樣且成因復(fù)雜，在診斷和定位上存在一定困難。因此就必須采取有效的檢測(cè)方法，同時(shí)采用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器及檢測(cè)設(shè)備，由此才能更為精準(zhǔn)、迅速地定位故障點(diǎn)位置，從而為及時(shí)的故障處理爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。