電力電纜故障與診斷分析

摘要：電力電纜是電力系統中的重要組成部分，對于電力系統的安全、穩定可靠運行，具有舉足輕重的意義。本文主要介紹了電力電纜常見的故障，對故障原因進行分析，并采取相應的措施。

關鍵詞：電力電纜；故障；診斷

一、電力電纜常見故障

（1）接地故障：電纜一芯主絕緣對地擊穿故障。

（2）短路故障：電纜兩芯或三芯短路。

（3）斷線故障：電纜一芯或數芯被故障電流燒斷或受機械外力拉斷，造成導體完全斷開。

（4）閃絡性故障：這類故障大多數在預防性試驗中發生，并多出現在電纜中間接頭或終端頭。當所加電壓達到某一數值時擊穿，電壓低至某一值時絕緣又恢復。

（5）混合性故障：同時具有上述接地、短路、斷線中兩種以上性質的故障稱為混合性故障。

二、故障原因分析

1.過熱過負荷和接頭發熱導致絕緣損壞長期滿負荷或經常超負荷運行的電纜會出現絕緣老化和明顯的鉛包鼓脹、裂紋與漏油等缺陷，以致發展為鼓脹。但由于接頭的導體連接工藝或材料不合格造成連接點接觸不良，散熱條件差，即使輸送容量未達到額定數值，仍會發熱以致發生故障。

2.密封不良導致電纜附件絕緣損壞電纜終端頭和接頭盒密封性能差，引起受潮，因為戶外終端常年經受大氣、溫度和干、濕等氣候條件的影響，對密封性非常敏感。一旦水分進入電纜頭，逐漸使絕緣受潮，導致絕緣擊穿，甚至爆炸。

3.腐蝕引起受潮導致電纜絕緣損壞

被腐蝕的電纜鉛包通常會有淡黃色或粉紅色粒狀腐蝕物，有腐蝕物的地方就是鉛包穿孔和受潮的通道。在腐蝕孔處，水分侵入鉛包內使電纜受潮，絕緣油分解、結晶，使絕緣性能下降。在電壓、溫度和電場作用下，形成相間或對地擊穿現象。

4.機械損傷電纜絕緣

造成電纜的機械損傷主要有以下幾種原因：

（1）安裝時損傷：在安裝時不小心碰傷電纜，機械牽引力過大而拉傷電纜，或電纜過度彎曲，超出其彎曲半徑而造成電纜蠕動損傷電纜。

（2）直接受外力損壞：在安裝后電纜路徑上或電纜附近進行城建施工，使電纜受到直接的外力損傷。

（3）行駛車輛的震動或沖擊性負荷會造成地下電纜的鉛（鋁）包裂損。

（4）因自然現象造成的損傷：如中間接頭或終端頭內絕緣膠膨脹而脹裂外殼或電纜護套，因電纜自然行程使裝在管口或支架上的電纜外皮擦傷、土地沉降引起過大拉力，拉斷中間接頭或導體。

5.絕緣老化

常見的老化機理如下：

（1）局部放電。在電壓的作用下，絕緣結構內部的邊緣發生非貫穿性放電現象。局部放電能夠存在于電樹枝、孔隙、裂紋、雜質界面上。這種放電以僅造成導體間的絕緣局部短接而不形成導電通道為限。每一次局部放電對絕緣介質都會有一些影響，當局部放電超過一定程度時應將設備退出運行，進行檢修或更換。

（2）電樹老化。電樹枝是一種出現在電纜中的電裂紋現象，它是在聚合物的局部區域內，由于雜質、氣泡等缺陷造成局部電場集中所導致的局部擊穿，并形成樹枝狀放電破壞通道。

（3）化學樹老化。化工廠的電纜，特別是敷設在含有硫化物、堿、有機酸等廢液及地下水中的電纜，或者直埋在含有硫化物環境中的電纜，當硫化物通過電纜的護套與絕緣層侵入，與導體發生化學反應生成結晶物質析出，形成化學樹枝化，甚至破壞絕緣造成事故。

