电力电缆的故障测距与定点方法探讨

文　旻

摘要：电力电缆作为整个电力系统的重要组成部分，一旦发生故障将直接影响着整个电力系统的安全运行。因此，如何快速、准确地查找电缆故障，减少故障修复费用及停电损失，成为电力工程领域与研究界日益关注的问题。文章分析了电力电缆故障的原因及分类，探讨了电力电缆的故障测距与定点方法，并对电力电缆故障在线监测的发展进行了探讨。

关键词：电力电缆；故障测距；故障定点；在线监测；脉冲

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）15-0014-02

随着我国经济建设的高速发展，我国的城市电网改造工作大力地开展。由于电力电缆应用成本的下降，以及电力电缆自身所具有的供电可靠性高、不受地面、空间建筑物的影响、不受恶劣气候侵害、安全隐蔽耐用等特点，因而获得了越来越广泛的应用。然而，与架空输电线路相比，虽然电力电缆的上述优点却为后期电缆的维护工作特别是故障测距与定位带来了较大的难度，尤其电缆长度相对较短、线路故障不可观测性等特点都决定了电缆线路要求有更精确的故障测距方法。另一方面，电力电缆作为整个电力系统的重要组成部分，一旦发生故障将直接影响着整个电力系统的安全运行，并且如故障发现不及时，则可能导致火灾、大规模停电等较大的事故后果。因此，如何快速、准确地查找电缆故障，减少故障修复费用及停电损失，成为电力工程领域与研究界日益关注的问题。

一、电力电缆故障原因及类型

（一）电力电缆故障原因

随着电缆数量的增多及运行时间的延长，由于电缆绝缘老化特性等因素，故障发生概率大大增加。电缆故障点的查找与测量是通讯和电力供应畅通的有力保障，但是因为电缆线路的隐蔽性、个别运行单位的运行资料不完善以及测试设备的局限性，使电缆故障的查找非常困难。尤其是在狂风、暴雨等恶劣天气中，给故障的查找、维修带来了很大不便。了解电缆故障的原因，对于减少电缆的损坏，快速地判定出故障点是十分重要的。

电缆发生故障的原因是多方面的，常见的几种主要原因包括：

1．机械损伤。主要由于电缆安装敷设时不小心造成的机械损伤或安装后靠近电缆路径作业造成的机械损伤而直接引起的。

2．绝缘老化变质。主要是由于电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热，从而使绝缘炭化。

3．化学腐蚀。电缆路径在有酸碱作业的地区通过，或煤气站的苯蒸汽往往造成电缆铠装和铅（铝）护套大面积长距离被腐蚀。

4．设计和制作工艺不良。拙劣的技工、拙劣的接头，电场分布设计不周密，材料选用不当，不按技术要求敷设电缆往往都是形成电缆故障的重要原因。

5．过电压。过电压主要是指大气过电压（雷击）和电缆内部过电压。

（二）电力电缆故障类型

根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为低阻、高阻、开路与闪络性故障。

1．低电阻接地或短路故障：电缆线路一相导体对地或数相导体对地或数相导体之间的绝缘电阻低于正常阻值较多，电阻值低于10Zc（Zc为电缆线路波阻抗），而导体连续性良好。常见类型有单相接地、两相短路、两相短路接地、三相短路接地等。

2．高电阻接地或短路故障：与低电阻接地或短路故障相似，但区别在于接地或短路的电阻大于10Zc而芯线连接良好。常见类型有单相接地、两相短路、二相短路接地、三相短路接地等。

3．开路故障：电缆各相导体的绝缘电阻符合规定，但导体的连续性试验证明有一相或数相导体不连续，或虽未断开但工作电压不能传输到终端，或虽然终端有电压但负载能力较差。常见类型有单相断线、两相断线、三相断线。

4．闪络故障：低电压时电缆绝缘良好，当电压升高到一定值或在某一较高电压持续一定时间后，绝缘发生瞬时击穿现象。常见类型有单相剐络、两相闪络、三相闪络。

二、电缆故障测距方法分析

根据不同性质的故障，电缆故障的测距采用不同的方法。目前主要有电桥法和根据行波原理发展的低压脉冲反射法、脉冲电压法、脉冲电流法、二次脉冲法。电桥法测试电缆受条件限制较多，对于高阻故障无法进行测试。随着新技术的不断进步，现在现场上电桥法用得越来越少。

（一）低压脉冲反射法

通过计量发射脉冲和故障点反射脉冲之间的时间差△t来测取故障距离。若设脉冲电波在电缆中的传播速度为v，则电缆故障距离S可由下式计算：S=0.5v△t。低压脉冲反射法适于测定电缆的低阻和开路故障，也可用于校对电缆的全长和显示电缆中间接头的位置，还可用于测定电缆的波传播速度，测量准确率较高，应用较广。

（二）脉冲电压法

又称闪测法，是20世纪70年代发展起来的用于测量高阻与闪络性故障的方法。该方法首先将电缆故障点在直流高压（直闪法）或冲击高压（冲闪法）信号下击穿，然后记录下放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间，再根据电波在电缆中的传播速度，就可算出故障点的距离。该方法测试速度快，波形清晰易判。但其接线复杂，分压过大时对人和仪器有危险。

