高壓XLPE電纜主絕緣故障性質診斷與測距研究

李文泉

(國網泉州供電公司，福建 泉州 362000)

1 引言

隨著城市化進程的不斷發展，架空輸電線路纜化入地成為城市電網發展的主流選擇[1-2]。在高壓XLPE電纜生產、運輸、敷設、試驗和運行過程中，因各種原因導致電纜主絕緣產生各類顯性或隱性的隱患或缺陷，并最終導致故障而產生跳閘事件。

電纜故障產生后，如何進行快速進行故障性質判斷與測距定位成為電纜運檢部門的首要工作。因每年產生的故障跳閘事件較少，生產部門人員經驗欠缺，無法快速對故障進行診斷分析，不利于故障快速消缺與恢復送電工作，影響電網安全性與穩定性。

針對以上問題，本文總結常見單芯XLPE電纜主絕緣故障原因，分析電纜故障模型和性質，提出電纜故障性質診斷與測距的流程，研究常見故障波形圖特征與故障點光標定位方法。

2 電纜故障原因分析

電力電纜產生故障的原因是多種多樣的，常見故障原因可分為外力破壞、附件質量、敷設質量和本體質量。

(1)外力破壞

外力破壞是電纜運行過程中發生故障的主要原因，具體表現為以下兩個方面：

一是市政工程建設過程中，施工單位在未經全面勘測和與相關管線單位溝通的基礎上盲目施工，大型機械破路開挖，造成電纜外護套損傷或者直接傷及電纜線芯造成故障跳閘。

二是電纜淺埋段長期受到車輛、重物沖擊，造成電纜土建設施下沉、電纜護套開裂、本體拉傷斷裂。

(2)附件質量

附件制作質量不良是電纜故障的次要原因，具體表現為：

①終端頭、中間接頭制作過程中，未嚴格遵守規程中關于現場溫度、濕度和清潔度的規定，未采取保證現場溫濕度合格的相關措施。

②附件制作人員未嚴格按照附件裝配圖紙和施工工藝流程進行施工，導致尺寸偏差過大、制作工藝不良。

③附件帶材使用錯誤，絕緣材料與半導電材料混用，導致電場分布產生畸變。

④附件密封工藝不良，有潮氣水分進入，水樹枝導致絕緣受損進而產生局部放電。

(3)敷設質量

敷設施工質量不良也是電纜發生故障的原因之一，具體表現為：

①施工單位未按照施工方案和相關規程要求施工。

②牽引機械布置間距過大、轉彎半徑過小等原因，導致牽引力過大，超過規定限值導致電纜護套機械損傷。

③長電纜線路，電纜分段不均勻，交叉互聯箱接線錯誤，導致電纜金屬護套感應電壓超過規程規定，電纜接地電流過大導致電纜發熱嚴重，最終導致電纜故障。

(4)本體質量

因本體原因引發的電纜故障概率較低，具體表現為：

①電纜制造工藝不良，線芯絞合不緊密，或導體屏蔽層、主絕緣層、絕緣屏蔽層三層共擠工藝不良，導致電纜各層存在氣隙，引發局部放電導致電纜故障。

②電纜絕緣老化，運行年限較久的電纜，因絕緣層長期運行在高電壓高場強工況下，導致絕緣性能下降[3]。

3 電纜故障性質分類

電纜故障可用一個等效電路來表示，如圖1所示。其中，表示故障點的絕緣電阻，表示電纜分布電容。為了表示故障點擊穿電壓情況，用一個放電間隙表示。

電纜故障可用一個RC等效電路來表示，如圖1所示。其中，R表示故障點的絕緣電阻，C表示電纜分布電容。為了表示故障點擊穿電壓情況，用一個放電間隙G表示。

圖1 電纜故障等效電路

(1)開路故障

開路故障是指電纜線芯或金屬護套發生開斷的故障。開路故障發生的概率極低，一般伴隨有電纜的接地故障。

(2)低阻(短路)故障

低阻(短路)故障是指芯線對地或線芯之間的絕緣電阻小于幾百歐姆的故障，一般小于10倍電纜波阻抗Z0。

(3)泄漏性高阻故障

泄漏性高阻故障是指芯線對地或線芯之間的絕緣電阻大于幾百歐姆的故障，一般大于10倍電纜波阻抗Z0。

(4)閃絡性高阻故障

閃絡性高阻故障是指電纜線芯對地或線芯之間的絕緣電阻值極高，但進行直流耐壓試驗時，當電壓達到某一數值時，電纜絕緣被擊穿，而當電壓下降后，絕緣恢復的故障。

4 電纜故障性質診斷與測距

當電纜運檢部門接到電纜故障信息后，如果是電纜終端或中間接頭的開放性故障，一般通過對電纜全長進行故障特巡即可發現故障點。如果電纜是封閉性故障，此時需要進行故障測距。正常情況下，可以按照圖2所示流程進行。

