交聯聚乙烯電力電纜故障分析與定位技術研究

衛建均

（廣東電網公司茂名高州供電局，廣東 高州 525240）

0 前 言

近些年來，我國的電力負荷在持續上漲，尤其是在城市。由于城市的人口較多，現有的空間在不斷減少，必須采取安裝地下電纜的方式向居民輸送電能。而現今的電纜一般是使用在500kV或者低于500kV的交流電壓等級中。依據絕緣材料的性質，可以將電纜分為三種，分別是橡膠絕緣型、油紙絕緣型以及塑料絕緣型。其中交聯聚乙烯電力電纜是塑料絕緣型的電力電纜。交聯聚乙烯電力電纜是在聚乙烯中添加交聯劑后擠壓成形，再利用物理或者化學方法交聯所形成的一種電纜。該類電纜具有較好的電氣性能、較高的絕緣電阻與擊穿電場強度，介質損耗角的正切值比較小，擁有較好的抗老化與耐熱性能，能夠在高溫下工作，具有較大的載流量，能夠在垂直或者落差較大時敷設。因此，交聯聚乙烯電力電纜的應用前景廣闊。但是由于這種電纜數量的增加，使用時間長等因素，導致電纜事故頻頻發生。本文對交聯聚乙烯電力電纜故障進行分析與研究。

1 交聯聚乙烯電力電纜故障分析

1.1 電纜絕緣老化機理

因為敷設交聯聚乙烯電力電纜的實際環境狀況，使得絕緣層內出現水樹，進而導致絕緣性降低。絕緣老化出現的兩個主要原因分別是電氣方面與化學方面。在電氣方面又分兩種情況，即樹老化與游離放電老化［1］。其中游離放電老化是出現在屏蔽層和絕緣層間隙內的游離放電，導致絕緣體被侵蝕，最終出現絕緣老化的情況。而化學老化則是因為電纜所在環境導致的，如果電力電纜鋪設的環境中包含石油化學物質，那么將導致聚氯乙烯護套出現膨脹現象。電纜絕緣受硫化物影響較大，因為硫化物會穿透電纜的絕緣層，和其中的銅導體發生化學反應，產生氧化銅與硫化銅。而在電纜的絕緣層內，氧化銅由內導朝護套蔓延，就好像水樹一般，因此該老化情況又被稱為化學樹。

1.2 電纜故障原因

在內部環境與外部環境的作用下，已經出現老化現象的電纜會出現絕緣被破壞或者擊穿的情況，進而導致故障的產生。電纜故障發生的主要原因有以下幾種:（1）過熱；（2）絕緣受潮；（3）材料有缺陷；（4）直流耐壓試驗；（5）過電壓；（6）設計與制作工藝較差；（7）護層出現腐蝕；（8）機械造成的損傷［2］。

1.3 電纜故障分類

從形式上，電力故障分為并聯故障、串聯故障。發生可能性比較大的故障形式主要有三種，一相斷線并接地、一相對地以及兩相對地等。此外，國外將電力電纜故障分為三大類，分別是短路故障、無損壞故障以及開路故障；而國內同樣將故障分成三類，分別是高阻相間或接地故障、開路斷線故障以及金屬性與低阻接地或相間故障。

2 電力電纜故障定位技術現狀

依據電力電纜的運行情況，交聯聚乙烯電力電纜故障定位技術可以分為在線定位方法與離線定位方法。其中在線定位方法發展速度較快，比如日本研究人員采取脈沖電流法，通過光纖電流互感器掌握電纜發生故障時出現的電流信號，且使用快速A／D技術完成距離的測量。而離線定位方法，國內外比較常見的有二次脈沖法、直流高壓閃絡法、電橋法、沖擊高壓閃絡法以及低壓脈沖法等［3］。

3 GPS和雙端量的電力電纜故障定位原理

在行波定位原理的基礎上，發展了GPS和雙端量的電力電纜故障定位技術。該技術是通過故障浪涌信息朝電力電纜的兩側傳送的時間差異來對故障實行定位的技術，這需要電纜兩側的時間必須保持高度一致。針對時間的基準問題方面，可以利用GPS全球定位系統中的原子鐘加以調整。

