文　旻

摘要：電力電纜作為整個電力系統(tǒng)的重要組成部分，一旦發(fā)生故障將直接影響著整個電力系統(tǒng)的安全運行。因此，如何快速、準確地查找電纜故障，減少故障修復(fù)費用及停電損失，成為電力工程領(lǐng)域與研究界日益關(guān)注的問題。文章分析了電力電纜故障的原因及分類，探討了電力電纜的故障測距與定點方法，并對電力電纜故障在線監(jiān)測的發(fā)展進行了探討。

關(guān)鍵詞：電力電纜；故障測距；故障定點；在線監(jiān)測；脈沖

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）15-0014-02

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，我國的城市電網(wǎng)改造工作大力地開展。由于電力電纜應(yīng)用成本的下降，以及電力電纜自身所具有的供電可靠性高、不受地面、空間建筑物的影響、不受惡劣氣候侵害、安全隱蔽耐用等特點，因而獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，與架空輸電線路相比，雖然電力電纜的上述優(yōu)點卻為后期電纜的維護工作特別是故障測距與定位帶來了較大的難度，尤其電纜長度相對較短、線路故障不可觀測性等特點都決定了電纜線路要求有更精確的故障測距方法。另一方面，電力電纜作為整個電力系統(tǒng)的重要組成部分，一旦發(fā)生故障將直接影響著整個電力系統(tǒng)的安全運行，并且如故障發(fā)現(xiàn)不及時，則可能導(dǎo)致火災(zāi)、大規(guī)模停電等較大的事故后果。因此，如何快速、準確地查找電纜故障，減少故障修復(fù)費用及停電損失，成為電力工程領(lǐng)域與研究界日益關(guān)注的問題。

一、電力電纜故障原因及類型

（一）電力電纜故障原因

隨著電纜數(shù)量的增多及運行時間的延長，由于電纜絕緣老化特性等因素，故障發(fā)生概率大大增加。電纜故障點的查找與測量是通訊和電力供應(yīng)暢通的有力保障，但是因為電纜線路的隱蔽性、個別運行單位的運行資料不完善以及測試設(shè)備的局限性，使電纜故障的查找非常困難。尤其是在狂風(fēng)、暴雨等惡劣天氣中，給故障的查找、維修帶來了很大不便。了解電纜故障的原因，對于減少電纜的損壞，快速地判定出故障點是十分重要的。

電纜發(fā)生故障的原因是多方面的，常見的幾種主要原因包括：

1．機械損傷。主要由于電纜安裝敷設(shè)時不小心造成的機械損傷或安裝后靠近電纜路徑作業(yè)造成的機械損傷而直接引起的。

2．絕緣老化變質(zhì)。主要是由于電纜絕緣內(nèi)部氣隙游離造成局部過熱，從而使絕緣炭化。

3．化學(xué)腐蝕。電纜路徑在有酸堿作業(yè)的地區(qū)通過，或煤氣站的苯蒸汽往往造成電纜鎧裝和鉛（鋁）護套大面積長距離被腐蝕。

4．設(shè)計和制作工藝不良。拙劣的技工、拙劣的接頭，電場分布設(shè)計不周密，材料選用不當，不按技術(shù)要求敷設(shè)電纜往往都是形成電纜故障的重要原因。

5．過電壓。過電壓主要是指大氣過電壓（雷擊）和電纜內(nèi)部過電壓。

（二）電力電纜故障類型

根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為低阻、高阻、開路與閃絡(luò)性故障。

1．低電阻接地或短路故障：電纜線路一相導(dǎo)體對地或數(shù)相導(dǎo)體對地或數(shù)相導(dǎo)體之間的絕緣電阻低于正常阻值較多，電阻值低于10Zc（Zc為電纜線路波阻抗），而導(dǎo)體連續(xù)性良好。常見類型有單相接地、兩相短路、兩相短路接地、三相短路接地等。

2．高電阻接地或短路故障：與低電阻接地或短路故障相似，但區(qū)別在于接地或短路的電阻大于10Zc而芯線連接良好。常見類型有單相接地、兩相短路、二相短路接地、三相短路接地等。

3．開路故障：電纜各相導(dǎo)體的絕緣電阻符合規(guī)定，但導(dǎo)體的連續(xù)性試驗證明有一相或數(shù)相導(dǎo)體不連續(xù)，或雖未斷開但工作電壓不能傳輸?shù)浇K端，或雖然終端有電壓但負載能力較差。常見類型有單相斷線、兩相斷線、三相斷線。

