杭州市房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)實(shí)業(yè)有限公司 繆振邦

1 電力電纜的故障原因

電纜故障的原因：運(yùn)行中的電纜處于外加電壓與自身耐受電壓能力的一對(duì)矛盾之中，電纜故障則來(lái)自矛盾的兩個(gè)方面，根據(jù)電纜絕緣的擊穿機(jī)理，分析各種電纜故障情況，究其主要原因是：

（1）電擊穿：電纜在異常升高的電壓作用下，在絕緣的薄弱處或強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)直接被電場(chǎng)破壞，即形成擊穿。因此無(wú)論是電纜本體還是在電纜中間或中終端接頭處，造成絕緣能力減弱以及電場(chǎng)分布集中的因素都是產(chǎn)生故障的直接原因，如外力破壞、金屬尖端毛刺等。

（2）熱擊穿：運(yùn)行中的電纜，當(dāng)發(fā)熱量大于散熱量時(shí)，若不能再恢復(fù)熱平衡，絕緣溫度將不斷升高，導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)破壞，絕緣能力迅速降低，最后表現(xiàn)為電場(chǎng)作用下的擊穿。

1）主要發(fā)熱因素有：a、通流導(dǎo)體發(fā)熱，如電纜超負(fù)荷運(yùn)行、接頭壓接不好、接觸電阻過(guò)大等。b、絕緣損耗，絕緣材料在電場(chǎng)作用下存在著極化、電導(dǎo)、游離損耗，而絕緣中含有氣泡、水分及其它雜質(zhì)，以及絕緣老化或材質(zhì)不好，都將使損耗明顯增大，導(dǎo)致局部過(guò)熱。

2）散熱因素：主要與環(huán)境溫度和周?chē)浇橛嘘P(guān)。如隧道通風(fēng)不良，電纜排列過(guò)密、敷設(shè)靠近熱管等都不利于散熱。

因此，所有引起發(fā)熱和不利于散熱的因素，也都是產(chǎn)生故障的原因。

（3）老化擊穿：電纜絕緣在電、熱、化學(xué)、機(jī)械等因素的長(zhǎng)期作用下，各種性能將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的劣變，其中絕緣耐受電壓的能力也逐漸降低，表現(xiàn)為壽命的縮短。氣溫、水分在電場(chǎng)作用下形成樹(shù)枝狀放電通道，逐步降低絕緣強(qiáng)度。因此水和氣泡是絕緣老化的重要因素，溫度升高將會(huì)加速老化的發(fā)展。

2 電纜故障的分類(lèi)

電纜故障按照不同要求，有多種分類(lèi)方法，從故障檢測(cè)角度可以分兩類(lèi)。

（1）絕緣損壞導(dǎo)致的直接短路、接地或閃絡(luò)擊穿；（2）纜線斷開(kāi)或不完全斷線。有時(shí)有兩種類(lèi)型同時(shí)發(fā)生的情況。其中，在第一類(lèi)中，因纜線絕緣層的破損導(dǎo)致的短路，一般定義為“低阻”，低阻的直接形式就是導(dǎo)線的直接接觸。如果纜線之間有一般電介質(zhì)隔離，行程的環(huán)路，即為高阻。特例情況，到時(shí)隔離電介質(zhì)的擊穿電壓較低時(shí)就形成閃絡(luò)性高阻。

3 電力電纜故障探測(cè)

電力電纜故障的特點(diǎn)是具有多樣性，尤為突出的具有隱蔽性，表現(xiàn)為：（1）敷于地下難以發(fā)現(xiàn)；（2）高阻故障難以測(cè)量；（3）封閉性故障難以定點(diǎn)。因此探測(cè)電纜故障，合理安排測(cè)試步驟、選擇有效測(cè)量?jī)x器、采用正確的測(cè)量方法將十分重要。

