電力電纜的故障診斷與檢測(cè)技術(shù)

郭素娜，宣 峰，呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000）

電力電纜的故障診斷與檢測(cè)技術(shù)

郭素娜，宣 峰，呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000）

電力電纜是用于傳輸和分配電能。常用于城市地下電網(wǎng)、發(fā)電站的引出線路、工礦企業(yè)的內(nèi)部供電及過江、過海的水下輸電線。在電力線路中，電纜所占的比重正逐漸增加。本文分析了電力電纜的故障診斷與檢測(cè)技術(shù)，包括電力電纜的用途和分類、電纜故障產(chǎn)生的原因、電力電纜故障的測(cè)尋方法及步驟、電纜故障的分類及處理方法等。

電力電纜；故障診斷；檢測(cè)；絕緣；老化；測(cè)尋

1 電力電纜的用途結(jié)構(gòu)及分類

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，全國(guó)各大中型工礦企業(yè)以及城市電網(wǎng)改造等對(duì)電力電纜的需求日益增長(zhǎng)，電力電纜得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1 電力電纜的用途及其優(yōu)點(diǎn)

電力電纜主要是用于傳輸和分配發(fā)電廠發(fā)出的電能，并兼作為各種電氣設(shè)備的連接之用。在城區(qū)配電線路中，采用電力電纜輸送電能比架空線路具有一定的優(yōu)越性，它占地面積小，供電可靠，不受外界影響，對(duì)人身比較安全，運(yùn)行簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，且電纜電容比架空線大，有利于提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。尤其是城鎮(zhèn)居民密集的地方或在一些特殊場(chǎng)所，出于安全方面的考慮以及受地面位置的限制，不允許架設(shè)桿塔和導(dǎo)線時(shí)，就需要用電力電纜來解決。

1.2 電力電纜的分類

根據(jù)電壓等級(jí)、線芯截面積、導(dǎo)線芯數(shù)、絕緣材料的不同，電力電纜可作以下幾類：

（1）按電壓等級(jí)分類。低電壓電力電纜（1 kV），一般用于220／380 V；中電壓電力電纜（3～35 kV），一般用于6 000 V、10 000 V、35 000 V；高電壓電纜（60～330 kV），一般用于110 000 V、220 000 V；超高壓電纜（500 kV）正在試生產(chǎn)階段。

電力電纜一般是按一定電壓等級(jí)制造的，電壓等級(jí)依次為0.5 kV、1 kV、3 kV、6 kV、10 kV、20 kV、35 kV、60 kV、110 kV、220 kV、330 kV。其中1 kV電壓等級(jí)電力電纜使用最多。3～35 kV電壓等級(jí)的電力電纜在大中型建筑內(nèi)主要供電線路中常有采用。60～330 kV電壓等級(jí)的電力電纜使用在不宜采用架空導(dǎo)線的送電線路以及過江、海底敷設(shè)等場(chǎng)合。按電壓粗分可分為低壓電纜（小于1 kV）和高壓電纜（大于1 kV）。從施工技術(shù)要求、電纜接頭、電纜終端頭結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)行維護(hù)等方面考慮，也分為低電壓電力電纜、中電壓電力電纜（1～10 kV）、高電壓電力電纜。

（2）按電纜導(dǎo)線芯截面積分類。我國(guó)電力電纜標(biāo)稱截面積系列共有二十幾種。電力電纜的導(dǎo)電芯線是按照一定等級(jí)的標(biāo)稱截面積制造的，便于制造和設(shè)計(jì)與施工選型。我國(guó)電力電纜的標(biāo)稱截面積系列為2.5 mm2、4 mm2、6 mm2、10 mm2、16 mm2、25 mm2、35mm2、50mm2、70mm2、95mm2、120 mm2、150 mm2、185 mm2、240 mm2、300 mm2、400 mm2、500 mm2、600 mm2，共19種。高壓充油電纜標(biāo)稱截面積系列規(guī)格為100 mm2、240 mm2、400 mm2、600 mm2、700 mm2、845 mm2共6種。多芯電纜都是以其中截面最大的相線為準(zhǔn)。