4．閃絡(luò)故障：低電壓時電纜絕緣良好，當電壓升高到一定值或在某一較高電壓持續(xù)一定時間后，絕緣發(fā)生瞬時擊穿現(xiàn)象。常見類型有單相剮絡(luò)、兩相閃絡(luò)、三相閃絡(luò)。

二、電纜故障測距方法分析

根據(jù)不同性質(zhì)的故障，電纜故障的測距采用不同的方法。目前主要有電橋法和根據(jù)行波原理發(fā)展的低壓脈沖反射法、脈沖電壓法、脈沖電流法、二次脈沖法。電橋法測試電纜受條件限制較多，對于高阻故障無法進行測試。隨著新技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)在現(xiàn)場上電橋法用得越來越少。

（一）低壓脈沖反射法

通過計量發(fā)射脈沖和故障點反射脈沖之間的時間差△t來測取故障距離。若設(shè)脈沖電波在電纜中的傳播速度為v，則電纜故障距離S可由下式計算：S=0.5v△t。低壓脈沖反射法適于測定電纜的低阻和開路故障，也可用于校對電纜的全長和顯示電纜中間接頭的位置，還可用于測定電纜的波傳播速度，測量準確率較高，應(yīng)用較廣。

（二）脈沖電壓法

又稱閃測法，是20世紀70年代發(fā)展起來的用于測量高阻與閃絡(luò)性故障的方法。該方法首先將電纜故障點在直流高壓（直閃法）或沖擊高壓（沖閃法）信號下?lián)舸?，然后記錄下放電脈沖在測量點與故障點往返一次所需的時間，再根據(jù)電波在電纜中的傳播速度，就可算出故障點的距離。該方法測試速度快，波形清晰易判。但其接線復(fù)雜，分壓過大時對人和儀器有危險。

（三）脈沖電流法

這是20世紀80年代初發(fā)展起來的一種測試方法，以安全、可靠、接線簡單等優(yōu)點顯示了強大的生命力。它與脈沖電壓法大致相同，區(qū)別只在于：脈沖電流法是通過一線性電流藕合器來測量電纜故障擊穿時產(chǎn)生的電流脈沖信號。脈沖電流法也包括直閃法和沖閃法兩種類型。直閃法用于測量閃絡(luò)性高阻故障；而沖閃法主要用于測量泄漏性高阻故障，也可測量閃絡(luò)性高阻故障。直閃法測量線路中包括：電流耦合器、調(diào)壓器、高壓試驗變壓器、整流硅堆、儲能電容。測量時，調(diào)整儀器從0開始給電纜加直流電壓，當電壓升到一定值時，故障點閃絡(luò)放電，線性電流耦合器輸出第一個電流脈沖。放電脈沖到達故障點后又被反射，折回到儀器端。這一過程不斷進行，直到放電過程結(jié)束，則故障點到測量端的距離可由此計算出來。沖閃法測量線路中則有一球間隙，用以改變加到電纜上的沖擊電壓高低和放電間隔時間。測量時從0調(diào)節(jié)T，當電壓增加到某一值時，球間隙G擊穿，使電容對電纜芯線放電。當電壓信號幅值大于故障點臨界擊穿電壓，則高壓信號沿電纜行進到故障點一定的時間后，故障點電離，擊穿放電。閃測儀將記錄到相應(yīng)的波形，則故障點到測量端的距離可由此計算出，△t表示相鄰兩個同極性脈沖（第一個脈沖除外，因為故障點擊穿有延時）的時間差。

（四）二次脈沖法

20世紀90年代，國外發(fā)明二次脈沖法。它先用高壓脈沖將故障點擊穿，在故障點起弧后熄弧前，由測試儀器向電纜耦合注入一低壓脈沖。此脈沖在故障點閃絡(luò)處（電弧的電阻值很低）發(fā)生短路反射，并記憶在儀器中。電弧熄滅后，測量儀器復(fù)發(fā)一測量脈沖通過故障處直達電纜末端并發(fā)生開路反射，比較兩次低壓脈沖波形可非常容易地判斷故障點（擊穿點）位置。二次脈沖法使得電纜高阻故障的測試變得十分簡單，是目前電力電纜故障離線測試最先進的基礎(chǔ)測試方法。

