電力電纜絕緣故障測尋方法探討

王宇斌

（廣東電網有限責任公司東莞供電局）

1 電力電纜絕緣故障測尋的意義

在電力工程項目中電力電纜是常見的一種材料，其絕緣層通常用塑料、PVC等化工材料制作而成，電纜制作的首要原則就是“絕緣”這種功能屬性，然而，城市土地資源非常有限，使用成本非常高。同時，傳統的大容量架空輸電方式在建筑整潔美觀方面已不能滿足現代城市的需要，電力電纜以其傳輸容量大、安裝方便、環境友好等優點在城市建設中得到了廣泛的應用［1］。

在電纜的運行過程中，其絕緣層受到同時或連續的電、熱、機械和環境應力。這些應力有助于某些XLPE降解過程的啟動和發展，導致絕緣的物理和化學性能發生一些不可逆的劣化。圖1為電纜多重應力圖。根據電纜老化過程中受不同應力的影響，常見主要分為熱老化、空間電荷注入、電老化、水樹老化等。電纜處于實際運行情況下，其最高工作溫度可大90℃，但當電纜發生故障情況時，會導致運行溫度高于實際工作溫度，如中低壓電纜短路或過載時，電纜的絕緣溫度可在短時間內達到150℃，而當高壓電纜發生短路故障時，電纜絕緣溫度甚至高達250℃。研究電纜絕緣的老化機理、影響因素以及空間電荷分布的特征關系，對于延緩絕緣老化、監測電纜運行狀態、保證電網安全運行、提高電纜絕緣的可靠性具有重要意義。

圖1 老化壓力源和多應力老化

目前現場實際中，高壓電力電纜通常隱藏敷設在地下，運行中的電纜如果發生故障，不易直觀發現，是否能夠快速測出故障位置的精準位置對于能否及時排除故障恢復送電至關重要，許多企業用戶的專線是采用全線電纜從變電站敷設到工廠，城市繁華地帶由于地面空間有限，有時候采用電纜敷設用于連接變電站之間的電網關系，可見如果電纜發生故障通常會導致許多企業用戶停電停產。所以，快速查找到電纜故障位置，及時完成搶修恢復供電十分重要。在電力系統日常運行中，快速有效準確地測尋到電力電纜絕緣故障對于電力設施穩定運行、保障供電企業停電時戶數指標、保障地區工商業用戶供電可靠性、提升電力獲得感、優化營商環境意義重大。

2 當前電力電纜絕緣故障現狀

用等效圖研究當前電纜絕緣故障，如圖2所示。經調查統計，按照電氣理論當前主要存在：低阻、高阻、開路等輸配電電力電纜絕緣故障，如表1所示。

圖2 電纜故障等效電路圖

表1 電力電纜絕緣故障種類

3 電力電纜絕緣故障測尋現狀

3.1 電力電纜故障測尋原理

目前關于電力電纜絕緣狀態的檢測方法傳統的方式主要采用耐壓檢測和局部放電等試驗，從電纜故障的原理考慮，目前工作中電纜絕緣故障測尋的原理有兩種：阻抗原理和行波原理，如表2所示。

表2 電力電纜故障測尋原理表

3.2 電力電纜故障測尋的基本步驟

對于一次電力電纜故障的測尋通常分為以下幾個步驟：

第一步是初步分析大概定位，找到故障的種類：俗話說謀定而后動，這個步驟是進行尋找電力電纜絕緣故障之前至關重要的一步，只有當確定了故障是哪一個種類后方可針對這個種類采用最合適的方法進行快速測尋。目前工作中往往采用檢測故障電纜相對地絕緣電阻值和直流耐壓測試來初步分析確定。

第二步是對故障進行預定位：大概確定故障的種類后，檢修人員就要采用直流電橋法、低壓脈沖法、二次脈沖法等各種適合的方法對故障電纜進行粗測計量，測量后計算出故障位置距故障電纜測試端的大概距離。

直流電橋法是最常見的方法，靠Murray電橋電流值也可以觀察到明顯的變化，對故障位置定位精準又便利。

比如電纜A相接地后，可采用如圖3所示的直流電橋法進行故障位置的預定位。

圖3 直流電橋法測試接線原理圖

在圖中，將電橋的檢測端子其中一個接電纜故障纜芯A相另一個接正常運行的無故障纜芯，把他們的另一端用跨接線短接，當電橋平衡時，則有：

式中，S為從檢測端到故障位置的距離，m；L為電纜長度，m；R1，R2為橋臂電阻，Ω。

工作人員連接過程中可采用焊接、壓接等方式，計算得到的數值需要將小數點后面的數值全部保留，以確保計算數據的準確程度，避免在查找過程中出現誤差［6］，對于高電壓等級比較危險，這個因素限制了高壓電橋法的應用范圍。