（3）電力電纜導(dǎo)電芯線有1～5芯5種。單芯電纜用于傳送單相交流電、直流電及特殊場(chǎng)合電纜線路（高壓電機(jī)引出線）。60 kV及其以上電壓等級(jí)的充油、充氣高壓電纜多為單芯。二芯電纜多用于傳送單相交流電或直流電。三芯電纜用于三相交流電網(wǎng)中，廣泛用于35 kV以下的電纜線路。四芯電纜用于低壓配電線路、中性點(diǎn)接地的TT方式和TN－C方式供電系統(tǒng)。五芯電纜用于低壓配電線路、中性點(diǎn)接地的TN－S方式供電系統(tǒng)。二芯和四芯都是低壓1 kV以下的電纜。

（4）按絕緣材料分類。油浸紙絕緣、塑料絕緣、橡膠絕緣、阻燃聚氯乙烯絕緣、充氣電纜、充油電纜等。其中塑料絕緣電纜又分為：聚氯乙烯絕緣、聚乙烯絕緣、交聯(lián)聚乙烯絕緣。

（5）按傳輸電能形式分為交流電纜和直流電纜。

（6）按結(jié)構(gòu)特征分有統(tǒng)包型、分相型、鋼管型、扁平型、自容型電纜等。

（7）按敷設(shè)環(huán)境分有直埋、排管、隧道、架空、水底過河、大高落差電纜等。

2 電力電纜故障產(chǎn)生的原因

2.1 絕緣老化變質(zhì)

（1）電場(chǎng)作用。電纜絕緣介質(zhì)長(zhǎng)期處在電場(chǎng)作用下，而且內(nèi)部總有氣隙存在，絕緣內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生游離，導(dǎo)致絕緣性能大大下降。

（2）晶化作用。絕緣和保護(hù)層受外力和內(nèi)應(yīng)力的作用會(huì)造成損傷，其主要表現(xiàn)為由于振動(dòng)晶化疲勞和沖擊性電動(dòng)力的危害，導(dǎo)致鉛（鋁）包層龜裂進(jìn)而受潮，造成絕緣降低。

（3）電纜絕緣層因腐蝕性老化而出現(xiàn)麻點(diǎn)、開裂或穿孔。

（4）水分和化學(xué)作用。當(dāng)絕緣介質(zhì)中發(fā)生電離時(shí)，氣隙中會(huì)產(chǎn)生臭氧、硝酸等化學(xué)生成物，腐蝕絕緣層。絕緣中存在的水分使絕緣纖維產(chǎn)生的水解導(dǎo)致絕緣性能下降。

2.2 過 熱

造成電纜過熱的因素有多方面的，既有內(nèi)因，又有外因。內(nèi)因主要是電纜絕緣內(nèi)部氣隙游離造成的局部過熱，從而使絕緣炭化。外因是電纜過載產(chǎn)生過熱。安裝于電纜密集地區(qū)、電線溝及電纜隧道等通風(fēng)不良處的電纜、穿在干燥管的電纜以及電纜與熱力管接近的部分等，都會(huì)因本身過熱而使絕緣加速損壞。

過熱會(huì)引起絕緣層老化變質(zhì)。電纜內(nèi)部氣隙產(chǎn)生電游離造成局部過熱，使絕緣層炭化。電纜過負(fù)荷是電纜過熱很重要的因素。

2.3 機(jī)械損傷

機(jī)械損傷引起的電力電纜故障占電纜故障事故很大比例。一些機(jī)械損傷很輕微，當(dāng)時(shí)并沒有造成故障，但在幾個(gè)月甚至幾年后損傷部位才發(fā)展成為故障。

這類損傷主要包括下面幾個(gè)方面。

（1）直接受外力作用造成的破壞。這方面的損壞主要有事故和交通運(yùn)輸所造成的破壞。例如，挖土、超重、搬運(yùn)等都可能誤傷電纜，使電纜受到直接的外力損傷。行駛車輛的振動(dòng)或沖擊性負(fù)荷造成電纜鉛（鋁）包帶裂損，還會(huì)造成穿越公路或鐵路以及靠近公路或鐵路并與之平行敷設(shè)的點(diǎn)擊的鉛（鋁）包帶的破損。

