高壓電纜故障分析及其狀態檢測技術

王傳旭

（廣東電網東莞供電局，廣東 東莞 523000）

近年來，高壓電纜在我國電力系統中的應用日益廣泛。據不完全統計，目前我國已投入運行的110kV及以上電壓等級的電力電纜線路已經超過5000條，最高電壓等級已達500kV。對全國主要城市一百多家電力電纜運行維護單位的電力電纜運行狀態進行調查統計和故障原因分析后發現，我國電力電纜故障率仍高出發達國家數倍。電力電纜線路和多數電力設備一樣，投入運行初期（1～5年內）容易發生故障，主要原因是電纜及附件產品質量和敷設安裝工藝的問題；運行中期（5～25年內），電纜本體和附件基本進入穩定期，線路運行故障率較低，故障主要原因是電纜本體絕緣樹枝狀老化擊穿和附件呼吸效應進潮而發生沿面放電；運行后期（25年后），電纜本體絕緣樹枝老化、電-熱老化以及附件材料老化加劇，使電力電纜運行故障率大幅上升[1-2]。

1 電纜故障的分類

電纜故障性質與類別的正確識別與判斷，不僅對于故障點的快速檢出十分重要，而且便于有針對性地對各種狀態檢測技術進行優化配置和選擇，同時也是采取有效措施防范電纜故障的基礎。目前電纜故障通常采用以下幾種方式進行分類。

1.1 按故障部位的分類

根據故障部位劃分，可以將電纜故障分為本體故障、接頭故障、終端頭故障、接地系統故障。

1）電纜本體故障

電纜本體是電纜的核心部件，也是最容易受到破壞的地方，而且由于其距離長，敷設安裝在封閉的空間，出現故障之后也不容易及時排除。工程實踐中，電纜的缺陷和故障很大一部分發生在電纜本體。

機械損傷。這類故障大約占電纜本體故障的一半以上。這類故障對電網影響大，造成的后果比較嚴重。常見的有市政道路施工等直接外力造成的破壞；敷設過程中電纜受力過大或者彎曲過度造成其局部絕緣降低或者電纜鎧裝層斷裂；電纜穿越公路、鐵路及高大建筑物時，由于地面的下沉而使電纜垂直受力變形，導致電纜破裂甚至折斷，或者造成電纜中間接頭內部絕緣降低而導致發生擊穿；由地質災害、低溫等自然力造成的損壞，這個在電纜故障中所占比例較小。

化學損傷。造成電纜過熱的原因主要是電纜的過負荷。電纜溝或者電纜隧道內通風不良，電纜排布不合理，或是電纜周圍介質導熱性能差，以及在熱力管附近敷設電纜或熱電同隧道架設，都將大大縮短電纜的壽命。

過電壓破壞。包括諧振過電壓對電纜的破壞，小電流接地系統對電纜的影響以及雷電過電壓。

電纜自身缺陷。電纜制造過程中，在包纏主絕緣層時出線褶皺或者裂損會造成其絕緣性能降低，電纜鎧裝層不合格也會造成其內部絕緣層或者外絕緣的損壞。當發生單相接地故障時這些受損點就比較容易造成絕緣擊穿。

2）電纜接頭故障

對于長距離供電電纜或者當電纜出現故障修復后，電纜都會產生連接頭，即中間接頭。通常電纜故障的相當一部分為接頭故障，其表現性質各不相同。電纜接頭故障一般都出現在電纜絕緣屏蔽斷口處，因為這里是電應力集中的部位，并且以多相對地泄漏性高阻故障居多數。因制造原因導致電纜接頭故障的原因有應力錐本體制造缺陷、絕緣填充劑問題、密封圈漏油等。

3）電纜終端頭故障

無論電纜長短，肯定存在終始端兩個接頭。電纜終端頭的制作工藝不良，頻繁啟動所產生高次諧波，都可能加速電纜終端頭的絕緣老化。此外還有空載線路合閘時產生的影響，包括自動重合閘和正常的合閘操作，電線路檢修或其他停電后恢復供電。斷路器重合前的電壓為0，在開關合閘空載線路時，由于觸頭間的電位差使間隙擊穿而接通電路，對絕緣產生破壞。

4）電纜接地系統

保護電力電纜線路安全運行的一項重要措施就是接入電力電纜接地系統。電纜接地系統主要由電纜接地箱、接地保護箱（帶護層保護器）、交叉互聯箱、護層保護器等部分構成。最常見的問題是由于箱體密封不良進水從而引起電纜多點接地，導致金屬護層感應電流過大。除此之外護層保護器參數選取不正確，或質量不好的氧化鋅晶體也容易導致護層保護器損壞。