（三）脉冲电流法

这是20世纪80年代初发展起来的一种测试方法，以安全、可靠、接线简单等优点显示了强大的生命力。它与脉冲电压法大致相同，区别只在于：脉冲电流法是通过一线性电流藕合器来测量电缆故障击穿时产生的电流脉冲信号。脉冲电流法也包括直闪法和冲闪法两种类型。直闪法用于测量闪络性高阻故障；而冲闪法主要用于测量泄漏性高阻故障，也可测量闪络性高阻故障。直闪法测量线路中包括：电流耦合器、调压器、高压试验变压器、整流硅堆、储能电容。测量时，调整仪器从0开始给电缆加直流电压，当电压升到一定值时，故障点闪络放电，线性电流耦合器输出第一个电流脉冲。放电脉冲到达故障点后又被反射，折回到仪器端。这一过程不断进行，直到放电过程结束，则故障点到测量端的距离可由此计算出来。冲闪法测量线路中则有一球间隙，用以改变加到电缆上的冲击电压高低和放电间隔时间。测量时从0调节T，当电压增加到某一值时，球间隙G击穿，使电容对电缆芯线放电。当电压信号幅值大于故障点临界击穿电压，则高压信号沿电缆行进到故障点一定的时间后，故障点电离，击穿放电。闪测仪将记录到相应的波形，则故障点到测量端的距离可由此计算出，△t表示相邻两个同极性脉冲（第一个脉冲除外，因为故障点击穿有延时）的时间差。

（四）二次脉冲法

20世纪90年代，国外发明二次脉冲法。它先用高压脉冲将故障点击穿，在故障点起弧后熄弧前，由测试仪器向电缆耦合注入一低压脉冲。此脉冲在故障点闪络处（电弧的电阻值很低）发生短路反射，并记忆在仪器中。电弧熄灭后，测量仪器复发一测量脉冲通过故障处直达电缆末端并发生开路反射，比较两次低压脉冲波形可非常容易地判断故障点（击穿点）位置。二次脉冲法使得电缆高阻故障的测试变得十分简单，是目前电力电缆故障离线测试最先进的基础测试方法。

三、电缆故障定点方法分析

目前，常用的电缆精确定点的方法有声测法、音频感应法和声磁同步法。声测法主要用于高阻故障的精确定点。实际应用中，声测法常因受到电缆故障点环境因素的干扰，如振动噪声大，电缆埋设过深等，造成定点困难。电阻小于10Ω的低阻故障，传统的定点方法是音频感应法。音频感应法是通过人的耳朵对声音信号强弱的分辨来判断故障点的位置，对操作人员的经验要求较高。声磁同步法利用故障点放电同时产生的电磁波和声波确定故障点。通过监测接收到的磁声信号的时间差，可以估计故障点距离探头的位置，比较在电缆两侧接收到脉冲磁场的初始极性，亦可在进行故障定点的同时寻找电缆路径。

四、电缆故障在线监测的发展

随着城网的发展，原有主要依靠定期停电后进行绝缘预防及检测电路的方法已难以满足现实的要求。近年来不少研究者提出了一些新的在线带电检测方法，这些方法对早期发现电力电缆特别是交联聚乙烯电缆存在的绝缘缺陷及老化情况，很有作用。通常有以下几种方法：

（一）直流叠加法

在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源（通常为50V），使该直流电压与运行中电缆的交流电压叠加，检测通过电缆绝缘层的极微弱的直流电流，即可测得整条电缆的绝缘电阻，从而可对电缆的好坏进行判断。直流叠加法的特点是抗干扰能力较强。但绝缘电阻与电缆绝缘剩余寿命的相关性并不好，分散性相当大。绝缘电阻与许多因素有关，即使同一根电缆，也难以仅靠测量其绝缘电阻值来预测其寿命。

（二）直流分量法

通过检测电缆芯线与屏蔽层电流中极微弱的直流成分，对电缆中某一点或某一局部存在的树枝化（水树枝、电树枝）绝缘缺陷进行劣化诊断。直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差。研究表明，这些干扰主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流，因杂散电流及真实的由水树枝引起的电流，均通过直流分量测量装置，以至造成很大误差。可考虑采取旁路杂散电流或在杂散电流回路中串入电容将其阻断等方法。目前国外将用直流分量法测得的值分为大于100nA、1～100nA、小于1nA 三档，分别表明绝缘不良、绝缘有问题需要注意、绝缘良好。

（三）介质损耗因数法

将加于电缆上的电压用电压互感器或分压器取出，将流过绝缘中的工频电流用电流互感器取出，然后在自动平衡回路中检测上述信号的相位差，即可测出电缆绝缘的介质损耗因数

（四）分布式光纤温度传感器

利用分布式光纤温度传感器，通过检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障定位。这种检测技术成本较高，主要应用于新敷设的重要电缆。

五、结语

目前，电力电缆的故障检测主要为离线测试。但是，在线监测具有更为明显的经济效益和社会效益。近年来，电力系统的状态监测得到迅速发展并成为目前国际上的一个研究热点。电力电缆故障的在线监测技术，将成为未来电力电缆故障检测技术的趋势。

参考文献

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作者简介：文旻（1974－），男，湖南湘潭人，供职于中天建设集团浙江安装工程有限公司，研究方向：机电工程。