（2）敷設(shè)過程造成損壞。這方面的損壞主要是電纜因受拉力過大或彎曲過度而導(dǎo)致絕緣保護(hù)層的損壞。

（3）自然力造成損壞。因電纜自然變形使裝在管口或支架上的電纜外皮擦傷；因土地沉降引起拉力過大，拉斷中間接頭或?qū)w；終端頭受自然拉力和內(nèi)部絕緣膨脹的作用所造成的電纜護(hù)套的裂損；因電纜自然熱脹冷縮和土壤下沉所形成的過大拉力拉斷中間接頭，或?qū)w以及終端頭瓷套因受力而破損等。

（4）安裝時(shí)損傷。在安裝時(shí)不小心碰傷電纜，機(jī)械牽引力過大而拉傷電纜，或電纜過度彎曲而損傷電纜。

2.4 護(hù)層的腐蝕

因受土壤內(nèi)酸性、雜散電流的影響，埋地電纜的鉛（鋁）包帶將受到腐蝕而損壞。

由于電解和化學(xué)作用使電纜鉛包腐蝕，因腐蝕性質(zhì)和程度的不同，鉛包上有紅色、黃色、橙色和淡黃色的化合物或類似海綿細(xì)孔。

2.5 絕緣受潮

電纜絕緣受潮后會(huì)引起故障。因接頭盒或終端盒結(jié)構(gòu)密封不良或安裝不良而導(dǎo)致進(jìn)水。電纜制造不良，金屬護(hù)套有小孔或裂縫。金屬護(hù)套因被外傷刺傷或腐蝕穿孔。

中間接頭或終端頭因結(jié)構(gòu)不密封或安裝質(zhì)量不好而造成絕緣受潮。制造電纜包鉛（鋁）留下砂眼和裂紋等缺陷，也會(huì)使絕緣受潮。

2.6 過電壓

過電壓主要是指大氣過電壓和內(nèi)部電壓。大氣過電壓和內(nèi)部過電壓使電纜絕緣所承受的電應(yīng)力超過允許值而造成擊穿。對(duì)實(shí)際故障進(jìn)行分析表明，許多戶外終端頭的故障是由于大氣過電壓引起的。電纜本身的缺陷也會(huì)導(dǎo)致在大氣過電壓的情況下發(fā)生故障。

2.7 材料缺陷

材料缺陷主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。一是電纜制造的問題，這部分的問題主要有包鉛（鋁）留下的缺陷及在包纏絕緣過程中，紙絕緣上出現(xiàn)皺紋、裂損、破口和重疊間隙等缺陷；二是電纜附件制造上的缺陷，如鑄鐵件有砂眼、瓷件的機(jī)械強(qiáng)度不夠、其他零件不符合規(guī)格或組裝時(shí)不密封等；三是對(duì)絕緣材料的維護(hù)管理不善，造成制作電纜中間頭和終端頭的絕緣材料受潮、臟污和老化，影響中間頭和終端頭的質(zhì)量。

2.8 設(shè)計(jì)和制造的工藝問題

中間觸頭和終端頭的防水設(shè)計(jì)不周密、選用的材料不當(dāng)、電場(chǎng)的分布考慮不得當(dāng)、工藝要求不嚴(yán)密、機(jī)械強(qiáng)度的裕度不夠等是設(shè)計(jì)的主要弊病。中間觸頭和終端頭的制作如果不按工藝規(guī)程的要求進(jìn)行，會(huì)使電纜頭的故障增多。例如封鉛不嚴(yán)、導(dǎo)線連接不牢、芯線彎曲過度、使用的絕緣材料有潮氣、絕緣劑未灌滿造成盒內(nèi)有空氣隙等。

2.9 電纜外皮的電腐蝕

如果電力電纜埋設(shè)在附近有強(qiáng)有力地下電場(chǎng)的地面下，往往出現(xiàn)電纜外皮鉛（鋁）護(hù)套腐蝕致穿的現(xiàn)象，導(dǎo)致潮氣侵入，絕緣破壞。

2.10 化學(xué)腐蝕

電纜路徑在有酸堿作業(yè)的地區(qū)通過，或煤氣站的苯蒸汽往往造成電纜鎧裝和鉛（鋁）護(hù)套大面積長(zhǎng)距離被腐蝕。

2.11 電纜的絕緣物流失

油浸紙絕緣電纜敷設(shè)時(shí)地溝凹凸不平，或處在電桿上的戶外頭，由于起伏、高低落差大，高處的絕緣油流向低處而使低處電纜絕緣性能下降，導(dǎo)致故障發(fā)生。