（4）熱老化。熱老化是負荷電流變化及短路電流引起的熱伸縮、材料氧化、熱分解等化學變化以及硬度變化、龜裂等物理變化引起的老化和絕緣材料性能降低。

6.過電壓導致絕緣擊穿過電壓分外部過電壓和內部過電壓兩大類。外部過電壓，又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷云對地面放電而引起，會破壞電纜絕緣，引起短路接地故障。內部過電壓是電力系統內部運行方式發生改變而引起的過電壓。這類故障由于纜芯之間或纜芯對外皮間的絕緣破壞而形成短路、接地、閃絡擊穿等現象。

三、電纜故障診斷

電纜發生故障后，除電纜終端頭爆炸、外力破壞等故障可以直接觀察到故障點外，一般無法通過巡視發現，必須使用電纜故障測試設備進行測量，從而確定電纜故障的位置，由于電纜故障類型很多，巡測方法也隨故障性質的不同而異。因此在故障尋測工作開始前，須準確確定電纜故障性質。按照故障性質，可將運行中的電纜故障分為接地故障、短路故障、斷線故障、閃絡故障及混合型故障。運行中的電纜故障性質比較復雜，除發生接地或短路故障外，還有斷線故障。因此在尋測前，還應進行電纜導體連續性的檢查，以確定是否發生斷線。確定電纜故障的性質，一般用搖表和萬用表進行測量并做好記錄。

（1）首先在任意一端用搖表測量A-地、B-地、C-地的絕緣電阻值，測量時另外兩相不接地，以判斷是否為接地故障。

（2）測量各相間A-B、B-C、C-A的絕緣電阻，判斷有無相見短路故障。

（3）如果用搖表測得電阻為零時，則應用萬用表測出各相對地的絕緣電阻和各相間的絕緣電阻值，以區分低阻、高阻故障。

（4）如用搖表測得電阻很高，無法確定故障相時應對電纜進行耐壓試驗，判斷電纜是否存在故障。

（5）因電纜故障有發生斷線的可能，所以還應進行導體連續性是否完好的檢查。其檢查方法是在一端將A、B、C三相短接（不接地），在另一端用萬用表的低阻檔測量各相間電阻值是否為零，檢查是否完全通路。

例如，某10kV電纜在運行中發生故障，判斷其故障性質，首先按照上述步驟測量電纜兩端相對地及相間絕緣電阻，結果如圖1，并列入表1中。

（a）""""""" （b）

圖1" 相對地及相間絕緣電阻（MΩ）

表1" 電纜絕緣電阻測量記錄

根據表1數據不能說明故障性質，需進行導體連續性檢查，如圖2所示。在電纜一端將三相電纜短接，在另一端用萬用表測量相間電阻值，數據列入表2。

（a）" （b）

圖2" 導體連續性檢查

表2" 導體連續性檢查測量表

綜合上述測試結果，可得：A相正常；B相斷開，乙端有一低電阻接地故障；C相有一高阻接地故障，但導體完整。有了準確的電纜故障性質判定結論，便可以選擇合適的儀器，確定尋測方式查找故障點位置。

四、電纜故障點巡測

1.電纜故障初測

根據儀器和設備的測試原理，電纜故障初測大致分為電橋法和行波法兩類。本文僅對目前常用的行波法進行介紹。行波法可分為低壓脈沖法和閃絡法兩種。

（1）低壓脈沖法。

圖3" 低壓脈沖法反射原理

對于均勻無損的理想長線，設長度為L，當從一端加電壓或電流波，那么電波便以均勻速度v向另一端傳播，經Δt時間后到達另一端，則有：

L=vΔt"""""""""" （1）

均勻長線中的每一點波阻抗是相等的。在長線中，若某一點的波阻抗發生變化，電波傳播到該點就發生折反射現象。用儀器測量電纜故障時，將脈沖在T1時刻加到電纜故障相一端，此脈沖便以速度v向電纜故障點傳播，經Δt時間后到達故障點，并產生反射脈沖，又以相同的速度v經Δt時間后在T2時刻返回測量端，假設故障點到測量端的距離為L，則有：