圖2 電纜故障測距流程

4.1 發現故障

電纜發生故障跳閘后，電纜運檢部門將收到調度部門發送的故障測距信息，包含有故障具體時間、變電站線路距離保護動作情況、重合閘動作情況、故障測距長度、故障相別、故障相一次電流等信息。

一般地，對于混纜線路，當重合閘不成功時，即可判定為電纜故障。對于變電站距離保護測得的故障距離僅是一個大概值，用于指導電纜運檢部門初步定位故障點。

4.2 準備儀器工具

確認電纜發生故障后，需要進行儀器儀表和工器具的準備。

(1)試驗儀器儀表

①電力電纜故障測距儀：電纜故障測距的主要儀器，用于故障波形的采集、顯示與分析。

②電纜測試高壓發生器(含電容器)：針對高阻故障和閃絡故障，通過電容器儲能，再通過放電間隙放電，使故障點擊穿發出故障電流行波。

③二次脈沖信號耦合器：二次脈沖法中用于保持故障點電弧狀態的儀器。

④絕緣電阻測試儀：測量電纜絕緣電阻，用于輔助判斷電纜完好、斷線、泄漏性高阻和閃絡性故障。

⑤絕緣電阻測試儀：測量電纜直流電阻值，用于輔助判斷電纜連續性、短路和低阻故障。

(2)安全工器具

①驗電器：用于判斷電纜是否帶電/停電。

②工頻信號發生器：模擬帶電信號以判斷驗電器是否正常工作。

③接地線：高壓試驗時，非測試相應保持接地狀態，以防止感應電傷人。

④放電棒：高壓試驗前后，對電纜進行充分放電，防止電纜積累空間電荷。

⑤絕緣墊：操作高壓儀器時，操作人員應站立于絕緣墊上，確保人身安全。

4.3 布置安全措施

電纜故障測試時應使用安全圍欄、圍網將現場進行隔離，確保與過往人員、車輛保持足夠的安全距離。在測試入口處，懸掛“從此進入”標志牌，限定工作人員出入口；在圍欄中部向外懸掛“高壓危險”標志牌，提醒過往人員保持距離；在被測電纜上懸掛“在此工作”標志牌，確定工作范圍。故障測試前，兩側電纜終端均應裝設接地線，同時應設專人監護。

4.4 故障性質診斷

(1)核相試驗

為了防止在測試過程中，首末端相序不一致導致誤判，或是升壓過程中誤接線，產生觸電危險，故需要進行核相試驗。利用萬用表，在一側終端處測量相對地直流電阻值，另一側利用試驗短接線對地導通/斷開，對比萬用表讀數，可判斷出三相相序。在核相過程中，通過讀數也可初步判斷電纜低阻故障情況。

(2)導通試驗

導通試驗用于判斷電纜是否存在斷線故障，將電纜末端三相短接不接地，在電纜首端測量AB、BC、CA相間直流電阻值。

①當相間直流電阻值為正常值時(一般在幾歐之內)，三相不存在斷線(開路故障)。

②當相間直流電阻值存在兩次無窮大值時，說明存在單相斷線(開路故障)。

③當相間直流電阻值存在三次無窮大值時，說明存在兩相斷線(開路故障)。

(3)絕緣電阻測試

利用絕緣電阻測試儀分別測量相對地、相間絕緣電阻，用于判斷是否為完好相、泄漏性高阻、閃絡性高阻故障或相間短路故障(一般情況下，單芯輸電電纜不會發生相間短路故障)。

①當絕緣電阻值在幾或幾時，一般可判定為泄漏性高阻故障。

②當絕緣電阻值在幾百或幾時或更大值時，一般可判定為完好相或閃絡性高阻故障。通過直流加壓試驗，觀察電壓表指針是否周期性擺動，可判定為閃絡性高阻故障，否則為完好相。

(4)直流電阻測試

當絕緣電阻測試中，示數為0時，需要利用萬用表進一步判斷電纜故障性質，此時萬用表讀數即為電纜低阻故障值或短路故障值。

綜上，通過以上步驟，即可判斷出電纜開路故障、低阻(短路)故障、泄漏性高阻故障和閃絡性高阻故障性質。

4.5 電纜全長測量

電纜故障性質判斷完畢后，需要進行電纜全長測量，以便為標定電纜故障距離限定一個范圍，防止故障距離誤判。

選擇電纜完好相，通過電力電纜故障測距儀低壓脈沖法，發送一個低壓脈沖，初始極性為正極性，到達電纜末端時，脈沖產生全反射，到達儀器后采集到電壓波，全長距離l為波速度v與脈沖波形往返一次時間Δt乘積的1/2[4]。

