10kV電力電纜故障檢測

劉義平 曹 婷 魏文偉

（1.天津市電力公司路燈處，天津 300151；2.湖北武漢新洲供電公司，武漢 431400；3. 四川省內江電業局，四川 內江 641000）

隨著城市建設的快速發展，電力電纜供電以其安全、可靠、穩定、節約線路走廊且利于城市美化等優點，被城市配電網廣泛采用并逐步取代架空線路。然而由于電力電纜多埋設于地下，運行環境復雜，一旦發生故障，很難盡快的檢測出故障點的確切位置。如果長時間找不到故障點，將影響電力運行的可靠性和安全性，造成時間、物力及人力的極大浪費。如何提高故障檢修效率，及時修復故障電纜，從而保證供電可靠性、提升優質服務水平、踐行優質服務承諾，是供用電部門非常關心的問題。

1 電力電纜故障的原因和分類

1.1 電力電纜故障的原因

1）機械損傷。機械損傷是電纜故障中最常見的，所占比例也最大。主要由于安裝時損傷(劃傷、扭曲、打折等)、外力直接破壞（建筑施工開挖、道路建設開挖、自來水管道開挖等等）、車輛碾壓損傷、土地沉降造成的電纜接頭和導體損傷。

2）絕緣受潮。電纜終端頭或中間接頭密封工藝不良、附件制造質量不合格、金屬護套被異物刺穿或腐蝕破損。

3）電纜接頭故障。電纜接頭是電纜線路中最薄弱的環節，由人員直接過失（施工不良）引發的電纜接頭故障時常發生。如接頭壓接不實、加熱不充分等原因等。

4）絕緣老化變質。電纜在運行中受電、熱、化學、環境等因子的影響，電纜的絕緣都會發生不同程度的老化。

1.2 電力電纜故障的分類

目前電力電纜故障只可涉及三大類故障：導體故障（芯線及金屬屏蔽層）、主絕緣故障和護套故障。但由于電力電纜的種類較多，結構組成不盡一致，加上人們的工作屬性和人們的目的要求不盡相同等原因，使得電纜故障分類方法較多。本文主要結合目前故障檢測技術及故障點電阻值的大小對電纜故障進行分類[1]，其電纜故障示意圖及故障分類表分別如圖1、表1所示。

圖1 故障電纜示意圖

表1 電力電纜故障的分類

2 10kV電力電纜故障點的查找

2.1 電力電纜故障點的查找流程

圖2 電力電纜故障查找流程圖

2.2 電力電纜故障檢測方法

1）電力電纜故障粗測

（1）電橋法。電橋法是電力電纜測距的經典方法，其歷史比較悠久。包括直流電阻電橋法、直流高壓電阻電橋法和電容電橋法等。電阻電橋法只能測試一些單相對地或兩相間絕緣電阻比較低的電纜故障；高壓電橋法主要用于測試阻值大于 10k?而小于兆歐的主絕緣單相接地故障或相間并對地故障；電容電橋法主要測試電纜的開路斷線故障[2]。

電橋法操作相對簡單方便，但需要事先知道電纜的準確長度等原始資料，同時不適用于檢測高阻故障。而實際電力電纜故障中的絕大多數為高阻故障。因為在故障電阻很高的情況下，電橋電流很小，一般靈敏度的儀表難以探測。

（2）行波法。其中包含低壓脈沖法和高壓脈沖法。

①低壓脈沖法。低壓脈沖法主要用于測量電纜的開路、短路和低阻故障的故障距離；同時還可用于測量電纜長度、波速度和識別定位電纜中間頭、T形接頭與終端頭等。

測試原理：從測試端向電纜中輸入一個低壓脈沖信號，該脈沖信號沿著電纜傳播，當遇到電纜中的阻抗不匹配點時，如開路點、短路點、低阻故障點等，會產生反射脈沖。根據反射脈沖和發射脈沖的往返時間差Δt及脈沖傳播速度V，計算故障點的位置。如圖 3、圖 4所示，分別為開路故障測試原理電路、泄漏性故障（低阻故障）測試原理電路圖。

