10kV電纜故障查找及防火抗爆電纜裝置研究

國網湖南省邵陽供電公司 羅 達 岳萬里 張 力 國網湖南綜合能源服務有限公司 向運琨

隨著電力工業電力時代的到來，電纜憑借其敷設在地下，不占地面、空間，同一地下電纜通道可容納多回線路，在眾多自然氣象條件（如雷電、風雨、鹽霧、污穢等）和周圍環境對電纜的影響下得到廣泛應用，但是電纜線一旦出現故障電纜損壞后則探測難度十分大，電纜故障隱蔽，測試較難并且大量發生在電纜中間接頭處，由于能量堆積時有爆炸的情況發生，嚴重時會危及人生安全，因此研究電纜線路故障探測方法、快速定位故障點和研制防火抗爆中間接頭裝置是十分必要的。

湖南省內新建變電站進出配網線路大都采用的電纜線路。闡述配電網線路故障原因及其性質，有助于使用電纜故障查找儀探測準備、故障性質判斷、故障點距離測量、故障點定位等步驟的進行。

目前大多發現的電纜故障都是中間接頭故障，所產生的危害不僅造成停電，還可能對城市經濟甚至人身安全造成巨大傷害[1]，甚至發生二次事故。而隨著城市發展越來越快、電纜的數目也在越來越多，電纜發生故障的概率也就越來越大，而大部分故障又都發生在中間接頭處，以湖南某地區為例：2020年110kV 線路85條線路，其中電纜長度約246公里，電纜中間頭約610個，2020年6到8月共計發生電纜中間頭爆炸3次，影響配變停電總時長3621小時。造成了電纜供電設備的跳閘，還影響到了其他設備的安全運行，擴大了故障范圍，對公司的供電系統安全造成了威脅。

1 電纜故障原因及分類

普通城市所用電纜絕緣材料等外層包裹大都為可燃物，一旦發生故障將會在內部燃燒，只是延伸范圍小。引起電纜火災或者爆炸的原因97%以上的事故都是電纜本身故障引起。

1.1 原因分析

電纜本體質量問題。電纜在制作過程中就很容易出現質量問題，如操作失誤導致絕緣層制作厚度不夠、或內部含有雜質、材料偷工減料、漏水漏氣等。由于電纜長時間敷設在地下，在泥土酸堿度過高的地區會因電纜的鎧裝、鉛皮或外保護層質量不佳被腐蝕分解，致使保護失效、喪失絕緣性。

外界破壞。由于配電網電纜安裝在城市道路當中，容易被施工人員暴力或安裝方式不當導致電纜絕緣破損，比如在城市中電纜井中因電纜井蓋缺失受到外力損傷出現缺陷導致擊穿或接地短路，一旦造成機械損傷，嚴重會發生短路故障。

環境因素導致的老化、絕緣喪失。電纜都會有它的使用周期，長時間運行導致的老化不可避免，一旦老化就會有外皮開裂和破損情況，另外溫濕度的苛刻環境也會導致絕緣擊穿甚至爆炸。

超負荷運行過長。由于電流具有熱效應，負荷電流必然導致電纜內部發熱，加上電纜內電荷流動的集膚效應加上鋼鎧的渦流損耗等熱量的疊加，所有電纜都有規定的負荷范圍，長時間處于超負荷運行狀態會導致絕緣層受損，從而電纜安全穩定運行受到威脅，因此夏季電纜故障多很大一部分是因為這個原因。

中接接頭制作工藝不達標[2]。電纜中接頭十分常見，是常用連接電纜與電纜、電纜或其他電氣設備的制作技術，但如安裝人員水平不足會導致制作工藝不達標從而產生電纜故障。

1.2 故障性質分類

根據情況可分為一相接地、兩相接地故障、單相斷線且接地故障，電纜線故障主要分為斷線故障、低阻故障、高阻故障、閃絡性故障[3-5]。不同的線路故障絕緣電阻不同，故障的擊穿情況也不同，見表1，表中Z0為電纜的特性阻抗值，電力電纜阻抗一般為10～40Ω 之間。

表1 故障性質及適用情況

2 配電網電纜線路故障探測流程

采用TDR（時域反射法，Time Domain reflec_tometry）原理，對被測電纜發射一系列電脈沖，并接受電纜中因阻抗變化引起的反射脈沖，電纜傳播的速度和反射回來的拐點時間就可算出距離，可測出故障點到測試端的距離為S=VT/2，式中：S 代表故障點到測試端的距離，V 代表電波在電纜中的傳播速度，T 代表傳播時間。配網線路故障查找流程主要分為五步：準備-分析電纜故障性質、了解故障電纜的類型-用低壓脈沖法測試電纜長度、校對電纜的電波傳輸速度-選擇合適的測試方法進行電纜故障粗測-探測埋地纜的走向-對故障點精確定位-處理故障。

