電力電纜故障檢測(cè)及故障點(diǎn)定位方法探究

張仲文

摘要：由于電力電纜多敷設(shè)在地下電纜管或溝里，有效避免了自然侵蝕和人為破壞，其防腐蝕和防損傷的優(yōu)點(diǎn)尤為突出。然而對(duì)比架空線路，電力電纜的故障性質(zhì)和位置判斷比較困難，如何迅速、準(zhǔn)確地判斷故障性質(zhì)，查找故障點(diǎn)，顯得特別重要。文章對(duì)電力電纜故障類型進(jìn)行了分類，對(duì)故障檢測(cè)方法進(jìn)行了分析，并闡述了電力電纜故障點(diǎn)定位新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電力電纜；故障檢測(cè)；故障點(diǎn)定位方法；電力系統(tǒng)；故障排除 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM73 文章編號(hào)：1009-2374（2016）34-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.017

1 概述

電力電纜在實(shí)際運(yùn)行或試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)的故障多種多樣，表現(xiàn)形式也各有不同。為了快速查找和排除故障，確保電力電纜線路的安全可靠運(yùn)行，故障檢測(cè)技術(shù)人員必須具備和掌握故障發(fā)生原因的分析能力、故障類型判斷能力、故障查尋步驟和常用方法、熟練使用故障測(cè)試定位儀器的技能等。本文闡述了電力電纜故障類型、檢測(cè)步驟，并重點(diǎn)對(duì)電力電纜故障檢測(cè)及故障點(diǎn)定位方法進(jìn)行研究分析。

2 電力電纜的結(jié)構(gòu)

電力電纜按其內(nèi)芯的數(shù)量劃分，可分為單芯電纜和三芯電纜兩種。不論是單芯電纜還是三芯電纜，電力電纜按其導(dǎo)線截面劃分，又可分為各種截面的型號(hào)規(guī)格。但是，不論是單芯還是三芯電纜，也不論是哪種截面型號(hào)規(guī)格的電纜，其基本結(jié)構(gòu)都是一樣的，即都是由導(dǎo)體、絕緣層和保護(hù)層組成。其中：導(dǎo)體在電纜最中央，起電流電能傳導(dǎo)的作用；絕緣層在導(dǎo)體和外保護(hù)層之間，起絕緣作用；保護(hù)層在最外層，起保護(hù)電纜承受一定的拉力的作用。目前應(yīng)用最廣泛的是由銅導(dǎo)體、交聯(lián)聚乙烯絕緣和高密度聚乙烯材料構(gòu)成的電纜。在電力系統(tǒng)中，高壓部分，如110kV、220kV、500kV電纜常采用單芯電纜；中低壓部分，如10kV和低壓電纜線路采用三芯電纜。

3 電力電纜的故障類型及診斷

電纜在運(yùn)行或預(yù)試過程中，常常會(huì)出現(xiàn)電纜的絕緣層或保護(hù)套出現(xiàn)損壞或故障的情況，從而會(huì)導(dǎo)致線路停電，甚至危害到整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，那么造成電纜故障的原因有哪些呢？通常，導(dǎo)致電力電纜發(fā)生故障的原因較多，有機(jī)械損傷、絕緣受潮、絕緣老化嚴(yán)重、原材料缺陷和制作工藝缺陷、雷擊或其他沖擊過電壓而損壞等。其中，機(jī)械損傷占到電纜故障的八成以上。根據(jù)電纜故障發(fā)生部位的不同，電力電纜故障主要發(fā)生在電纜本體、電纜中間接頭故障和電纜終端頭故障。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中大部分電纜故障發(fā)生在中間接頭或終端頭上。根據(jù)故障發(fā)生時(shí)間不同，分為運(yùn)行故障、試驗(yàn)故障兩種，從電纜故障的性質(zhì)來看，電力電纜故障分為低阻故障、斷路故障、高阻泄露和閃絡(luò)故障。其中斷線故障是由于電流過大所致，主絕緣故障則由故障電阻和擊穿間隙所引發(fā)，一般情況下主絕緣故障又可分為低阻、高阻及閃絡(luò)故障。低阻故障和高阻故障的區(qū)分界線是取電纜自身阻抗的10倍，但是在實(shí)際的檢測(cè)中往往不會(huì)要求特別嚴(yán)格。閃絡(luò)故障最為重要的特點(diǎn)是電纜故障點(diǎn)的電阻值非常大，可以給故障電纜施加極大電壓，故障部位才會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)擊穿問題，以預(yù)防性試驗(yàn)出現(xiàn)此種故障居多。