三、電纜故障定點方法分析

目前，常用的電纜精確定點的方法有聲測法、音頻感應(yīng)法和聲磁同步法。聲測法主要用于高阻故障的精確定點。實際應(yīng)用中，聲測法常因受到電纜故障點環(huán)境因素的干擾，如振動噪聲大，電纜埋設(shè)過深等，造成定點困難。電阻小于10Ω的低阻故障，傳統(tǒng)的定點方法是音頻感應(yīng)法。音頻感應(yīng)法是通過人的耳朵對聲音信號強弱的分辨來判斷故障點的位置，對操作人員的經(jīng)驗要求較高。聲磁同步法利用故障點放電同時產(chǎn)生的電磁波和聲波確定故障點。通過監(jiān)測接收到的磁聲信號的時間差，可以估計故障點距離探頭的位置，比較在電纜兩側(cè)接收到脈沖磁場的初始極性，亦可在進行故障定點的同時尋找電纜路徑。

四、電纜故障在線監(jiān)測的發(fā)展

隨著城網(wǎng)的發(fā)展，原有主要依靠定期停電后進行絕緣預(yù)防及檢測電路的方法已難以滿足現(xiàn)實的要求。近年來不少研究者提出了一些新的在線帶電檢測方法，這些方法對早期發(fā)現(xiàn)電力電纜特別是交聯(lián)聚乙烯電纜存在的絕緣缺陷及老化情況，很有作用。通常有以下幾種方法：

（一）直流疊加法

在接地的電壓互感器的中性點處加進低壓直流電源（通常為50V），使該直流電壓與運行中電纜的交流電壓疊加，檢測通過電纜絕緣層的極微弱的直流電流，即可測得整條電纜的絕緣電阻，從而可對電纜的好壞進行判斷。直流疊加法的特點是抗干擾能力較強。但絕緣電阻與電纜絕緣剩余壽命的相關(guān)性并不好，分散性相當大。絕緣電阻與許多因素有關(guān)，即使同一根電纜，也難以僅靠測量其絕緣電阻值來預(yù)測其壽命。

（二）直流分量法

通過檢測電纜芯線與屏蔽層電流中極微弱的直流成分，對電纜中某一點或某一局部存在的樹枝化（水樹枝、電樹枝）絕緣缺陷進行劣化診斷。直流分量法測得的電流極微弱，有時也不大穩(wěn)定，微小的干擾電流就會引起很大誤差。研究表明，這些干擾主要來自被測電纜的屏蔽層與大地之間的雜散電流，因雜散電流及真實的由水樹枝引起的電流，均通過直流分量測量裝置，以至造成很大誤差?？煽紤]采取旁路雜散電流或在雜散電流回路中串入電容將其阻斷等方法。目前國外將用直流分量法測得的值分為大于100nA、1～100nA、小于1nA 三檔，分別表明絕緣不良、絕緣有問題需要注意、絕緣良好。

（三）介質(zhì)損耗因數(shù)法

將加于電纜上的電壓用電壓互感器或分壓器取出，將流過絕緣中的工頻電流用電流互感器取出，然后在自動平衡回路中檢測上述信號的相位差，即可測出電纜絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)

（四）分布式光纖溫度傳感器

利用分布式光纖溫度傳感器，通過檢測故障點附近溫度變化情況來實現(xiàn)電纜故障定位。這種檢測技術(shù)成本較高，主要應(yīng)用于新敷設(shè)的重要電纜。

五、結(jié)語

目前，電力電纜的故障檢測主要為離線測試。但是，在線監(jiān)測具有更為明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。近年來，電力系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測得到迅速發(fā)展并成為目前國際上的一個研究熱點。電力電纜故障的在線監(jiān)測技術(shù)，將成為未來電力電纜故障檢測技術(shù)的趨勢。

參考文獻

[1]黃健華．論述電力電纜常見故障的原因及其預(yù)防對策[J]．廣東科技，2008，（20）．

[2]王明．電力電纜常見故障及原因淺析[J]．農(nóng)村電工，2008，（2）．

[3]楊棟．基于行波法的10kV電力電纜故障測距算法的改進研究[J]．電力科學(xué)與工程，2009，（2）．

[4]鹿洪剛．35kV電力電纜在線故障測距仿真研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，（24）．

作者簡介：文旻（1974－），男，湖南湘潭人，供職于中天建設(shè)集團浙江安裝工程有限公司，研究方向：機電工程。