分析電纜故障性質，了解故障電纜的類型。性質不一樣的電纜故障要用各自所需的方法測試，介質不一的電纜更有各異的測試速度。首先根據相接地或不接地的情況初步分析，然后故障有相接地不導通、相不接地導通和直接導通。然后需要使用絕緣電阻表（搖表）進行各相絕緣電阻測試：如果發現相接地不導通的絕緣電阻無窮大或正常則為斷線；如果發現相不接地的值非常小（一般實際值小于1kΩ）則為低阻，如果非常大就是高阻故障；如果正常導通情況下絕緣電阻值也正常，進行直流耐壓測試，如果直流耐壓擊穿則閃絡故障。

用低壓脈沖法測試電纜長度，校對電纜的電波傳輸速度。電纜故障的實際走向情況一般需要去了解到電纜線路總長，判別阻值的高低可使用低壓脈沖方法，也可根據具體實際情況用度量的方法測得。用電纜測試儀進行電纜故障測試，測得故障類型后選擇相對應的方法進行故障測距：低阻故障用低壓脈沖法測量，高阻故障、閃絡故障優先使用多次脈沖法測試，也可用高壓閃絡法測量驗證。

探測埋地電纜的走向。精確定點前首先必須知道電纜的路徑，城市配網線路一般電纜鋪設線路就有規律可循，探測故障點前對路徑信息、電纜走向、環網柜標識方向、或者中接頭位置信息可探知，另外使用路徑儀也可探測電纜走向；對故障點精確定位。對粗側出來的故障點位置借助聲磁定位儀器進行精確查找定位，一般當靠近故障點附近位置會有啪啪的聲音，最后確定位置。

3 10kV 電纜中間接頭防火抗爆裝置研制

3.1 總體設計

電纜中間接頭防火抗爆裝置設計為全密封狀態，該新型電纜中間接頭防火抗爆外殼一次性制作成型無焊接。優化了防火防爆盒的功能，實現更高的性價比，同時專為10kV 電纜性能定制，以防用料過度增加生產成本，研制構造如圖1。該裝置外觀上留有了能泄壓的孔導向管，可向外排出水分和過量的氣壓，參照電力行業的標準設計規范，按照原有的中間接頭敷設架構構建，不僅能適用于各種規格的安裝，在內部溫度超過200°C 時可自行降溫滅火。

圖1 10kV 電纜中間接頭防火抗爆裝置研制構造圖

裝置主要分為主體材料（滿足設備的防爆需要，同時質量要輕，價格便宜）、連接件（滿足現場安裝人員的快速安裝要求，同時在一些狹窄空間也能正常拆裝）、增強防火材料（對于設備本體內產生的1000度以上的火焰有隔離作用）共3個部分。

3.2 結構設計

研制的10kV 電纜中間頭防火防爆裝置，滿足現場運行環境的防火與防爆的功能，這些主要功能能夠有效避免電纜中間頭爆燃后波及周邊電纜頭的正常運行，導致用戶的停電時長大增，從理論上分析，電纜中間頭防火防爆裝置無法解決電纜中間頭的爆燃，但可將電纜爆燃的范圍控制在單條線路、不波及同井的電纜線路。外觀盒結構圖如圖2。

圖2 10kV 電纜中間頭防火防爆裝置的研制方案設圖

3.3 電纜中間接頭防火抗爆裝置實施結果

在使用故障查找儀器找到故障點之后，驗證電纜中間接頭防火防爆盒的防火抗爆功能，2020年9月28日某線路只做好的中間接頭進行功能測試，該線路由兩端YJV110kV1×600mm2電纜和一套電纜中間接頭組成。防火功能效果：耐1000度火極限大于80min；防爆功能效果：達到國標GB 50058-2014設備保護級別Gb，防爆型式d 型。

電纜中間接頭安裝防火抗爆妝之后對其進行防火測試：中間接頭故障發生概率占比改善前為12.50%，目標值為3.85%，實際值為3.85%。試驗結果顯示有保護裝置后線圈溫度能夠耐受1260°C 以內高溫。最后對改善后的已安裝的62個點上進行數據統計，在26次事故中只有一次電纜中間頭爆燃。把發生的概率下降了8.65%。通過對比柏拉圖可知，改善后電纜中間頭占比明顯降低。

綜上，電纜故障的快速檢測和為經常發生故障的中間接頭制作防火抗爆的保護裝置，不僅為故障搶修提高效率、也為城市運作提供巨大幫助。接下來要優化電纜中間頭的運維工作，思考如何優化電纜中間頭自動監控，提高效率效益。為此，下一步將電纜中間頭運行維護過程中出現運維不及時、故障定位不精準的薄弱環節作為目標。