4 電力電纜故障的檢測(cè)步驟

當(dāng)電力電纜發(fā)生故障后，有一套完整、適用的步驟能使檢測(cè)人員在比較短的時(shí)間里找到故障點(diǎn)。電纜故障點(diǎn)測(cè)尋步驟大致可以分為：（1）確定電纜的故障性質(zhì)，即使用絕緣電阻表分別測(cè)量線芯對(duì)地絕緣電阻和相間絕緣電阻或在電纜遠(yuǎn)端將三相短路，在近端用萬用表測(cè)量相間導(dǎo)體電阻判斷故障的性質(zhì)是確定是接地、短路、斷線，還是它們的混合；是單相、兩相，還是三相故障；是高阻、低阻，還是閃絡(luò)性故障；（2）對(duì)故障電纜進(jìn)行粗略的檢測(cè)定位，方法是在電纜的一端使用儀器確定電纜故障點(diǎn)距離。常用方法有電橋法、波反射法；（3）找尋故障電纜的敷設(shè)路徑，粗略檢測(cè)到故障點(diǎn)后，我們就要探測(cè)電力電纜的路徑，找出故障電纜的敷設(shè)路徑和埋設(shè)深度，其常用的儀器是管線路徑儀；（4）對(duì)故障電纜進(jìn)行精確的定位，檢測(cè)技術(shù)人員根據(jù)電纜故障預(yù)定位的結(jié)果，在電纜故障點(diǎn)附近，通過儀器和設(shè)備對(duì)電纜故障點(diǎn)的位置進(jìn)行精確定位。基本方法是跨步電壓法和聲測(cè)定點(diǎn)法。

5 電力電纜故障點(diǎn)定位方法

由于電力電纜故障類型的千差萬別，電纜故障點(diǎn)所處的特殊環(huán)境對(duì)電纜故障的判斷和測(cè)試也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。而電力電纜的敷設(shè)特點(diǎn)決定一般無法直觀確定障礙點(diǎn)，因此必須借助相關(guān)儀器進(jìn)行判斷和測(cè)試。本人結(jié)合實(shí)際工作，將比較常見的檢測(cè)方法歸納如下：

5.1 電橋法

這種方法適用于短路故障、低阻故障、外護(hù)套故障。電橋檢測(cè)法是采用雙臂電橋檢測(cè)出電力電纜芯線的電阻值，準(zhǔn)確測(cè)量電力電纜的實(shí)際長(zhǎng)度，根據(jù)電力電纜長(zhǎng)度和電阻值之間的正比例關(guān)系，計(jì)算出電力電纜的故障點(diǎn)位置。

該公式是電橋法故障距離計(jì)算公式。值得注意的是，采用電橋檢測(cè)法應(yīng)確保檢測(cè)的精確度，電橋的連接線應(yīng)盡量短，接線直徑要盡量大，與電力電纜的芯線連接需采用壓接方式或焊接方式，整個(gè)計(jì)算過程的小數(shù)點(diǎn)需全部保留，不得進(jìn)位。惠斯通電橋的基本原理是利用故障點(diǎn)兩側(cè)的電纜線芯電阻與比例電阻構(gòu)成Whitestone/Murray電橋，是傳統(tǒng)、經(jīng)典的定位方法。另外，電橋檢測(cè)法檢測(cè)電力電纜故障除了雙臂電橋外還應(yīng)與兆歐表或萬用表配合使用，從而為快速檢測(cè)電力電纜故障點(diǎn)提供保障。

5.2 低壓脈沖法

低壓脈沖法一般適用于低阻短路或接地性故障、斷線性故障，它的工作原理是通過發(fā)射低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點(diǎn)，如短路點(diǎn)、故障點(diǎn)，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測(cè)試點(diǎn)儀器被記錄下來。根據(jù)波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差乘以脈沖的傳播速度，就可計(jì)算出電纜的故障距離。

lx=v/2*tx

式中：v為波速度；tx為脈沖往返時(shí)間；lx為電纜長(zhǎng)度；v/2為波速的一半。

用測(cè)試儀記錄波來回反射一次的時(shí)間，根據(jù)上述公式，可以求出故障距離。應(yīng)注意一點(diǎn)，脈沖波在介質(zhì)中傳播的速度和介質(zhì)的材料有關(guān)，因此在測(cè)試時(shí)要選擇相應(yīng)的介質(zhì)材料波速度，測(cè)量結(jié)果的誤差就會(huì)比較準(zhǔn)確。