1.2 按故障的性質劃分電纜故障

根據故障點絕緣電阻值的大小，我們可以將電纜故障簡單地分為開路故障、低阻故障和高阻故障[11]。當然我們還可以細分為單相開路故障，相間開路故障。

1）開路故障

電纜相間或相對地的絕緣電阻值處于規定的范圍值之內，但其工作電壓不能傳輸到電纜終端，或雖然終端有電壓，但負載能力較差，這類故障我們稱之為開路故障。

2）低阻、接地故障

電纜相與相之間或相對地之間的絕緣受損，會導致其絕緣電阻減小。而當絕緣電阻過小（小于10倍電纜特性阻抗）時，我們稱之為低阻故障。這類故障可采用低壓脈沖反射法進行測量。

倘若電纜相間或相對地的絕緣電阻明顯低于正常值，但是大于10倍的電纜特性阻抗時，我們稱之為高阻故障。高阻故障一般不能采用低壓脈沖反射法進行測量。根據故障的具體表現性質，高阻故障又可分為泄漏性高阻故障和閃絡性高阻故障。

1.3 其他故障分類方法

此外，還可以根據故障外觀特性分類：外露性故障和封閉性故障；根據故障材料分類：串聯故障（金屬材料缺陷）、并聯故障（絕緣材料缺陷）、復合故障（絕緣材料、金屬材料都出現了缺陷）；根據故障責任分類：人員過失、設備缺陷、自然災害、正常老化、外力損壞、腐蝕、用戶過失及新產品新技術的試用等。

2 高壓電纜故障統計

根據廣東電網某電纜運行單位2002年至2012年10年間其管轄范圍內110kV及以上電壓等級的電纜故障記錄，進行統計分析。期間發生電纜故障總共28起，其中外力破壞15起，電纜本身運行擊穿故障10起，原因不明故障3起，如圖1所示；按照發生部位統計，電纜終端故障5起，接頭故障4起，接地系統2起，電纜本體故障17起，如圖2所示。

圖1 按照故障性質統計

圖2 按照故障部位統計

3 電纜故障原因分析

根據近十年來國內66kV以上電壓等級電纜線路故障記錄，若按照故障的起因進行分類統計，則因外力破壞造成的故障占總數的32.05%，敷設施工工藝不達標占21.24%，電纜及附件設備質量問題占26.64，這些是導致電纜故障的三個主要原因，其他原因占 20.07%[3]。

3.1 電纜設備質量原因

目前高壓電纜制造在原材料及設備工藝方面已經接近成熟，且電纜在出廠前需進行嚴格的交流耐壓試驗，所以由于電纜設備質量出現問題的概率比較小。一般電纜生產過程中容易出現的問題有絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻、絕緣內有雜質、內外屏蔽有突起、交聯度不均勻、電纜受潮、密封不良等。有些情況比較嚴重，可能在竣工試驗中或投運后不久即會出現故障，但是大部分會在電纜系統中以缺陷形式長期存在，對電纜的安全運行造成嚴重隱患。

3.2 設計、敷設施工原因

我國的電纜設計知識主要是在交流和實踐過程中從國際標準和國外廠家學習來的，一些設計院的專業電纜設計部門還在工作中不斷總結改進，電纜設計整體水平仍需提高。已經暴露出來的電纜設計的缺陷包括電纜防震保護措施不足，終端引下線過長，電纜上塔位基礎設計缺陷、終端構架平臺結構設計不穩固等。

電纜尤其是接頭部分對施工環境和施工工藝的要求比較高，而施工現場的溫度、濕度、灰塵等環境條件以及施工人員的技術工藝水平等往往難以滿足要求。因施工質量原因造成的嚴重缺陷一般在投運前的竣工試驗時或投運后一兩年內就會出現故障，而一些小的問題可能就成為長期安全運行的隱患。采用專業的施工隊伍和加強接頭安裝人員的技術工藝水平和質量意識是減少電纜故障的重要保障。

3.3 外部原因

1）外力損傷

這種故障主要由于施工不規范引起的。特別是在高速發展的城市建設中，相當一部分電纜故障都是由于機械外力損傷導致的。比如敷設安裝時不規范施工，容易造成電纜的機械損傷；在直埋電纜上進行市政、土建施工也極易對運行中的電纜造成損傷。

運用SPSS Statistics 19.0軟件進行顯著性差異分析，Microsoft Excel 2007進行數據處理并繪圖。

2）絕緣受潮和化學腐蝕

絕緣受潮和化學腐蝕是電纜故障比較正統的故障原因。它和電纜周圍的環境有關，定期的巡查和環境記錄的統計整理，都有助于減少電纜因受潮和受腐蝕而產生的故障。

3）長期過負荷運行

電纜在超負荷運行時，由于電流的熱效應，負載電流會引起導體過熱，而且電荷的集膚效應和鋼鎧的渦流損耗、絕緣介質損耗也會產生額外的熱量，從而使電纜溫度持續升高。長期超負荷運行時，高溫將會加快絕緣的老化。