對(duì)電纜故障位置的定位分為粗測(cè)和精測(cè)二個(gè)步驟。粗測(cè)是初步判斷電纜故障位置；通常有“閃絡(luò)法”、“駐波法”、“電橋法”、“脈沖法”、等。精測(cè)則是在粗測(cè)范圍內(nèi)對(duì)電纜故障位置進(jìn)行精確定位。每種方法都具有自己的適用故障類(lèi)型和不同的測(cè)試操作方法，因此也都有各自的特點(diǎn)。

電力電纜的故障查找有以下幾個(gè)步驟：

（1）測(cè)定故障性質(zhì)，不同性質(zhì)故障將采用不同的測(cè)試方法，確定故障性質(zhì)是探測(cè)故障的首要步驟。首先要了解基本情況，除了了解故障電纜的原始資料外，還應(yīng)知道所測(cè)電纜是運(yùn)行電纜還是新敷設(shè)電纜，前者多為單點(diǎn)故障，后者則可能有多點(diǎn)故障；要了解是運(yùn)行擊穿還中試驗(yàn)擊穿，試驗(yàn)擊穿電壓值是多少，前者可能出現(xiàn)低阻或斷線故障，后者則多為高阻性故障。運(yùn)行中的跳閘故障有可能出現(xiàn)斷線，可用萬(wàn)用表做纜芯導(dǎo)通試驗(yàn)來(lái)判斷，斷線故障采用發(fā)送脈沖法測(cè)量。

用兆歐表分別測(cè)三相纜芯對(duì)地絕緣電阻以及三相之間絕緣電阻，以判斷是相對(duì)故障還是間接故障。兆歐表測(cè)量為零值再用萬(wàn)用表測(cè)其絕緣電阻值，作為是否需要進(jìn)行“燒穿”或采用高壓閃絡(luò)測(cè)量的參考。絕緣電阻較低者（＜1KΩ）先用發(fā)送脈沖法測(cè)量，無(wú)法用發(fā)送脈沖法測(cè)量者，采用高壓閃絡(luò)法測(cè)量。

（2）進(jìn)行故障測(cè)距，為尋找隱藏在地下的故障位置，應(yīng)首先得知故障點(diǎn)所在大致區(qū)域，則需要測(cè)出故障點(diǎn)距測(cè)量點(diǎn)的電氣距離——故障測(cè)距。對(duì)于用兆歐表測(cè)電阻值的故障，可先用電橋法或低壓脈沖法進(jìn)行測(cè)距。若測(cè)量無(wú)效，即屬于高阻性故障，應(yīng)改用直接閃絡(luò)法測(cè)量或經(jīng)“燒穿”后再用電橋法測(cè)量。

（3）故障定點(diǎn)，準(zhǔn)確地確定故障的所在位置是故障探測(cè)的最終目的，由于按照所測(cè)故障距離在地面是進(jìn)行丈量或按照資料標(biāo)定進(jìn)行計(jì)算，與地下電纜實(shí)際走徑不完全一致，因此還需要在所測(cè)故障距離附近測(cè)定故障位置——故障定點(diǎn)。對(duì)于非金屬性短路故障可用聲測(cè)法定點(diǎn)；對(duì)于金屬性短路故障用音頻感應(yīng)法測(cè)尋。若電纜走向不清，定點(diǎn)之前需先用路徑儀查尋電纜所走路徑，以減少測(cè)距的丈量誤差，提高定點(diǎn)效率。

4 電橋法故障測(cè)距

電橋測(cè)距簡(jiǎn)單地說(shuō)是通過(guò)所測(cè)纜芯電阻來(lái)間接反映故障距離的經(jīng)典測(cè)距方法，以單相接地故障為例，將故障相纜芯與一好相纜芯末端短接。故障點(diǎn)接地電阻與電源串聯(lián)，跨接于電橋的A、B節(jié)點(diǎn)；接有分流電阻的檢流計(jì)接入電橋C、D節(jié)點(diǎn)。利用電橋平衡橋臂電阻的關(guān)系計(jì)算故障距離。