5.3 沖擊高壓閃絡(luò)測(cè)試法

沖擊高壓閃絡(luò)測(cè)試法也是我們常說的“沖閃法”。用于大部分閃絡(luò)故障，斷路和低阻、短路性故障。電力電纜發(fā)生故障七成以上為高阻故障，尤其是預(yù)防性試驗(yàn)中出現(xiàn)擊穿故障有九成為高阻故障。沖擊高壓閃絡(luò)檢測(cè)法適用于各種類型的高阻故障檢測(cè)，它具有試驗(yàn)過程簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確和快捷等特點(diǎn)。

采用沖擊高壓閃絡(luò)檢測(cè)法進(jìn)行故障檢測(cè)分為兩類，包括電感沖閃法和電阻沖閃法。二者最大的不同在于球形間隙相互串聯(lián)的電感線圈L可換為電阻。兩種方法的工作原理相近，但前者應(yīng)用更為寬泛，高阻電力電纜故障查測(cè)多使用本方法。下面介紹電感沖閃法的工作原理：系統(tǒng)接通電源，電流經(jīng)過調(diào)壓器、變壓器整流器對(duì)電容器充電，如充電電壓升至一定值后，球間隙波擊穿，電容器的電壓通過球間隙短路電弧和小電感直接加設(shè)到電力電纜測(cè)量端。此沖擊電壓波沿著電力電纜方向朝故障點(diǎn)進(jìn)行傳播，電壓峰值足夠大，故障點(diǎn)因電離放電，故障點(diǎn)放電產(chǎn)生短路電弧同時(shí)沿著電力電纜發(fā)送電壓波并反射。判斷沖擊高壓閃絡(luò)測(cè)試法的關(guān)鍵是判斷故障點(diǎn)是否擊穿放電方法如下：（1）故障點(diǎn)擊穿時(shí)，球形間隙放電聲清脆響亮，火花較大；（2）故障點(diǎn)擊穿時(shí)，電流表指針擺動(dòng)范圍大。可以檢測(cè)波形第一個(gè)上突跳拐點(diǎn)與下一個(gè)下突跳點(diǎn)的時(shí)間間距，可利用計(jì)算故障點(diǎn)距離測(cè)試端的距離。

5.4 跨步電壓法

跨步電壓法對(duì)于單相接地故障或兩相、三相短路并接地故障，外護(hù)套故障適用。需用儀器：電纜護(hù)層故障定位電源，跨步電壓指示器。其工作原理是在故障相與地之間，加上負(fù)極性的直流電源，從故障點(diǎn)流入土壤的電流在土壤表面形成漏斗狀電位分布，通過探棒尋找土壤中的電勢(shì)最低點(diǎn)。當(dāng)儀表的指針偏向右側(cè)，則向右測(cè)尋找，偏向左方，則向左方尋找，逐漸縮小故障的距離位置，直到指針位于正中間。跨步電壓法的操作步驟如下，首先在目標(biāo)電纜加脈沖電源升壓3～5kV，然后把跨步電壓指示器，通過專用連線與探棒相連，把功能鍵旋至跨步和最大靈敏度，探棒相隔2m左右，在初測(cè)故障點(diǎn)附近，插入土壤，選擇合適靈敏度，觀察指針指向，若電壓為+，指針往+方向有規(guī)律擺動(dòng)，說明故障點(diǎn)在紅棒方向，向紅棒方向移動(dòng)一間隔，若電壓仍為+，說明故障點(diǎn)仍在紅棒方向，繼續(xù)移動(dòng)紅棒，直到電壓為-，指針往-方向擺動(dòng)，調(diào)節(jié)紅棒，使跨步電壓為0，兩棒中心為故障點(diǎn)位置。

