基于35kV交联聚乙烯电缆高压试验击穿后的故障精确定位分析

国网江苏省电力有限公司技能培训中心 王德海 傅洪全 陈曦 郭玉威 黄泽华

1 引言

随着国家经济的快速发展，在地区电网中电缆线路的使用占比越来越高，其中交联聚乙烯电缆凭借良好的电气性能以及在生产、运输、运行、维护等方面的便捷优势，获得愈加广泛的应用。为了保证高压电缆的可靠运行，有些电缆运行现场使用在线故障定位技术[1]，用于电缆缺陷监测和故障测距，并且对于故障预警和故障精准定位可以提供有力支撑，从而提高电力生产效能[2-3]。交联聚乙烯电缆的绝缘耐压试验是电缆出厂、电缆交接和预防性试验的常规项目。一般围绕交联聚乙烯电缆本身的材料特性以及运行电场环境，搭建对应的测试系统进行绝缘耐压测试。在电缆测试过程中，可以配置电缆测试仪器排除电缆潜伏性故障隐患，为产品顺利出厂和现场稳定运行提供进一步的有效保障。

2 电缆耐压试验实例

国内某单位曾对一条35kV 交联聚乙烯电缆进行绝缘耐压测试，电缆出现击穿故障。在现场测试时同时配置分布式缺陷探测装置，使用行波技术进行辅助监测，根据试验现场情况定点采用分布式传感器嵌入时间同步技术，可以对采录数据作综合多端关联性分析。通过对缺陷探测装置记录下的成组故障数据进行处理和分析，确定了准确的电缆故障位置，经过查找，电缆故障位置和故障测距分析结果一致。此次电缆故障记录的数据特征较为全面，可以为后续交联聚乙烯电缆故障数据的特征分析提供很好的借鉴。

案例中测试的电缆为35kV 三芯交联聚乙烯电缆，型号为HYJQF41-F26/35kV，共两段，两段间经电缆中间件连接。电缆一段长度约为7.38km，电缆二段为1.07km，电缆全长约为8.45km。工作人员使用数字兆欧表对电缆三相对地分别进行绝缘电阻测量，测量结果正常，选择电缆一段的始端逐相接入高压测试电源，测量相远端开路，电缆外护铠接地，设置现场围栏等防护措施。开始进行升压测试，升压测试过程中电缆某一相出现击穿故障，探测装置捕捉到的故障数据。

2.1 从时间维度展开波形分析

2.1.1 波形簇中第Ⅰ类脉冲成组分析

远程召唤探测装置采集的数据并提取多组数据进行分析，将记录数据组分别匹配带通数字滤波器适用故障特征频域，进行滤波处理。第一组探测数据处理后，故障波形分析如图1所示。由图1a可知，采录的数据波形中高频特征丰富，相关脉冲信号周期性特征明显。为了便于分析，将图1a中所标示的具有明显反向周期性的关联脉冲称为第Ⅰ类脉冲。以时间维度坐标将图中波形数据基于时域展开，根据波形图中关联脉冲间隔进行时间标定，如图1b所示，标定的时间间隔t1为84.82μs，t2为84.83μs、t3为84.85μs。

图1 故障波形示意图一

将数据中后续的相关脉冲依次展开，其信号连续变化的时间周期性特征一致。从图1中可以看出，经过三个周期后，关联脉冲波形的幅值出现一定衰减，但脉冲反极性变化的周期性特征依旧明显。选取其他的两组记录数据，依次滤波，并进行相应第Ⅰ类脉冲信号的时间标定，标定时间间隔一致，信号变化的奇异点周期性特征一致，第Ⅰ类脉冲时间周期值如表1所示。

表1 第Ⅰ类脉冲时间周期值（单位：μs）

2.1.2 波形簇中第Ⅱ类脉冲关联分析

对多组数据波形进行观察，图1a中脉冲幅值较小的部分具有周期性特征。为便于分析，如故障波形分析图2a所示脉冲簇称为第Ⅱ类脉冲，将记录数据继续沿时间轴展开分析，分别标定脉冲关联的信号间隔周期。将所召取多组数据依次进行周期标定，结果如图2所示。