此種測(cè)量方法因故障相接地電阻串入電源或檢流計(jì)回路，受檢流計(jì)靈敏度所限該電阻將限制流過(guò)檢流計(jì)的電流，減少測(cè)量范圍，產(chǎn)生測(cè)量誤差。若接地電阻值過(guò)大，甚至無(wú)法測(cè)量。因此，用電橋法測(cè)量高阻性故障距離，需要采取必要措施。

（1）用“燒穿”法降低對(duì)地絕緣阻值。

（2）提高電源電壓，增大流過(guò)檢流計(jì)的電流量。

（3）提高檢流計(jì)靈敏度。

電橋測(cè)距的精確度及查尋故障的難易，有賴(lài)于資料的準(zhǔn)確，對(duì)于不同材質(zhì)或截面的電纜，應(yīng)按照資料進(jìn)行等值長(zhǎng)度換算。應(yīng)盡量減少接線引起的測(cè)量誤差，接線的引線電阻值雖遠(yuǎn)小于故障絕緣電阻，但完全可與纜芯電阻值相比較，為減少測(cè)量誤差應(yīng)盡量不要把引線電阻接入橋臂段，而因歸于電源或檢流計(jì)回路，應(yīng)盡量減少接線的接觸電阻。

總的來(lái)說(shuō)，電橋測(cè)距屬于低電壓表態(tài)測(cè)量，干擾小，儀器簡(jiǎn)單，只要注意上述問(wèn)題，測(cè)量精度較高，至今仍在應(yīng)用。由于“燒穿”技術(shù)尚不完善，嚴(yán)重地限制了電橋法對(duì)高阻故障測(cè)距的有效性。

5 脈沖法故障測(cè)距

“脈沖法”即使用電纜故障閃測(cè)儀給故障電纜發(fā)射一個(gè)電脈沖信號(hào)，信號(hào)在電纜中遇到阻抗變化點(diǎn)（如接頭、故障點(diǎn)或終端、分支）時(shí)會(huì)將產(chǎn)生反射脈沖，有原路反饋給電纜故障閃測(cè)儀。由電纜故障閃測(cè)儀記錄發(fā)射電脈沖信號(hào)的時(shí)間和接收到的反饋電脈沖信號(hào)的時(shí)間差，以及信號(hào)在纜線中的傳輸速度常亮，即可確定阻抗變化點(diǎn)的大概位置。具體的計(jì)算公式如下：

式中：

D：反饋點(diǎn)到測(cè)試端的距離；

V：信號(hào)傳輸速度常亮；

T：電信號(hào)傳輸時(shí)間。

由“脈沖法”的特點(diǎn)可以看出，反饋點(diǎn)要有明顯的阻抗變化，以便于產(chǎn)生反饋脈沖，所以此方法用于纜線的“低阻”、“斷路”等故障的測(cè)試。也可以用于測(cè)量電纜長(zhǎng)度和部分接頭位置。脈沖信號(hào)發(fā)生器向故障纜芯發(fā)送重復(fù)窄脈沖信號(hào)，該信號(hào)以波的形式向故障點(diǎn)傳播。斷線故障的故障點(diǎn)可視為開(kāi)路，阻抗值為無(wú)限大；短路故障點(diǎn)阻抗為零值，脈沖波達(dá)到故障點(diǎn)因所遇阻抗突變，分別產(chǎn)生與來(lái)波同極性或反極性反射，沒(méi)有返回測(cè)量端。用“脈沖法”測(cè)試電纜“低阻”和“斷路”故障原理接線圖如圖1所示。測(cè)試后得到的典型測(cè)試波形如圖2所示。