5.5 聲測(cè)定點(diǎn)法

聲測(cè)法，顧名思義是按照故障電力電纜的釋放電聲查找故障，聲測(cè)定點(diǎn)法適合電纜主絕緣故障的精確定點(diǎn)。利用故障點(diǎn)在高壓沖擊時(shí)的擊穿放電聲音進(jìn)行精確的定位。其工作原理首先需要一個(gè)能使故障點(diǎn)產(chǎn)生規(guī)則放電的裝置，利用該裝置使故障點(diǎn)放電，然后才可以在初測(cè)的距離附近，沿電纜線路，用拾音器來接收故障點(diǎn)的放電聲波，如果已經(jīng)聽到有規(guī)律的啪啪聲，故障點(diǎn)就在此附件，此時(shí)沿電纜走向，前后移動(dòng)定點(diǎn)儀，最后集中于最響點(diǎn)，以此來確定故障點(diǎn)精確位置。明敷電纜可根據(jù)聽覺直接查找，而暗敷電纜則首先需求表明電力電纜的走向，在電聲最小時(shí)借助助聽器或聽診器放大電聲的辦法進(jìn)行查找。在查找過程中，拾音器可貼近地面，沿著電力電纜的走向緩慢移動(dòng)，如聽到電聲達(dá)到最大則判定該位置為故障點(diǎn)。應(yīng)用本方法僅需注意安全問題，試驗(yàn)設(shè)備端和電力電纜末端需由專人監(jiān)視試驗(yàn)過程。

6 電力電纜故障點(diǎn)定位新技術(shù)

6.1 高頻感應(yīng)定位法

通過利用高頻信號(hào)波發(fā)生裝置向電力電纜輸入高頻電流，由此產(chǎn)生高頻電磁波，并由地上探頭沿著電力電纜的路徑接收電力電纜周邊的高頻電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)的變化經(jīng)接收和處理直接顯示于液晶屏幕上，按照顯示數(shù)值的大小判定故障點(diǎn)位置。高頻感應(yīng)定位法和傳統(tǒng)音頻感應(yīng)定位法更具優(yōu)勢(shì)，高頻信號(hào)源比音頻信號(hào)源更易實(shí)現(xiàn)且制造簡(jiǎn)單，也可減少定點(diǎn)探測(cè)設(shè)備的體積和重量，為小型化、便攜式設(shè)備創(chuàng)造更為有利的條件。另外，高頻信號(hào)的頻譜抗干擾能力更強(qiáng)，直接顯示于液晶屏幕的方式要比依靠人耳辨別更為可靠和直接，采用高頻感應(yīng)定位法也可在不停的情況下以耦合式接線方式來完成在線故障探測(cè)。

6.2 紅外熱象技術(shù)

電力電纜過載，芯線的溫度急劇攀升，由此可以對(duì)電力電纜的芯線溫度變化作為判定故障位置的依據(jù)。采用紅外熱象儀掃描電力電纜表面，拍攝表面溫度場(chǎng)的分布圖像，進(jìn)一步處理得到溫度場(chǎng)的數(shù)值分布，然后可根據(jù)已建立的傳熱數(shù)學(xué)模型、電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)、環(huán)境溫度和表面溫度對(duì)電力電纜芯線的溫度進(jìn)行反演計(jì)算，從而可以實(shí)現(xiàn)電力電纜芯線溫度的非接觸故障探測(cè)。正是紅外技術(shù)不需接觸設(shè)備，不要求設(shè)備停運(yùn)，且具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)速度快、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在未來的電纜故障檢測(cè)中，紅外熱像技術(shù)必將發(fā)揮更大的作用。

7 結(jié)語

我國(guó)電力電纜故障測(cè)試技術(shù)水平在近些年中得到了很大的提高，對(duì)于不同特點(diǎn)的故障應(yīng)采用相應(yīng)有效的檢測(cè)方法。電力電纜故障點(diǎn)定位應(yīng)借助先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器和檢測(cè)設(shè)備，準(zhǔn)確、快速地確定電力電纜故障點(diǎn)的位置，為及時(shí)處理故障贏得寶貴時(shí)間。本文通過介紹我國(guó)電力電纜的故障類型及診斷，并重點(diǎn)就電力電纜故障的檢測(cè)和電力電纜故障點(diǎn)定位新技術(shù)進(jìn)行探討分析，旨在促進(jìn)交流和學(xué)習(xí)，通過理論研究為我國(guó)電力事業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐丙垠，李勝祥，陳宗軍.電力電纜故障探測(cè)技術(shù)

[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊體.一起10kV電纜單相接地故障的檢測(cè)分析[J].大眾用電，2011，（4）.

[3] 鹿洪剛，覃劍，陳祥訓(xùn)，劉兵.電力電纜故障測(cè)距綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，（20）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）