3.1 雙端量的電力電纜故障定位原理

（1）交聯聚乙烯電力電纜出現故障之后的行波源。在交聯聚乙烯電力電纜出現事故后，可以采取疊加原理對故障之后的網絡加以研究，也就是類似在發生故障的位置添加一個電壓源。該電壓源與故障點之前的電壓一致，且兩點之間的相位差180°，該電壓源叫做附加電源，用ef表示。在附加電源的協助下，兩側傳送的行波將出現在電纜線路中。

（2）行波的傳送。以下針對交聯聚乙烯電力電纜出現金屬性的接地事故進行分析，在附加電源的協助下，電壓行波與電流行波均將朝電纜的兩側活動，抵達電纜末端位置時因為波阻抗沒有持續進行，行波則會出現發射現象，且在回到故障位置之后再次發射，這類情況持續發生，直到達到故障之后才能穩定［4］。假設電纜兩側的點是M、N，如圖1所示，那么可以將兩處的電壓定為:

圖1 雙端量電力電纜故障定位的原理

式中，TM、TN是故障行波由故障位置運動到電纜兩側M、N的傳送時間；αM、αN是兩點的行波發射系數。

從式（1）、（2）能夠發現，在故障發生之后，有一個行波波頭抵達電纜的兩側，而電流與電壓的行波具體表現完全不一樣。通常情況下，α是負實數，可見當t等于τ時，由于電流行波中的反行波與前行波互相交疊，從而使得電流行波加強，電壓行波變小。由此可見，與之前運用電壓行波定位故障相比，通過電流行波來定位更加靈活。圖2是電流行波的網格示意圖，從圖中發現在故障F位置上，電流行波出現反射現象。必須加以說明，一旦故障位置的接地電阻不是零時，那么就會出現透射。

圖2 電流行波的網格示意圖

（3）計算故障的距離。通過圖2發現，行波抵達電纜兩側時間說明了電纜兩側與故障位置之間的距離。假設第一次行波抵達M、N位置的時間是T1M、T1N，M點到故障位置的距離設為XM，N點到故障位置的距離設為XN，在電纜內電磁波的傳送速度是V，電纜的長度設為L，那么:

通過式 （5）、（6）可以發現，由于行波的速度是150m／μs，因此若得到第一次故障行波抵達電纜兩側的時間，那么就能準確掌握故障的定位。

3.2 分析定位誤差

在電纜中，電磁波的傳送速度是150m／μs。通過式（5）、（6）可以知道，電纜兩側時鐘的計時與同步精度對定位誤差有一定的影響。如果因為時鐘同步精度而造成的定位誤差是δ1，時鐘計時精度而造成的定位誤差是δ2，而最大的定位誤差是δmax，那么:

公式中的v表示電磁波的傳送速度，τ1表示時鐘同步的誤差時間，而τ2表示時鐘計時的誤差時間。

綜上，GPS和雙端量的電力電纜故障定位不但工作原理安全可靠，還極易得到電流行波。此外，由于該技術只需行波中的第一個，因此故障位置的透射波不會對其造成影響，且極易分辨波形的特點，進而能夠快速、準確地掌握電力電纜故障的定位。

4 結束語

總之，在對交聯聚乙烯電力電纜故障進行分析時，不但要注意因為絕緣材料而造成的故障，同時還必須重視直流耐壓試驗對其造成的影響。此外，通過交聯聚乙烯電力電纜運作過程中出現的故障行波，能在線確定電纜故障定位，避免各種麻煩的發生，例如之前的離線測試導致長時間的停電問題，實驗過程中接線復雜的問題。

［1］盧 山.10kV電纜故障點測尋方法和現場應用實例［J］.湖北電力，2011，（01）:30－32.

［2］劉 濤.基于行波原理的電力電纜在線故障定位［J］.農村電氣化，2011，288（05）:42－43.

［3］鄭秀玉，李曉明，丁堅勇.電力電纜故障定位技術綜述［J］.電氣應用，2009，28（22）:82－85.