圖1 “脈沖法”測(cè)試電纜故障接線圖

圖2 “脈沖法”測(cè)試電纜故障典型波形圖

電纜波速度與其材料結(jié)構(gòu)有關(guān)，脈沖法故障測(cè)距是根據(jù)電纜自身的屬性，以導(dǎo)線波過(guò)程為測(cè)量原理，以故障點(diǎn)產(chǎn)生波反射為前提條件的測(cè)距方法，通過(guò)對(duì)圖2測(cè)試波形的分析，可以得出以下結(jié)論：

激發(fā)脈沖與反射脈沖為同極性時(shí)為“開(kāi)路”故障，為反極性反射時(shí)為“低阻”。也有可能出現(xiàn)多次反射，旦脈沖幅度有衰減。測(cè)試電纜全長(zhǎng)時(shí)，其終端作開(kāi)路處理，終端反射波形與開(kāi)路故障相同，測(cè)試故障相對(duì)當(dāng)故障點(diǎn)為短路和斷路故障時(shí)不存在終端反射脈沖；其他情況可能存在電纜全長(zhǎng)反射。

6 高智能電纜故障閃測(cè)儀的應(yīng)用

高智能電纜故障閃測(cè)儀屬于微機(jī)智能化電纜故障測(cè)試儀，適用于35KV及以下各種電纜的所有故障。具有測(cè)量斷線、短路、高阻等電氣性故障距離，利用微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化。但在查找電力電纜故障時(shí)還必須與一些高壓試驗(yàn)設(shè)備，如：高壓變壓器、整流硅堆、高壓貯能電容、放電間隙和測(cè)聲儀器等配套使用。

在用高智能電纜故障閃測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，引起高智能電纜故障閃測(cè)儀測(cè)試誤差的主要來(lái)源以下四個(gè)方面：

（1）閃測(cè)儀本身產(chǎn)生的誤差。（一般可以忽略不計(jì)）

（2）電纜的電波傳輸速度V帶來(lái)的測(cè)試誤差。按照儀器產(chǎn)生廠家的產(chǎn)品介紹，傳輸速度V一般最大可引起2%的相對(duì)誤差。

（3）測(cè)試波形的讀數(shù)誤差。

（4）電纜的實(shí)際丈量誤差。

利用高智能電纜故障閃測(cè)儀器，對(duì)電纜故障測(cè)試實(shí)踐中，可方便、快速地找到故障電纜的故障點(diǎn)，但在實(shí)際使用中應(yīng)注意以下二點(diǎn)：

A.電纜故障粗測(cè)時(shí)的測(cè)試誤差不容忽視，特別是介質(zhì)傳輸速度V誤差和讀數(shù)誤差中的t2時(shí)刻的定位誤差是測(cè)試誤差中的主要誤差時(shí)，因此注意積累不同介質(zhì)電纜的傳輸速度V數(shù)據(jù)、積累t2時(shí)刻的定位經(jīng)驗(yàn)非常必要的。

B.熟悉不同故障類(lèi)型的波形也非常必要，因?yàn)閷?duì)不同故障類(lèi)型的波形熟悉，就意味著對(duì)畸變波形判別能力的提高，因而可以不必轉(zhuǎn)移測(cè)試地點(diǎn)。從而可節(jié)約時(shí)間提高勞動(dòng)效率。

7 采用小波變換，行波故障測(cè)距裝置的新技術(shù)應(yīng)用

如何準(zhǔn)確測(cè)定供電線路的故障點(diǎn)，縮短供電搶修時(shí)間，減少停電損失，一直是電力系統(tǒng)運(yùn)行亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的阻抗測(cè)距方法測(cè)距誤差大，適應(yīng)性差。而利用小波變換提起技術(shù)，行波故障測(cè)距裝置新技術(shù)的應(yīng)用是我們能夠期待的事情。

（1）原理：

利用線路故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號(hào)，配合GPS時(shí)鐘，故障行波脈沖到達(dá)端點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差，計(jì)算故障距離。

