10 kV單芯電力電纜故障成因分析及查找方法

陳 飛 中國鐵路上海局集團有限公司南京供電段

1 引言

高速鐵路供電系統(tǒng)中采用了大量的單芯10 kV 電力電纜，從而提高了鐵路供電系統(tǒng)的供電可靠性。但是電纜運用過程中會出現(xiàn)各類故障。由于由于高速鐵路單芯電纜的長度較長、故障點較隱蔽，故障查找較困難，查找周期長，極易影響高鐵電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，分析10kV 單芯電力電纜的故障成因，總結故障類型，提升電纜故障的處理效率，是提高行車安全的有力保障。

2 常見故障原因

2.1 機械械損傷

機械損傷引起的電纜事故占電纜事故60%左右比例，如：（1）直接受外力損傷，這方面的損壞主要有施工和交通運輸所造成的損壞；（2）安裝時的損傷，在安裝時碰傷、拉傷電纜或者因彎曲過度而損傷電纜；（3）自然力造成的損壞，中間接頭和終端接頭受自然拉力和內部絕緣膠膨脹的作用所造成的電纜護套裂損等。

2.2 絕緣受潮

中間接頭或終端頭結構不密封或安裝不良而造成絕緣受潮。電纜制造不良在金屬護套上留有小孔和裂縫等缺或金屬護套被外物刺傷也會使電纜受潮。

2.3 過熱

電纜絕緣內部氣隙游離造成局部過熱而使絕緣炭化以及電纜過負荷都會產(chǎn)生過熱。安裝于電纜密集地區(qū)或電纜溝以及電纜隧道等通風不良處的電纜，都會造成電纜過熱從而使絕緣加速損壞。

2.4 過電壓

過電壓主要是指大氣過電壓（雷擊）和電纜內部過電壓。實際運行經(jīng)驗表明，許多電纜終端頭的故障是由大氣過電壓引起的。

2.5 設計和安裝的問題

中間接頭和終端頭的防水設計不周密，選用的材料不當，電場分布的考慮不周，工藝要求不嚴密，機械強度的裕度不夠等是設計中常見的問題。拙劣的接頭與不按技術要求敷設電纜或者在潮濕的氣候條件下作接頭，使接頭混入水氣也是形成電纜故障的重要原因。

3 故障類型

按故障現(xiàn)象分類，可分為開放性故障和封閉性故障。按故障位置分類，可分為接頭故障和電纜本體故障。

（1）接頭故障：2017年初管轄范圍內發(fā)生一起10 kV高壓電纜因前期新線施工過程中，電纜中間接頭銅連接管壓接不實，又遇冬季溫度變化電纜線芯逐漸從中間接頭銅連接管中縮出并與銅連接形成尖端放電，導致電纜主絕緣逐漸被擊穿，形成故障跳閘。

（2）電纜本體故障：通常因為電纜制作工藝不高，銅芯電纜雜質較多，主絕緣與半導體層工藝不良而導致，也可能在運輸過程中，電纜發(fā)生嚴重的磕碰，導致電纜絕緣性能下降而導致。

按接地現(xiàn)象分類，可分為單純的開路故障、相間短路、單相接地。

（1）開路故障：類似一根電纜被完整的一切為二，線芯鋼鎧完全分離。通常由電纜路徑上遭遇施工器械（比如挖掘機）野蠻施工切斷而致。

（2）相間短路：這類故障在高鐵電力上比較少見，高鐵線路多為單芯電纜，不同于三芯電纜一體式組成，完全是由三根單芯電纜組成，相間有一定距離，同時發(fā)生兩根或以上擊穿短路的可能性較低。

（3）單相接地：高鐵電力最常見的故障。發(fā)生故障原因基本是由于單芯電纜絕緣薄弱點被擊穿，造成線芯與鋼鎧距離接近，或線芯與大地接觸，造成短路跳閘故障。

按絕緣電阻的大小分類：低阻故障、高阻故障、開路故障、閃絡性故障。

（1）低阻故障：通常為主絕緣擊穿后線芯與鋼鎧距離過近或接觸造成，一般使用萬用表測得線芯與鋼鎧接地間的電阻＜200 Ω。

（2）高阻故障：通常為主絕緣擊穿后線芯與鋼鎧保持一定距離，未直接接觸或是線芯被擊穿后與地保持一定距離，一般使用萬用表與絕緣電阻表配合使用，線芯與鋼鎧間的絕緣電阻＞200 Ω，＜400 MΩ。2018 年、2019 年管轄設備分別遇到該類故障，檢查發(fā)現(xiàn)是電纜外護套在施工中在電纜槽道中強行拖拽磨破，在經(jīng)過雨水浸泡，鋼鎧銹蝕后，內護套受到影響，造成電纜出現(xiàn)薄弱點，形成放電跳閘。

