高壓電力電纜故障分析及相關技術

王沐雪，王紫葉，陳語柔，楊博俊

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

我國城市化建設逐漸推進，架空輸電線路具有的占地面積過大、存在安全隱患等問題推進了電力電纜的應用。作為傳輸和分配電能的設備，電力電纜具有占地少、可靠性高、電能質量和利用率高、維護工作量小以及發展前景好等優勢[1]。

電力電纜的應用日益普遍，由電力電纜引起的運行故障也隨之而來，并逐漸頻繁。因此，有必要對電力電纜進行故障剖析，并找到合適的應對措施[2-3]。電力電纜地下埋設這一特殊性質，給故障的發現與檢修帶來了許多不便，使其耗時長且需要投入較大的人力物力。在這種情況下，尋求便捷可靠的故障診斷、故障粗測以及精測定點的技術方法極為重要。因此，本文從電力電纜常見故障及其成因入手，簡述電力電纜故障分析各階段的技術手段，以期為科研人員提供一定的參考和幫助。

1 電力電纜故障常見類型

1.1 低阻故障

低阻故障是指電纜因為絕緣材料受損導致絕緣電阻Rf過小的一類故障[4]。此故障下，絕緣電阻可由低壓脈沖法測量，一般滿足Rf＜10Z0（其中Z0為電纜的波阻抗，常取10～40 Ω）。一般在低壓動力電纜和控制電纜上容易出現低阻故障，而短路故障是一種特殊的低阻故障。

1.2 開路故障

開路故障是指電纜由于金屬部分連續性被破壞而形成斷線的故障[4]。此故障下，絕緣電阻Rf一般為無窮大，滿足規定要求，但負載能力差，不能將工作電壓傳輸到終端。同時，故障點的絕緣也會受到不同程度的損害。斷線故障是一種典型的開路故障。

1.3 高阻故障

高阻故障和低阻故障相同，也是由于電纜相間或相對地絕緣受損導致的。但是，此故障下，絕緣電阻Rf較大，超過了10Z0，不能通過低壓脈沖法測量。高阻故障常出現在高壓動力電纜上，占其總故障的80%以上。它分為泄露性高阻故障和閃絡性高阻故障兩大類。

2 電力電纜故障形成原因

本文將日常生活中較常見的電纜故障成因分為4類[5-6]：（1）電纜自身質量不佳；（2）電纜施工不當；（3）電纜運行環境存在問題；（4）外力引起的機械損傷。

2.1 電纜自身質量不佳

由于技術成熟，我國常用的中低壓電纜一般不存在設計和工藝問題。自身質量問題，是導致高壓電力電纜故障的主要原因。由于市場競爭激烈，商家為降低成本，可能并沒有按照規范的標準來設計制造電力電纜，或者輕視了制造材料的選擇，可能導致最終的產品存在偏心、氣隙、雜質或損傷等諸多問題。例如，由于未將絕緣部分包裹好引起的絕緣受損，電纜設計中零件未按技術要求制造導致泄露問題，電纜附屬設備由于粗制濫造使得其金屬表面不光滑。這些先天不足的電纜一旦投入使用，極有可能造成嚴重的電力事故，威脅人們的生命安全。

2.2 電纜施工不當

在電纜鋪設過程中，由于施工未按照規范嚴格進行，導致在接近電纜處施工時容易出現電纜表面破損的情況，大大降低了高壓電力電纜的絕緣性。受損電纜投入運行后由于所處環境潮濕，很可能出現內部進水的情況，導致絕緣因受潮進一步劣化，縮短了電纜的使用壽命，嚴重時可造成電力系統崩潰，不利于人們的生產生活。

2.3 電纜運行環境存在問題

為了應對不斷增加的用電需求，電纜往往長時間處于超負荷狀態。此外，電纜路徑與熱力管道可能出現交叉，會使得電纜運行環境溫度較高。暴露在空氣中的電纜長期處于高溫環境下，會導致電纜過熱、加快電纜老化使得電纜絕緣性大幅下降，易引起擊穿事故。如果電纜鋪設路段具有強腐蝕性，電纜表面的保護層會進一步受到侵蝕，出現電纜斷裂而導致短路事故的概率增加，存在極大的安全隱患。