A.單端測(cè)距：

一般故障：L=（t2-t1）V/2.。L為故障點(diǎn)位置，分別為故障產(chǎn)生行波第一次到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間和其從故障點(diǎn)反射回測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間，v為行波傳播速度。即i3到M點(diǎn)和i1到M點(diǎn)的時(shí)間差。

高阻故障：L1=L-（T2-T1）V/2.。L1為故障點(diǎn)位置，L為線路長(zhǎng)度，T1，T2分別為故障產(chǎn)生行波i2第一次到達(dá)測(cè)量點(diǎn)N的時(shí)間和i1從M端母線折射電流i2到測(cè)量點(diǎn)N的時(shí)間差，v為行波傳播速

L為線路長(zhǎng)度，L1和L2分別為故障點(diǎn)到兩端的距離，T1，T2分別為行波到達(dá)線路兩端時(shí)間，V為行波傳播速度。

（2）技術(shù)難點(diǎn)

A.常規(guī)的阻抗測(cè)距，測(cè)量到的電壓、電流量而計(jì)算出故障回路的阻抗，由于線路長(zhǎng)度與阻抗成正比，從而計(jì)算出故障距離。阻抗測(cè)距忽略線路電容、過(guò)渡電阻、負(fù)荷電流等因素，一般保護(hù)裝置、錄波裝置測(cè)距精度無(wú)法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

B.行波信號(hào)的獲取方法、精確定時(shí)問(wèn)題、數(shù)據(jù)處理方法都會(huì)決定是否成功。

由于以下幾個(gè)方面的不確定性，使精確確定故障行波到達(dá)的時(shí)間和行波傳播的速度成為測(cè)距的關(guān)鍵。故障發(fā)生時(shí)刻不確定，母線接線方式不確定，造成反射波的不確定性，以及故障距離的變化導(dǎo)致行波主頻率的不確定性等。由于初始行波到達(dá)母線后，產(chǎn)生的暫態(tài)行波是一個(gè)突變的、具有奇異性的信號(hào)，單純的頻域分析法，或單純的時(shí)域分析法，都不能精確描述暫態(tài)行波這類(lèi)非平衡變化信號(hào)。

從上面的公式可以看出，時(shí)間確定，V的確定，行波以不同模式傳播，每種模式各頻率分量傳播速度和衰減也不同，當(dāng)距離近時(shí)高頻分量豐富接近光速，距離遠(yuǎn)時(shí)，行波高頻分量減少，以相對(duì)較低速度傳播，行波速度難以確定。T1，T2，V還有線路長(zhǎng)度L都是影響測(cè)量精度的因素。

（3）解決方法

小波變換技術(shù)的應(yīng)用，較好解決了故障波的提取。行波速度300M/US，1us對(duì)應(yīng)150M，GPS可獲得1us以?xún)?nèi)的時(shí)間脈沖。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，高速采樣芯片，提高采樣頻率，集成度大大提高，降低硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜程度；同時(shí)，采用時(shí)分復(fù)用的情況下控制模擬采集通道的切換，實(shí)現(xiàn)了多采集通道的同步采樣。以GPS秒脈沖作為同步輸入信號(hào)，確定每一次數(shù)據(jù)采樣的精確時(shí)間。已經(jīng)能夠很好地解決以上問(wèn)題。高速準(zhǔn)確電線電纜故障檢測(cè)裝置進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)是可期待的。

通過(guò)以上分析，電力電纜的故障檢測(cè)方法有很多，采取什么樣方法迅速準(zhǔn)確的查找故障點(diǎn)，分析故障形成的原因及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況也是非常很重要的。

[1]張學(xué)仁.電力電纜常見(jiàn)故障[J].電氣試驗(yàn),2001(01）.

[2]徐丙垠.電力電纜故障探測(cè)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]王耀亞.電力電纜故障測(cè)距方法研究[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2011(04).

[4]張耀賢.單臂電橋在查找電力電纜低阻故障中的應(yīng)用[J].石化技術(shù),2011(01).