3 電力電纜故障的測(cè)尋方法及步驟

3.1 電力電纜故障性質(zhì)的確定

電力電纜發(fā)生故障以后，必須首先確定故障的性質(zhì)，然后才能確定用什么方法去進(jìn)行故障的粗測(cè)。否則，盲目進(jìn)行測(cè)尋，不但測(cè)不出故障點(diǎn)，而且還會(huì)拖延探測(cè)故障的時(shí)間，甚至?xí)驒z測(cè)方法不當(dāng)而損壞測(cè)試儀器。

確定故障的性質(zhì)：故障電阻是高阻還是低阻；是閃絡(luò)還是封閉性故障；是接地、短路斷線，還是它們的混合；是單相、兩相還是三相故障。

可以根據(jù)故障發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象初步判斷故障的性質(zhì)。例如，運(yùn)行中的電纜發(fā)生故障時(shí)，若只是給了接地信號(hào)，則有可能是單相接地故障。繼電保護(hù)過電流繼電器動(dòng)作，出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，則此時(shí)可能發(fā)生電纜兩相或三相短路或接地故障，或者是發(fā)生了短路與接地混合故障。發(fā)生這些故障時(shí)，短路或接地電流燒斷電纜將形成斷線故障。但通過上述判斷不能完全將故障的性質(zhì)確定下來，還必須測(cè)量絕緣電阻和進(jìn)行“導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)”，有時(shí)為了弄清楚故障點(diǎn)的擊穿電壓，還要進(jìn)行直流耐壓測(cè)量試驗(yàn)。

測(cè)量絕緣電阻時(shí)，使用兆歐表來測(cè)量電纜線芯對(duì)地的絕緣電阻，進(jìn)行“導(dǎo)通試驗(yàn)”時(shí)，將電纜的末端三相短接，用萬用表在電纜的首端測(cè)量芯線之間的電阻。

3.2 電力電纜故障測(cè)尋的步驟

故障測(cè)尋第二步為故障燒穿，即通過燒穿將高阻故障或閃絡(luò)性故障變?yōu)榈妥韫收希员氵M(jìn)行粗測(cè)。

故障測(cè)尋法第三步為粗測(cè)，就是測(cè)出故障點(diǎn)到電纜任意一塔的距離。粗測(cè)方法有多種，一般可歸納為兩大類。第一類是經(jīng)典法，如電橋法等；第二類是現(xiàn)代法，如脈沖法等。現(xiàn)代法與經(jīng)典法相比，具有不一定必須依賴準(zhǔn)確的電纜資料，而且具有測(cè)尋簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。所以能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的要求。

故障測(cè)尋第四步為測(cè)尋故障電纜的敷設(shè)路徑。對(duì)于埋地電纜及時(shí)找出故障電纜的腐蝕路徑和埋設(shè)深度，以便進(jìn)行精測(cè)（定點(diǎn)）。當(dāng)然，為了繪制埋地電纜敷設(shè)路徑的圖樣，有時(shí)也要測(cè)尋電纜的敷設(shè)路徑。測(cè)尋方法是向電纜中通入音頻信號(hào)電流，然后利用接受線圈通過接收機(jī)接收此音頻信號(hào)。

故障測(cè)尋的第五步為故障點(diǎn)的定點(diǎn)（精測(cè)），也就是確定故障點(diǎn)的精確位置。通常，采用聲測(cè)、感應(yīng)、測(cè)接地電位等方法進(jìn)行定點(diǎn)。

上述五個(gè)步驟是一般的測(cè)尋步驟。實(shí)際測(cè)尋時(shí)，可根據(jù)具體情況省略一些步驟。例如，電纜敷設(shè)路徑的圖樣準(zhǔn)確時(shí)可不必再測(cè)敷設(shè)路徑。對(duì)于高阻故障，可不經(jīng)燒穿而直接用閃絡(luò)法進(jìn)行粗測(cè)。對(duì)于一些閃絡(luò)性故障，不需要進(jìn)行定點(diǎn)，可根據(jù)粗測(cè)得到的距離數(shù)據(jù)查閱資料，直接挖出測(cè)點(diǎn)處的中間觸頭，然后再通過細(xì)聽而確定故障點(diǎn)。對(duì)于電纜溝或隧道內(nèi)的電纜故障，可進(jìn)行沖擊放電，不需要使用儀器（用定點(diǎn)儀等）而直接用耳聽來確定故障點(diǎn)。