（3）開路故障：一般為斷線故障，一根電纜被分為兩根電纜，絕緣阻值等正常，需要通過電纜故障測距儀測得電纜長度與原電纜長度進行比對。

（4）閃絡性故障：一般測得電纜絕緣阻值＞400 MΩ，正常使用時不會出現(xiàn)情況，一旦線路電壓電流升高就會出現(xiàn)絕緣薄弱點瞬間擊穿放電引發(fā)跳閘，放電過后重合閘電壓電流未達到擊穿絕緣臨界值，又能正常運行。通常采用直流耐壓測試，升高電壓持續(xù)耐壓，已達到徹底擊穿電纜的絕緣薄弱點，使故障點直接暴露出來后再進行處理。

4 故障點的現(xiàn)場查找方法

目前高鐵單芯10 kV 電力電纜故障查找對人員技術與經(jīng)驗的要求較高，故障點查找一般要經(jīng)過查看故障電纜基本情況、故障性質診斷、故障測距、精確定點4個步驟。

4.1 查看故障電纜基本情況

電纜基本情況是指完善的電纜資料，包括長度、路徑走向、中間接頭位置、電纜出廠資料等。這些電纜資料的完整齊全能使故障點查找事半功倍。

4.2 故障性質診斷

通過絕緣電阻表測量電纜的導電性能和絕緣性能來了解故障電纜的有關情況，初步確定故障的性質，從而選擇適當?shù)臏y試方法對電纜故障進行具體的診斷，具體情況如下表。

4.3 故障測距

故障電纜芯線上施加測試信號或者在線測量、分析故障信息，初步確定故障的距離，為精確定點提供足夠精確的信息。 這是電纜故障測試過程中最重要的一步，下面為幾種為高鐵單芯10 kV電力電纜故障常用測距方式。

4.3.1 測距方法之低壓脈沖法

適用范圍：低阻短路故障（絕緣故障電阻小于幾百歐的故障）、開路故障。此類故障約占電纜故障的10%。低壓脈沖法還可用于測量電纜的長度、電磁波在電纜中的傳播速度，還可用于區(qū)分電纜的中間頭、T型接頭與終端頭等（見圖1）。

圖1 斷線故障波形

4.3.2 測距方法之脈沖電流法

適用范圍：脈沖電流法可測量向故障電纜施加高壓后，故障點能擊穿放電的故障。適用于高阻泄漏性故障、閃絡性故障與低阻故障等，此類故障約占電纜故障的90%以上（見圖2）。

圖2 典型的脈沖電流波形

4.3.3 測距方法之二次脈沖法

適用范圍：二次脈沖法可測量向故障電纜施加高壓使故障點擊穿放電后，放電電弧能長時間存在的故障。含有：高阻泄漏性故障、高阻閃絡性故障等，據(jù)統(tǒng)計這類故障約占電纜故障的60%左右（見圖3）。

圖3 二次脈沖法故障波形

4.4 精確定點

用高壓信號發(fā)生器向故障電纜中施加脈沖高電壓；攜帶聲磁同步故障定點儀，依照故障測距結果與電纜的路徑走向沿電纜的路徑移動探頭，準確找到故障點。

5 提升電纜故障查找效率的幾點建議

5.1 完善資料

提高電力電纜故障點查找的效率，日常工作管理中必須完善電力電纜運行基礎資料，如電纜路徑圖、電纜中間接頭分布圖及區(qū)間平面圖并做好現(xiàn)場標識。

5.2 電纜分兩頭進行測量

在查找過程中，無論使用哪種方法測試故障點波形，若故障點距離測試端太近，均會產(chǎn)生盲區(qū)，使得測試波形難以判斷識別，此時可嘗試到電纜的另一端進行測試，建議每次查找電纜故障點時最好電纜兩側各測試一次以作對比，這樣的成功率較高。

5.3 日常材料準備充足，工器具保管良好

電纜故障處理必須的材料、工器具合理布置，區(qū)域存放，比如較重的高壓發(fā)生器、電容器，可以選擇放在離門口較近寬敞的區(qū)域，以提高出動效率。日常加強工器具保養(yǎng)，定期檢查工器具狀態(tài)，對設備及時充電或更換電池。每月檢查電纜附件的有效期限，確保電纜附件符合要求。

6 結束語

綜上所述，高速鐵路鐵路電力系統(tǒng)中單芯電纜的使用越來越廣泛，作為鐵路信號、通信、防災等一級負荷的電源，重要性不言而喻，鐵路供電部門必須在短時間內查找出故障原因，并及時排除，以保證高速鐵路電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。