圖3 開路故障測試原理電路

圖4 泄漏性故障（低阻故障）測試原理電路

②高壓脈沖法。高壓脈沖法是利用高壓信號使電纜故障瞬間變成短路或低阻故障，使故障點反射系數接近-1，故障點近乎產生全反射。通常有兩種基本的閃絡法，即直閃法和沖閃法。閃絡法測試電纜故障時，電纜故障點形成的反射波是高電壓脈沖波，不能直接通過儀器進行顯示，通常需要取樣器，將故障點在高電壓作用下形成的高壓脈沖轉換成儀器所需要的低壓脈沖信號。根據取樣方式的不同，又分為電壓法、電流法及電壓感應法[1]，其取樣器原理圖如圖5所示。

圖5 三種取樣器原理圖

其中，R1為分壓電阻、R2為取樣電阻、Lp為電流取樣器、C為儲能電容、B為變壓器。

直流高壓閃絡法（直閃法）：在故障電纜上施加直流電壓，使故障點擊穿房放電，發生閃絡。然后通過記錄測量故障點擊穿產生的電流行波信號在測試端和故障點之間往返一次所需的時間Δt，再根據行波在電纜中的傳輸速度V，就可以計算出故障距離。直閃法主要用于測試電力電纜閃絡性高阻故障，也可用于測試阻值特別高，但與完好相相比阻值較低的泄露性高阻故障。如圖6所示為直閃法測試原理線路。

圖6 直流高壓閃絡法接線原理圖

沖擊高壓閃絡法（沖閃法）：由于直閃法所采用的直流高壓電源的等效內阻比較大，電源輸出功率受到了一定限制，對于絕大多數泄露性高阻故障，直閃法不能進行測試。沖閃法正是利用大容量的充電電容作為直流高壓電源，加到故障電纜使故障點閃絡放電形成瞬間短路。主要用于測試電力電纜的泄露性高阻故障，也可用于測試電力電纜的低阻、開路及閃絡性高阻故障。其測試原理線路與直閃法基本相同，不同的只是在儲能電容與電纜之間串入一球形間隙，如圖7所示為沖閃法測試原理線路。

圖7 沖擊高壓閃絡法接線原理圖

其中，T1為調壓器、T2為高壓試驗變壓器、C為儲能電容器、L為線性電流耦合器、Js為放電間隙。

2）電力電纜故障點精測

（1）聲測法。利用故障點放電時所產生的聲波進行定點，聲音傳感器在電力電纜上方將聲音信號檢測出來，聲音最大的地方為故障點所在的位置，離故障點越遠，振動聲音越小。

（2）聲磁同步法。利用故障點在沖擊電壓作用下閃絡放電時，同時接收故障點放電所產生的電磁波和振動聲波，判斷出所測信號是否由故障點的放電產生來準確的判斷故障點位置。

（3）音頻感應法。在被測電路的一端給電纜的故障相加一定功率的低壓音頻信號，當被測信號傳輸到短路或斷線點后，卻不能繼續沿著電纜傳輸，從而電纜故障點兩邊將有明顯的信號大小變化，如果在電纜路徑的上方通過一接收器探測信號的變化情況，即可確定故障點位置。

同時電纜各項基礎資料的準確性與完整性對提高故障點查找效率也非常重要，如電纜敷設走向、電纜總長度、電纜中間接頭分布等。

3 現場應用實例

3.1 故障電纜基本情況

電纜型號：VLV22-8.7/10kV-3*35mm2

電纜敷設方式：直埋敷設

電纜長度：電纜標注長度為675m，測試長度為673.2m

有無中間接頭：1個

3.2 確定故障電纜并診斷電纜故障性質

用兆歐表及萬用表測量電纜三相對地絕緣電阻，A相對地為∞，B相對地為0.4M?，C相對地為∞；分別通過A相對金屬護層、C相對金屬護層，采用低壓脈沖法測試電纜全長，測試長度為673.2m，與標注長度基本相符，從而確定故障為單相泄露性高阻故障，測試波形如圖8所示。