4 電纜故障的分類

電纜的故障性質(zhì)，可按試驗(yàn)結(jié)果分類。

（1）低阻接地或短路故障。電纜一芯或數(shù)芯對(duì)地絕緣電阻或芯對(duì)芯之間的絕緣電阻小于100 kΩ，而導(dǎo)體連續(xù)性良好。一般常見的有單相接地，兩相或三相短路或接地。

（2）高阻接地或短路故障。電纜一芯或數(shù)芯對(duì)地絕緣電阻或芯對(duì)芯之間的絕緣電阻小于正常值很多但高于100 kΩ，導(dǎo)體連續(xù)性良好。一般常見的有單相接地，兩相或三相短路或接地。

（3）斷線故障。電纜各芯線絕緣良好，但電纜有一芯或數(shù)芯被故障電流燒斷或外力破壞，形成完全或不完全斷線（導(dǎo)體不連續(xù)）。

（4）斷線并接地故障。電纜有一芯或數(shù)芯導(dǎo)體不連續(xù)，經(jīng)接（高或低）電阻接地或者短路。

（5）閃絡(luò)性故障。這類故障大多數(shù)在預(yù)防性耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生，并且多出現(xiàn)于電纜中間接頭或終端頭內(nèi)。發(fā)生這類故障時(shí)，故障現(xiàn)象不一定相同。有時(shí)在接近所要求的試驗(yàn)電壓升高至某一數(shù)值時(shí)擊穿，電壓降至某一數(shù)值時(shí)絕緣又恢復(fù)，有時(shí)會(huì)連續(xù)擊穿，但頻率不穩(wěn)定，間隔時(shí)間數(shù)秒至數(shù)分鐘不等。

有時(shí)電纜在一定電壓下發(fā)生擊穿，待絕緣恢復(fù)后擊穿現(xiàn)象便完全停止，通常稱這類故障為封閉性故障。

上述故障中，高阻和低阻之分并非絕對(duì)固定，它主要決定于試驗(yàn)設(shè)備的條件（如試驗(yàn)電壓的高低、驗(yàn)流計(jì)的靈敏度和電橋的結(jié)構(gòu)等）和被試電纜導(dǎo)體電阻的大小。目前使用的電纜探傷儀試驗(yàn)電壓可達(dá)600 V。當(dāng)導(dǎo)體回路電阻在1 Ω以上時(shí)，容許的故障電阻值可達(dá)100 kΩ。很明顯，試驗(yàn)電壓愈低或電纜導(dǎo)體回路電阻愈小，則容許的故障電阻愈低。需測(cè)量高電阻故障時(shí)，必須增加試驗(yàn)電壓或提高驗(yàn)流計(jì)的靈敏度。一般認(rèn)為故障電阻在100 kΩ以下為低阻故障。

5 電纜故障的處理

查找電纜故障部分，一般是用搖表測(cè)量絕緣電阻和做直流耐壓試驗(yàn)并測(cè)量泄漏電流，來測(cè)試電纜芯對(duì)地或電纜芯間絕緣狀況，以發(fā)現(xiàn)電纜故障。然后用故障探測(cè)儀找出故障點(diǎn)，切除故障部分。

切除電纜故障部分后，必須進(jìn)行電纜絕緣的潮氣試驗(yàn)和絕緣電阻試驗(yàn)。

電纜故障修復(fù)后，必須核對(duì)相位，并做耐壓試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)合格后，方可恢復(fù)運(yùn)行。

無論電纜是在運(yùn)行中或試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的故障，其故障部位切除后應(yīng)妥善保存，以便進(jìn)行分析，采取反事故對(duì)策。

修理電纜線路故障，必須填寫故障測(cè)試記錄。

［1］楊斌，章立軍，郭云，等編著.電氣設(shè)備診斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012（4）.

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1003－9805（2015）01－0078－03

2014－01－16

郭素娜（1981－），女，河南南陽人，碩士研究生，從事智能控制教學(xué)工作。