对电力电缆故障检测的分析

刘晓生

中图分类号：TM247 文献标识码： A 文章编号：

摘要：当今城市10kV中压配电网中，电力电缆以其维护工作量少、稳定性高且有利于城市美化等优点，得到了广泛的应用，目前许多城市电网规划首选电力电缆。但因电缆线路大多较为隐蔽的特点，一旦发生电缆故障，故障点的查找将十分麻烦，如何快速、准确地判定故障性质和故障点位置，及时排除故障是供电部门经常面临的一个重要课题。本文重点介绍利用行波在长线路上传输的理论对电缆故障点进行预定位的几种方法以及这些方法在实际中的应用。

关键词：二(多)次脉冲法；电缆故障；检测；冲击电流法

Abstract: the current urban 10 kV in medium voltage distribution network, power cable with its maintenance, high stability, and less to beautify cities etc, and a wide range of applications, now many of the city grid plan preferred power cables. But for most cable line a more subtle features, once produce cable faults and fault point search would be very troublesome, how to quickly and accurately determine fault properties and fault points, and promptly eliminate the fault is the power supply departments often facing an important issue. This article introduced the traveling wave in the long term by way of transmission theory of cable fault point are a scheduled several methods of these methods and its application in practice.

Keywords: 2 (more) time pulse method; Cable faults; Detection; Impact current method

1电缆故障的分类

10kV电缆故障类型多样，此电压等级的电缆运行要求当然没有110kV的电缆高，其外护套有少许破损仍能安全运行，不能定性为故障。一般而言，10kV电缆故障多见于相间短路、单相短路接地以及多相短路并接地故障。若按故障点的特性阻抗来分，一般可分为低阻故障和高阻故障。低阻故障指故障点的直流电阻为零或不为零但小于电缆特性阻抗10倍的故障（一般认为小于200Ω），高阻故障为直流电阻大于电缆特性阻抗10倍以上的故障，但在实际检测工作中并不要求很严格地区分。

2电缆故障的原因

电力电缆发生故障的原因很多，主要有以下几种主要原因：

（1）机械损伤：包括安装时不小心造成的机械损伤或靠近电缆施工造成的机械损伤，有时如果损伤不严重，要几个月甚至几年才会导致损伤部位彻底击穿形成故障。

（2）长期过负荷运行：过负荷运行电缆的温度会随之上升，导致绝缘层的老化变质，电缆薄弱处首先被击穿，在夏季，此类故障较多。

（3）接头不合格：不合格的电缆接头（包括中间接头和终端头）和不按要求敷设电缆往往是形成电缆故障的主要原因。

3一般的处理程序（如图1）

4常见的电缆故障点寻测方法

4.1传统的方法

早期用电桥法通过调节桥臂平衡所得数据与电缆总长度计算距离测试点与故障点的长度，但此法误差较大。后来基于行波在长线上传输的理论进行研究，发现行波在电缆线路中遇到阻抗不同的点，如故障点时，会产生波反射和折射现象。

设连接点前后两段电缆的波阻抗分别为Z和Z2［Z2=RfZ1（/Rf+Z1）］，入射电压和电流分别为U0、If，折射电压和电流分别为Uq、Iq，它们的关系如表1所示。当电缆某处开路时Z2=∞，短路时Z2=0，脉冲电流的反射波形与发射波形是同相关系。收集到波形便可分析故障点的位置，典型方法有:

（1）低压脉冲法：以低压脉冲测量故障点的反射脉冲与发射脉冲的时间差来计算故障点距离。对于低阻、断线故障比较有效，只要选择的波速度准确，测出的距离也很准确。

（2）脉冲电流法：用高压直流脉冲使故障点击穿，用线性耦合器测量电流击穿时产生的电流脉冲与发射脉冲的时间差来计算故障点距离，这主要对高阻故障，实际中成功率随情况而异，录波仪采集到的波形常常会无法识别，这是一个很大的弊端。

4.2二（多）次脉冲法

针对高阻接地时波形难判断的情况，近几年出现了二次脉冲理论，并在实践中取得良好的效果，如国外进口的SV302100电缆故障探测系统，此系统对低压脉冲、脉冲电流法均可实现。其原理是首先对故障电缆发射一个低压脉冲，脉冲在高阻的故障点由于特性阻抗变化不大，不会产生反射。脉冲在另一侧终端被反射回来后，仪器将这个“完好”波形存储起来。然后对故障点电缆发射一个高压脉冲，故障点被击穿，击穿瞬间变成低阻故障，此时仪器触发一个低压脉冲，低压脉冲在被击穿的故障点处被反射回来。仪器把两次低压脉冲的波形叠加起来，分叉点的位置就是故障点位置。这种方法使操作者很容易判断故障点波形，而且误差很小。原理如图2。系统主要由三个单元组成：IRG———回波测量仪，纪录触发脉冲的情况，根据时间差纪录波形，从而判断故障点距离测试端的距离。SA32———系统耦合通讯单元，发出高频信号侦测电缆故障点是否被击穿的瞬间立即触发低压的二次测量脉冲。SSG———高压冲击发生器，产生高压冲击脉冲，将高阻的故障点击穿。