圖8 低壓脈沖法實測波形

3.3 對電纜故障進行粗測與精確定點

采用沖閃電壓感應法（CVGF），即在使用沖閃法時采用如圖5（c）所示取樣器。工作時，當電容C上的直流電壓足夠高時，球隙Js被瞬間擊穿，產生瞬間脈沖電流和電壓信號，電壓信號由變壓器 B采集并輸出，電流信號由Lp采集并輸出[3]，通過測試儀器接收信號并顯示測試波形。當電壓升到12kV時，故障點形成閃絡放電，閃測儀出現如圖9所示波形，故障點粗測距離為656.6m。

圖9 采用CVGF法實測波形

在粗測距離的基礎上，采用聲磁同步法精確定位。由于故障點距離對端較近，利用同步接收定點儀直接到對端定點，在距離對端約17m處（即距離測試點656.6m處）很清晰的聽到了故障點放電聲音，開挖后故障點就在此處。

故障點確認后，將其在故障點鋸開并作簡單處理，分段進一步用搖表測量電纜對地絕緣低阻，測量結果表明電纜不存在其他故障點。

4 目前電纜故障檢測的新方法

4.1 電纜故障測距的方法

1）實時專家系統

專家系統，即用計算機來模擬專家思維，解決某一領域內的重大問題。文獻[5-6]指出，電纜故障測距專家系統將專家知識庫作為電腦的基本數據庫，用一套規則來維護和更新知識庫。它根據故障定位的三個主要內容把任務分為三個階段：故障診斷、故障預定位、故障精確定點。

2）小波變換應用在電纜故障測距中

小波變換，具有表征特征信號突變特征的能力以及對非平穩信號的良好的處理效果，可以從不同尺度下信號小波變換的結果進行干擾分析和抑制、提取信號故障特征參數，實現故障測距。文獻[7]用小波變換來檢測行波準確到達時間，在輸電線路上已經成功應用。相同的原理也可以用于電纜的故障檢測，但因為電纜的距離比較短又埋于地下，行波傳播過程更為復雜，要達到幾米的精確測距，需要克服更多的困難。

4.2 電纜故障定點的新方法

1）人工神經網絡

人工神經網絡（ANN）是一種新的信息處理理論，是以計算機網絡系統模擬生物神經網絡的智能計算系統。其具有良好的自適應性、自組織性和容錯性，具有較強的學習、記憶、聯想、識別等能力，現已廣泛應用于電力系統中。電纜的故障測距是一種映射關系，即單端與兩端故障電氣量與故障點之間為一一映射關系，這種映射關系受到故障過渡電阻、系統運行方式等多種因素的影響[8]，很難用精確的數學模型來描述，而神經網絡可以避開模型問題，從而為故障測距提供了嶄新的途徑。

2）GPS（全球定位系統）行波故障定位

文獻[9]成功地將全球定位系統（GPS）應用于電纜故障測距，將電纜故障測距技術推進了一步。該系統采用故障浪涌到達電纜兩端的時間差來定位。

3）分布式光纖溫度傳感器（FODT）

文獻[10]利用分布式光纖傳感器，將光纖復合到電纜中，做成光纖復合電纜，通過激光脈沖的注入時間反射光線的到達時間差來計算故障距離，同時通過檢測故障點附近溫度變化情況來實時監測電纜線路運行情況。這種檢測技術成本較高，主要用于新敷設的重要電纜。

5 結論

電力電纜故障的檢測需要理論知識和實踐經驗的結合，掌握絕緣擊穿機理、測試儀器的結構和波形的形成過程來分析故障類型，抓住波形突變拐點進行比較對照，及時準確地查找出故障點并及時修復，提高電力電纜運行的可靠性。同時，在熟悉理論知識并不斷實踐的基礎上多摸索、多總結，使得電纜故障測距、定點方法不斷發展，不斷改進。

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