（2）

對于交聯聚乙烯電纜v≈172m/μs，因此，只要記錄T1和T2時刻就可以測出測量端到故障點的距離，T1、T2的記錄由儀器自動完成。

（2）閃絡法。對于高阻故障，由于故障點電阻較大，反射系數幾近于零，用低壓脈沖法測量時，故障點的發射脈沖很小或不存在，此時宜采取閃絡法進行測量。在電纜的一端加上直流高壓，當電壓達到某一值時，電纜被擊穿而形成短路電弧，使故障點電壓瞬間突變到零，產生一個與所加直流負高壓極性相反的正突跳電壓波在故障點與測量點之間來回反射。常用的閃絡法有直流高壓閃絡測量法和沖擊高壓閃絡測量法。

1）直流高壓閃絡測量法（直閃法）。由于受到高壓電源輸出功率的限制，直閃法只能測量閃絡性高阻故障。

2）沖擊高壓閃絡測量法（沖閃法）。沖閃法接線圖如圖4當電源接通后，首先由直流高壓給貯能電容C充電，當電容電壓達到一定幅值，球隙G被擊穿放電，高壓瞬間加到電纜故障相，并傳向故障點，繼而故障點閃絡放電，在測量點與故障點之間產生反射波。沖閃法主要用于測量泄露性高阻故障，也可測量閃絡性高阻故障。

圖4"" 沖閃法接測量線圖

2.電纜故障精確定點

目前常用的方法有沖擊放電聲測法（聲測法）、聲磁信號同步接收定點法、跨步電壓法及主要用于低阻故障定點的音頻感應法。我單位常用方法為聲測法。

聲測法是利用直流高壓試驗設備向電容器充電、儲能。當電壓到達某一值，球間隙擊穿，高壓試驗設備和電容器上的能量經球間隙向電纜故障點放電，產生機械振動聲波，配合拾音器（或“聽棒”）沿初測確定的范圍加以辨認。聲測試驗的接線圖，按故障類型不同有所差別，如圖5所示。

（a）短路（接地）故障

（b）斷線不接地故障

（c）閃絡故障

圖5" 聲測試驗接線圖

跨步電壓法是目前工程實踐中應用最廣和精度最準的定位方法，其原理如圖6。

圖6nbsp; 跨步電壓法原理圖

1）利用跨步電壓法測尋特殊電纜主絕緣故障

在特殊的情況下，利用跨步電壓法也可對電纜主絕緣故障進行精確定位。

對于 110kV 高壓電纜單相接地故障，特別是金屬性接地故障，只要電纜裸露在外面，都可以用跨步電壓法測尋故障點。如圖7所示。

圖7"" 跨步電壓法測量電纜主絕緣故障

測尋的方法是：在故障相與金屬護套之間，接上可調的直流電源。該電源能使故障點流過一定的電流。然后，在粗測所得的故障點位置附近，選相互間約距 500mm 的兩點，輕輕撬破一小塊鋼帶（只要露出一點鉛皮即可），擦凈露出的兩小點鉛皮上的瀝清。上述工作完畢后，接通直流電源，直流電流由故障芯線流到故障點，再由故障點經電纜鉛皮與大地同時向電纜兩個終端流去。即流經鉛皮的電流從故障點處分開，向兩個相反方向流出（見圖7中，I 和 I’）。此時，將檢流計測試端兩表筆接好，牢記“+”、“–”表筆的極性。然后，用表筆測出鉛皮的電位，并使檢流計的指針向正（負）向偏轉。此后，只要正負表筆不調換，測鉛皮跨步電位時，若兩表筆均在故障點之前，檢流計的指針始終向正（負）向偏轉；若兩表筆均在故障點之后，檢流計的指針則向負（正）向偏轉；若故障點在兩表筆之間，則檢流計的指針應在零位。據此，便可測出故障點的位置。

五、結論

綜上所述，電力電纜中容易出現的故障類型及原因有充分的了解，并制定好有序的故障處理步驟，以便在故障發生后及時、準確地找到故障位置，并開展電力搶修工作，從而保障電力系統的安全運行。