图2 故障波形示意图二

第Ⅱ类脉冲时间周期值如表2所示。从表2可以看出，多组数据中Ⅱ类脉冲信号变化的奇异点周期性特征一致。

表2 第Ⅱ类脉冲时间周期值（单位：μs）

2.1.3 波形簇中第Ⅰ类脉冲、第Ⅱ类脉冲汇总分析

获取现场电缆波速度，将两类脉冲特征作汇总分析。现场经过测量校核，该测试电缆波速度为174m/μs，按表1、表2所标定时间值进行计算，应用距离计算公式，统计计算结果如表3、表4所示。通过对分列记录波形中不同的相关脉冲进行分析计算发现，特征距离计算结果一致，且均指向两端电缆中间连接位置，两类脉冲均以时间维度计算后，其故障长度计算结果吻合。

表3 第Ⅰ类脉冲相关距离计算值

表4 第Ⅱ类脉冲相关距离计算值

2.2 从波形故障特征作关联分析

利用叠加原理理论，电缆线路运行过程中出现接地故障相当于在接地点瞬时加入了虚拟的故障电源，此电源与故障前电缆线路承载的稳态激励电源极性相反，幅值相等。故障电源和故障点两端的电缆线路构成了基于故障分量的传输网络，由故障点和电缆线路两边的端点构成了两段故障分量传输区段。

初始时刻背向而行的故障分量在各自传输区段内呈现往返传播的末端特性，考虑实际故障点的接地电阻阻抗特性并不能构成两段完全的封闭区段。各自传播的故障分量在故障点反射的同时也会出现故障分量的透射，透射后的故障分量叠加到对端区段内的传播过程之中，这样在一端传播过程中显现出另一段传输区段内的故障分量传输过程特征。

此次交联聚乙烯电缆故障采集到的数组波形中，以第Ⅰ类脉冲中的第一个脉冲极性作为参考，后续的第二个脉冲极性与之比较呈现反极性，第三个脉冲极性和初始脉冲极性相同，依序展开来看，第Ⅰ脉冲中的能量幅值呈阶梯状叠加变化，极性呈正反交替变化，其周期性特征符合电缆线路低阻故障的特征。

同样以第Ⅰ类脉冲组中的第一个脉冲极性作为参考，第Ⅱ类脉冲中第一个脉冲极性为同极性，第二个脉冲极性为反极性，依序展开，后续脉冲亦呈现反向周期性变化特征，脉冲变化的幅值更小，结合脉冲的幅值、极性可以判识第Ⅱ类脉冲中的脉冲信号为故障信号由电缆故障击穿点传至电缆两段末端的反射脉冲簇。以时间为序，以故障脉冲传播网格图作为标识，网格图中电缆一段的脉冲及极性标识和装置记录数据中脉冲组一致，由此可以确认发生电缆出现故障的确切位置。

从脉冲相关性角度分析，第Ⅰ类脉冲的初始脉冲和后续脉冲具有明显的相关特征，其能量幅值呈现周期性衰减。提取采样后的记录数值，取其信号极值，计算信号标幺值。相应得到的电缆故障脉冲信号的衰减周期特性曲线，在脉冲信号的传播过程中可以看出，脉冲信号后续出现了频散。

经过综合分析可以看出，此次35kV 高压电缆出现击穿故障后，产生的故障分量在沿线路传播过程中受到电缆本体、故障点等故障后系统内各参与因素的电气特性的约束，呈现出有限的暂态过程。利用缺陷装置记录下的故障分量的传播过程，可以标定出明显的故障信号的辨识特征。通过关联性分析，可以得到明确的电缆故障位置，从而为高压电缆本体的缺陷分析以及电缆在运行或试验过程中出现的故障定位查找等提供极为有力的现场支撑。

3 结语

此次35kV 交联聚乙烯电缆绝缘耐压测试过程中通过电缆缺陷监测装置记录的故障击穿数据，包含了电缆出现故障后的电气量变化过程，通过对数据特征分析准确判定了电缆故障位置。通过此次耐压测试发现，在电缆试验、运行检验等诸多现场，可针对性地配置相应的电缆缺陷（故障）探测设备对电缆进行辅助性监测，为电缆试验、运行检验等过程提供必要的保障，为故障特征深入研究具有典型的指导意义。