圖3 電纜全長波形

假設線路波阻抗為Z0，故障點等效阻抗為Zg，則電壓反射系數為：

對于開斷故障(完好相末端視為開路)，Zg>>Z0，此時ku=1，因此入射波與反射波極性相同。

4.6 故障距離測量

(1)斷線故障測距

斷線故障測距方法與全長測量方法一致，采用低壓脈沖法，將實光標定位于最左側，虛光標定位于首個同極性反射脈沖上升沿拐點處即為斷線故障處距離。

圖4 斷線故障波形

(2)低阻(短路)故障測距

對于低阻(短路)故障，最簡便的方法是采用低壓脈沖法進行測距。此時，故障點等效阻抗為Zg=0，此時電壓反射系數ku=-1，因此，入射波與反射波極性相反。

圖5 低阻(短路)故障波形

(3)高阻故障測距

對于高阻故障(泄漏性或閃絡性)，均可采用脈沖電流法或二次脈沖法進行測距。

當采用脈沖電流法(直閃法或沖閃法)時，由電纜測試高壓發生器對故障點施加電壓，故障點到達電壓臨界點后擊穿(直閃法)，或通過儲能電容器對故障點泄放能量后故障點擊穿(沖閃法)。故障點擊穿后產生電流行波，初始極性為負極性，在接地線處被線性電流耦合器采集到故障波形[5]。

假設線路波阻抗為Z0，故障點等效阻抗為Zg，入射電壓為Ui，反射電壓為Uo，則電流反射系數為：

由上式可見，故障點的電流反射系數與電壓反射系數大小相等，符號相反。對于高阻故障，故障點放電脈沖與反射脈沖極性相同，均為負極性，如圖6、圖7所示。圖中，第一個負脈沖為放電脈沖，第二個負脈沖為反射脈沖，隨著時間推移，脈沖多次反射，能量損耗直至幅值歸零。

圖6 泄漏性高阻故障波形(脈沖電流法)

圖7 閃絡性高阻故障波形(脈沖電流法)

圖中將實線標定至第一個反射脈沖的起始點，虛線標定至第一個反射脈沖末端與一小正脈沖的拐點處，即為故障點距離值。正脈沖的產生是由于儲能電容器與測試用導線存在的雜散電感引起。

當采用二次脈沖法進行高阻故障測距時，由儲能電容器向故障點泄放能量，故障點擊穿。在擊穿瞬間，利用延弧器使故障點保持電弧狀態，此時故障點等效于短路狀態，由儀器發射一個低壓脈沖波形，得到一個等同于低阻故障的波形。然后，電弧熄滅后，儀器再發送一個低壓脈沖，此時電纜等同于完好狀態，得到一個無故障波形。兩個波形相比較，在負極性波形與完好波形的差異點處，即得到電纜故障點的距離值。如圖8、圖9所示，虛線標定處即為故障點距離。

圖8 泄漏性高阻故障波形(二次脈沖法)

圖9 閃絡性高阻故障波形(二次脈沖法)

4.7 結束工作

測得故障點距離后，應恢復設備接線狀態，拆除接地線，撤除安全圍欄，確保終端塔上工作人員已撤離，桿塔上無遺留物，才可宣布故障測距工作結束。

5 總結

(1)高壓XLPE輸電電纜主絕緣故障的主要原因根據占比由大到小分別是外力破壞、附件質量、敷設質量和本體質量，對電纜運檢人員確保電纜安全穩定運行指明了工作重點和方向。

(2)高壓XLPE輸電電纜主絕緣故障根據線芯狀態和絕緣電阻值大小可分為開路故障、低阻(短路)故障、泄漏性高阻故障和閃絡性高阻故障，故障的多樣性給故障性質診斷帶來了一定的挑戰。

(3)高壓XLPE輸電電纜主絕緣故障測距應根據故障性質合理選擇測距方法，有效區分低壓脈沖法的電壓行波與脈沖電流法的電流行波是故障測距波形標定的關鍵。