5实际案例分析

案例1：某年9月，某城市10kV电缆故障。参数：YJV22-8.7/15———3×1202273m

（1）故障判断：用2500V兆欧表测量三相对地绝缘电阻，A=3000MΩ，B=1.3Ω，C=5000MΩ，判断为单相低阻金属性接地。

（2）故障点预定位：选择低压脉冲法测量（电缆故障测试系统SV30），测试波形见附图3，波速v=172μs，图中蓝色为正常相波形，273m处的正脉冲为电缆终端的反射脉冲，黑色为故障相波形，70m处的明显的负脉冲为故障点的反射脉冲，利用正常相和故障波形叠加，故障点之前波形基本重合故障点处有明显的分叉点，得出故障点距离测试端的距离为70m。如图3。

（3）分析：此电缆的故障是由于外单位施工时打接地钢钎打中电缆造成的，由于通过接地网接地，故接地电阻比较小。将钢钎拔除，立刻变成高阻故障，故障点放电声音很大。

案例2：某年3月，某城市电缆故障。参数：YJV22-8.7/15-3×2402958m；

（1）故障判断：测试设备：电缆故障测试系统SV3000，集成三相自动兆欧表LP3根据所测绝缘电阻，判断电缆故障为三相对地高阻故障。

（2）故障点预定位：根据故障类型，选择冲击电流法进行测量SV3000系统），利用高压冲击发生器发出的冲击电流，不断对电缆进行冲击，同时录波仪通过二次耦合记录波形，当电缆故障点被击穿时，故障点的放电脉冲在故障点与电缆测试端来回的反射，于是测出的波形呈周期性的脉冲，取一个测量周期，便是故障点的放电脉冲在故障点处至测试端往返的时间，根据已经设好的波速度，便可得出故障点离测试端距离为905m（波速172m/us），如图4。

（3）分析：这是一起电缆中间接头制作工艺不良引起的故障。

案例3：某年5月，某城市用户专线电缆故障。参数：YJLV2215-3×2401750m；

（1）故障判断：用SV3000系统内置集成三相自动兆欧表LP3，根据所测绝缘电阻，判断电缆故障为三相对地高阻故障。

（2）故障点预定位：选择二次脉冲法进行测量（SV3000系统），在电缆高阻时，发送第一次低压测量脉冲（蓝色线），此时在故障点无反射，在电缆终端有正反射，高压冲击发生器（SSG）发出高压冲击电流，将故障点击穿，此时故障点呈现低阻状态，系统耦合通讯单元(SA32)侦测到这一状态，立即触发二次脉冲单元发出二次测量脉冲，此脉冲在故障点处有明显的负反射，回波测量仪（IRG）将此两个波形记录下来，并在同一界面上叠加显示，于是在明显的分叉处距离测试端280m便是故障点的所在位置（波速172m/us），如图5。

（3）故障分析：此电缆长期过负荷运行，故障点在中间接头处，绝缘熔化。

6精确定点

（1）声测法：利用故障点放电产生的声音，用高灵敏度声电转换器放大成声音、电流信号，通过耳机、仪表显示在电缆线路上确定故障点。此法测出的结果随意性很大，误差大，电缆埋得深时难度大，但设备要求低。

（2）声磁同步法：由于电磁场信号以光速传播，声音传播速度慢，光速与声速差别很大，利用声、磁的接收仪器，在故障点处认为此两信号同时发出，收集到的声、磁信号时间差为零，探测的位置离故障点越远，接受两种信号的时间差越大。先进的仪器还能判别采集到的信号的有效性，在8.7自动计算出响应时间差所对应的距离这种方法在故障点周围环境比较嘈杂或电缆埋设在混凝土下和管道中时特别有效。

7几点经验

（1）所谓高阻、低阻并没有绝对区分，实际操作中可以多尝试几种方法进行比较，综合判断，会有意想不到的效果。比如遇到断线故障，可考虑尝试用低压脉冲法进行故障相与正常相比较，也可针对故障相进行高压冲击采集二次脉冲波形，图6、图7是同一次故mm障采用不同方法时采集的波形，两者均可判断故障点的位置。

（2）使用二次脉冲法粗测，若波形不明显，应该用高压脉冲进行多次充放电，一般为5~10min，在听到放电声清脆后，立即使用二次脉冲法，此时的波形一般較为典型，如还未出现典型波形，可重复几次。

（3）无论使用哪种方法测试波形，若故障点距离测试端太近，均会产生盲区，使得波形难以判断识别，此时可尝试到电缆的另一端进行测试，建议每次查找电缆故障点时最好电缆两侧各测试一次以作对比，这样的成功率较高。

（4）在精确定点时，设备应在距故障点近的一端，这样能量沿电缆衰减较小，便于声磁同步法的定点，快速查出故障点。要充分利用各种试验设备与身体感官。使用声磁同步法时，要在粗测点的±δ％范围内反复进行查找。侦听耳机中声音，要仔细分辨故障点处声音与金属屏蔽层上传输声音的差别，不断比较，才能发现故障点。

（5）根据运行经验：除非有明显的机械损伤痕迹，电力电缆故障大多发生在电缆中间接头处，且大都为不可修复之故障，因此可大胆使用高压冲击发生器（SSG）发出高压冲击电流，将故障点击穿，然后用声磁同步法的定点找故障。为提高检测效率，高压冲击所用的电容建议选用容量较大的，如4uf及以上的效果会比较理想。

（6）为提高电力电缆故障查找效率，建议运行部门必须完善电力电缆运行基础资料，如电缆路径图、电缆线路电子地理分布图及其敷设方式、电缆中间接头分布图及其地理坐标图并做好现场标识。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。