4 高壓電纜狀態檢測技術手段分析

當前，高壓電纜的狀態檢測包括各種離線和在線檢測方法，具體可以分為例行巡檢、預防性試驗和診斷性檢測三大部分。其中常規的巡檢項目包括：外觀檢查、帶電測試外護套接地電流；預防性試驗包括：終端溫度檢測、主絕緣絕緣電阻檢測、外護套絕緣電阻檢測、交叉互聯系統試驗、電纜主絕緣交流耐壓試驗[10]；診斷性檢測項目包括：電纜運行溫度監測、局放在線監測、介質損耗在線監測等。除巡視外，其他檢測項目對應的電纜狀態檢測方法如表2所示。

在本文1.1節，我們按照發生位置不同，將電纜故障進行分類，與之相應，電纜各部件也對應不同的狀態檢測方法，見表1。

表1 電纜不同部件對應的狀態檢測方法

在1.2節，我們將電纜故障劃分為開路故障、低阻故障和高阻故障。在工程實踐中，低阻接地、開路等電纜故障常用的檢測方法為電阻電橋法和基于雷達原理的脈沖測距法。高阻類故障的發生率在電力電纜故障中的比例相當高。低阻開路故障等屬于電纜“硬傷”，而高阻故障屬于電纜的“軟傷”。絕緣介質性能雖然有一定程度下降但并非完全損壞。常用的檢測方法主要有：高壓電橋法、直流高壓燒穿法、直流高壓閃絡法、高壓脈沖電流法等。不同的方法在使用時各有優缺點。

表2 電纜檢測項目對應的狀態監測方法

5 高壓電纜故障的防范措施

基于上文對高壓電纜故障類型的劃分和形成原因的分析，筆者認為高壓電纜故障的防范可以從以下幾個方面著手。

1）嚴格把關電纜設備生產質量

電纜運行單位也應加強對生產過程的監督，并執行現場安裝前電纜的質量檢驗。這一措施也有局限性，就是現場只能進行外觀檢驗，無法了解絕緣內部情況。為此，一些電纜運行單位對電纜進行抽樣，送武高所或上纜所進行檢驗，以確保電纜質量。

同時電纜生產廠家也應加強質量管理，提高質量意識，嚴格進行出廠前的試驗和檢驗工作，杜絕不合格產品流入市場。

2）提高施工質量及安裝工藝水平

目前存在一些從事電纜安裝施工的企業和單位不具備高壓電纜施工資質、施工技術水不達標等等問題。因此，電纜運行單位強化電纜施工質量管理，完善對施工單位及人員的專業技能水平的管理考核這一舉措是必要的。

嚴格把關，提高從業人員的專業水平，選擇具有專業資質的施工隊伍，加強電纜接頭安裝人員的技術工藝水平和質量意識，嚴格按照安裝工藝施工，這些都是減少電纜故障的重要途徑[7]。

3）采用新的試驗手段

建議在對交聯電纜做竣工試驗時采用串聯諧振或VLF的方法，也可以采用24h空載運行的方式[10]。交流耐壓試驗用于高壓電纜的竣工驗收時，其擊穿檢出率高達9%左右。

高壓電纜中可能存在的微小缺陷在1h耐壓試驗過程中存在局部放電現象，但不會導致電纜擊穿。局部放電測量有助于查找到這些微小的缺陷。由于局部放電信號在高壓電纜中傳播存在較大的衰減，分布式局部放電測量是高壓電纜現場局部放電測量的可靠保障。因此高壓電纜竣工驗收試驗可以增加分布式局部放電測量。

4）選擇有效的電纜狀態監測方法

在線局放檢測、溫度監測等都是及早發現電纜缺陷、避免故障發生的有效手段[4]。大量的電纜在絕緣劣化和故障早期都表現為局部放電。成熟的局部放電檢測技術的運用，可以有效降低電纜故障率，提高供電可靠性。運行部門應根據實際情況開發或采用相應的監測手段，做到提前預防。

5）加強電纜巡視

制定完善的巡檢制度。電纜線路本身事故很大一部分是由于外力破壞而造成的。線路巡視可以及時有效地發現并排查外力破壞因素。因此須重視電纜線路的巡檢工作，制定相應的巡檢制度，明確巡視任務和周期。

6 結論

本文按照電纜故障部位和故障性質兩種方式將高壓電纜故障進行了歸類，同時分析了故障形成的原因；總結了常規的電纜狀態檢測項目，并針對不同類型的故障提出相應的狀態檢測方法和技術。從電纜故障的部位來看，本體故障占很大一部分；就形成原因而言，電纜設備質量問題，設計不合理、施工工藝不良，外力破壞是造成電纜故障的三個主因；運行巡檢、局放檢測、電纜運行溫度監測是及早發現電纜缺陷、避免故障發生的三種最有效手段。

最后，筆者提出了電纜故障的防范措施，不僅要在生產、設計和施工的源頭把關電纜設備的生產和安裝過程，還要加強運行巡檢。同時各種在線監測技術的運用也可以及早發現缺陷，起到預防電纜故障的作用，對電纜線路的長期安全運行具有重大意義。

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