低壓脈沖法是靠分析反射脈沖和發射脈沖的時間差Δt來尋找故障位置的距離，電波在電纜中傳播，它的傳播速度只和絕緣介質有關，加低壓脈沖信號到電纜內，依據式（2）對故障位置具體位置予以判斷：

式中，L為從檢測端到故障位置的距離，m；V為電波傳播速度，m／s；Δt為發射脈沖波和反射脈沖波的時間間隔，s。低壓脈沖法主要合適于測試電纜斷路故障和低電阻短路或接地故障。

由于低壓脈沖在電纜中傳輸可以直接跳過高阻或閃絡故障位置，因此對于高阻故障和閃絡故障檢測，其預定位則采用二次脈沖法（也稱弧反射法）。

第三步：對故障進行精準定點：很顯然，工作人員完成預定位工作以后，所檢測到的故障距離和電纜實際敷設的距離難免有一些偏差，工作人員需要依據電纜運行資料現場環境確定故障的大概位置，此外如果有必要還需依據故障種類的不同，分別再采用大功率音頻定位法、聲磁時間差Δt法等對故障進行精準定點，也可采用沖擊放電聲測法，原理如圖4所示。

圖4 沖擊放電聲測法原理圖

在圖中，高壓發生器對電容C充電，當充電電壓高到一定數值時，球間隙被擊穿，這個沖擊電壓順著電纜向故障位置傳播。只要沖擊高壓的幅度足夠高，電纜故障位置就會發生閃絡放電，同時還會產生相當大的“啪、啪”放電聲，聲音傳到地面，這樣就能夠十分準確地將故障位置尋測出來，并且誤差很小。

但是如果設備長時間地加高電壓“擊穿”風險太大，則能夠采用沖擊閃絡法進行預定位，用聲磁同步法來精確故障位置。

下面介紹沖擊閃絡法，它的思路如下：首先檢修人員把試驗直流負高電壓加在電纜一端，到了故障位置會發生電弧，電流增大電壓減小，發生短路反射，反射波傳到做試驗的那一端，之后在首段又會發生開路反射，新的反射波又傳到故障點循環往復，這樣的反射過程會在檢測端和故障位置之間持續下去，唯一的區別就是振蕩的幅度越來越小。

為防止檢測端并聯的大電容C將反射波短路，需要在電纜和球隙之間串接電感線圈L組成微分電路。電感L對突眺電壓U有較大的阻抗R，檢測設備就可記錄電波在檢測端第一次反射至第二次反射的時間T，并考慮到這是電波在線芯上往返一次的時間，則有：

式中，X為從檢測端到故障位置的距離，m；T為電波在檢測端第一次反射至第二次反射的時間，s；V為電波傳播速度，m／s；

當發生閃絡性高阻故障和泄漏性高阻故障時通常用沖擊閃絡法檢測。

而聲磁同步法是對聲測法進行優化。首先檢修人員把試驗直流負高電壓加在電纜一端，故障位置既發生閃絡放電也會釋放出聲音信號和電磁信號，眾所周知電磁信號的傳播速度和光速差不多，瞬間就可以到達故障位置，聲音信號和磁場信號傳播速度不同是聲磁同步法的依據，計數的開始時間是儀器探頭檢測到電磁信號那一刻，這個工作一直持續到檢測到聲音信號結束，并順著電纜尋找數字最小之處即為故障位置。

通過以上步驟綜合分析方可精準測尋到電纜故障的位置，可見并不簡單。尤其是預定位這一步至關重要，如果出現較大偏差，則事倍功半，針對斷路故障、接地故障、低阻故障和高阻故障不同種類故障的預定位應當采取不同思路。

4 結束語

電力電纜是電力傳輸的載體，電力電纜發生絕緣故障后，分情況來說如果是電纜直接短路或短路點電阻值小于1Ω的故障則采用電橋法。如果是電纜故障預定位和精確定位方面則采用沖擊閃絡法、聲磁同步法。這些方法相對比較成熟，但設備價格較高［6］。所以在電力工作一線現場，電力電纜絕緣故障的測尋需要依據不同的電纜故障性質和電纜的運行環境，選擇不同的測定方法。并且結合資料數據共同分析，從而達到盡快測定故障位置的目的，消除缺陷恢復送電，提升地區供電可靠性，只有這樣才能凸顯電力自動化的優勢，才能讓電力電纜在越加龐大的電力系統和更加復雜的電網結構中穩定地發揮其作用，保證電力運行的安全性和可靠性，為我國的電力用戶提供穩定的電力供應。