2.4 外力引起的機械損傷

在電力電纜安裝、運輸過程中，可能會使電纜因外力而出現機械損傷，由此引起的事故超過了電纜總事故的50%。外力引起的電纜機械損傷一般可分為如下3類：（1）在機械開挖與人工打樁環節，不經核對便隨意作業，導致電纜受損；（2）電纜由于安裝固定不牢，發生拉扯、摩擦而導致故障發生，多出現在移動設備上；（3）由于重物碾壓地面引起的電纜錯位變形等故障，一般突出表現在直埋電纜上。

3 電力電纜故障分析

電力電纜故障分析主要包括以下3個步驟：（1）故障診斷，即檢測故障是否存在，辨別正常和故障的電纜芯線，同時確定故障類型；（2）故障測距，即初步確定故障發生的距離，為下一步精確定點提供需要的準確信息；（3）精測定點，在故障測距的基礎上，實現故障點精準定位，以便及時開展檢修。本文主要探討故障測距和精測定點的技術方法。

3.1 故障測距

3.1.1 離線測距方法

（1）阻抗法。阻抗法是指在選取測量端后，通過測量、計算測量端到故障點的阻抗，根據線路參數列出故障點方程并對其進行求解，最終得到故障距離[4]。阻抗法一般建立線路的集中參數模型，所以原理較為簡單且容易使用。阻抗法的實現一般通過經典電橋法，較為簡單，精度較高，但存在適用范圍小的缺點。伴隨著在線故障測距等技術的發展，阻抗法與行波法相比，劣勢愈發明顯。

（2）行波法。行波法是通過測量行波傳播的時間來獲得故障位置的方法[4]。它一般包括低壓脈沖反射法、脈沖電壓法、脈沖電流法以及二次脈沖法。低壓脈沖反射法簡單直觀且不依賴于電纜資料，但不能測量高阻故障和閃絡故障。脈沖電壓法測試速度快，但脈沖電流法對試驗儀器和人員更加安全，且脈沖電流信號更易辨認。二次脈沖法測量精度高，但儀器更復雜且測試時間長，對二次脈沖進行控制難度更大。

3.1.2 在線測距方法

在線測距是指將傳統測距原理與計算機技術結合。現提出的計算機技術主要是地理信息系統，即通過在地理信息系統中錄入電纜的原始資料，在故障測距時將測量結果連接上地理信息系統來確定故障點的具體位置。在線測距方法是電纜故障測距的必然發展趨向，需要完善電纜資料信息與計算機軟硬件作為基礎。

3.2 精測定點

3.2.1 聲測定點法

聲測法定點是國內目前使用最廣泛的定點方法[7]。它通過給故障電纜施加高幅度沖擊電壓使故障點出現閃絡放電，從而產生較大的放電聲傳至地表，以實現故障點的精準定位。在實際測量過程中，由于無法排除環境噪聲會給定點帶來困難，提出了聲磁同步法對其進行改進。當地振波信號與電磁波能達成同步，則此處為故障點。

3.2.2 音頻定點法

當電纜發生相間或相對地短路時，聲測定點法無法完成定點，此時可采用音頻定點法[7]。音頻定點法是通過分析故障點前后電纜兩芯線里的電流所產生的磁通變化規律來實現故障點的精準確定。但是，實際應用中，由于音頻定點法的結果影響因素眾多，實現該方法存在一定難度。

3.2.3 聲磁傳播時間測量定點法

上面兩種方法在運用到實際測量時，受限于最強信號的判斷，準確度與可操作性大打折扣，于是提出了聲磁傳播時間測量定點法。該方法在沖擊脈沖放電的同時，在電纜鋪設路徑所處地面測量聲波從故障點到測量點的傳播時間，用聲波和電磁波傳播時間差反映聲波的實際傳播時間。最后，通過式（1）計算得到故障點的位置：

該方法是目前較理想的精測定點方法，可以避免環境噪聲干擾較大等原因造成的聽覺判斷誤差，較前兩種定點方法優勢顯著。

4 結 論

本文從電力電纜故障的常見類型入手，多角度分析了電力電纜故障形成的原因，簡述了電力電纜故障分析主要包括的三個內容——故障診斷、故障測距與精測定點，并分別敘述了故障測距和精測定點使用的技術方法及其優劣。