電力電纜故障與診斷分析

摘要：電力電纜是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，對于電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定可靠運(yùn)行，具有舉足輕重的意義。本文主要介紹了電力電纜常見的故障，對故障原因進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的措施。

關(guān)鍵詞：電力電纜；故障；診斷

一、電力電纜常見故障

（1）接地故障：電纜一芯主絕緣對地?fù)舸┕收稀?/p>

（2）短路故障：電纜兩芯或三芯短路。

（3）斷線故障：電纜一芯或數(shù)芯被故障電流燒斷或受機(jī)械外力拉斷，造成導(dǎo)體完全斷開。

（4）閃絡(luò)性故障：這類故障大多數(shù)在預(yù)防性試驗中發(fā)生，并多出現(xiàn)在電纜中間接頭或終端頭。當(dāng)所加電壓達(dá)到某一數(shù)值時擊穿，電壓低至某一值時絕緣又恢復(fù)。

（5）混合性故障：同時具有上述接地、短路、斷線中兩種以上性質(zhì)的故障稱為混合性故障。

二、故障原因分析

1.過熱過負(fù)荷和接頭發(fā)熱導(dǎo)致絕緣損壞長期滿負(fù)荷或經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行的電纜會出現(xiàn)絕緣老化和明顯的鉛包鼓脹、裂紋與漏油等缺陷，以致發(fā)展為鼓脹。但由于接頭的導(dǎo)體連接工藝或材料不合格造成連接點接觸不良，散熱條件差，即使輸送容量未達(dá)到額定數(shù)值，仍會發(fā)熱以致發(fā)生故障。

2.密封不良導(dǎo)致電纜附件絕緣損壞電纜終端頭和接頭盒密封性能差，引起受潮，因為戶外終端常年經(jīng)受大氣、溫度和干、濕等氣候條件的影響，對密封性非常敏感。一旦水分進(jìn)入電纜頭，逐漸使絕緣受潮，導(dǎo)致絕緣擊穿，甚至爆炸。

3.腐蝕引起受潮導(dǎo)致電纜絕緣損壞

被腐蝕的電纜鉛包通常會有淡黃色或粉紅色粒狀腐蝕物，有腐蝕物的地方就是鉛包穿孔和受潮的通道。在腐蝕孔處，水分侵入鉛包內(nèi)使電纜受潮，絕緣油分解、結(jié)晶，使絕緣性能下降。在電壓、溫度和電場作用下，形成相間或?qū)Φ負(fù)舸┈F(xiàn)象。

4.機(jī)械損傷電纜絕緣

造成電纜的機(jī)械損傷主要有以下幾種原因：

（1）安裝時損傷：在安裝時不小心碰傷電纜，機(jī)械牽引力過大而拉傷電纜，或電纜過度彎曲，超出其彎曲半徑而造成電纜蠕動損傷電纜。

（2）直接受外力損壞：在安裝后電纜路徑上或電纜附近進(jìn)行城建施工，使電纜受到直接的外力損傷。

（3）行駛車輛的震動或沖擊性負(fù)荷會造成地下電纜的鉛（鋁）包裂損。

（4）因自然現(xiàn)象造成的損傷：如中間接頭或終端頭內(nèi)絕緣膠膨脹而脹裂外殼或電纜護(hù)套，因電纜自然行程使裝在管口或支架上的電纜外皮擦傷、土地沉降引起過大拉力，拉斷中間接頭或?qū)w。

5.絕緣老化

常見的老化機(jī)理如下：

（1）局部放電。在電壓的作用下，絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的邊緣發(fā)生非貫穿性放電現(xiàn)象。局部放電能夠存在于電樹枝、孔隙、裂紋、雜質(zhì)界面上。這種放電以僅造成導(dǎo)體間的絕緣局部短接而不形成導(dǎo)電通道為限。每一次局部放電對絕緣介質(zhì)都會有一些影響，當(dāng)局部放電超過一定程度時應(yīng)將設(shè)備退出運(yùn)行，進(jìn)行檢修或更換。

（2）電樹老化。電樹枝是一種出現(xiàn)在電纜中的電裂紋現(xiàn)象，它是在聚合物的局部區(qū)域內(nèi)，由于雜質(zhì)、氣泡等缺陷造成局部電場集中所導(dǎo)致的局部擊穿，并形成樹枝狀放電破壞通道。

（3）化學(xué)樹老化。化工廠的電纜，特別是敷設(shè)在含有硫化物、堿、有機(jī)酸等廢液及地下水中的電纜，或者直埋在含有硫化物環(huán)境中的電纜，當(dāng)硫化物通過電纜的護(hù)套與絕緣層侵入，與導(dǎo)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)晶物質(zhì)析出，形成化學(xué)樹枝化，甚至破壞絕緣造成事故。

（4）熱老化。熱老化是負(fù)荷電流變化及短路電流引起的熱伸縮、材料氧化、熱分解等化學(xué)變化以及硬度變化、龜裂等物理變化引起的老化和絕緣材料性能降低。

6.過電壓導(dǎo)致絕緣擊穿過電壓分外部過電壓和內(nèi)部過電壓兩大類。外部過電壓，又稱雷電過電壓、大氣過電壓。由大氣中的雷云對地面放電而引起，會破壞電纜絕緣，引起短路接地故障。內(nèi)部過電壓是電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式發(fā)生改變而引起的過電壓。這類故障由于纜芯之間或纜芯對外皮間的絕緣破壞而形成短路、接地、閃絡(luò)擊穿等現(xiàn)象。

三、電纜故障診斷

電纜發(fā)生故障后，除電纜終端頭爆炸、外力破壞等故障可以直接觀察到故障點外，一般無法通過巡視發(fā)現(xiàn)，必須使用電纜故障測試設(shè)備進(jìn)行測量，從而確定電纜故障的位置，由于電纜故障類型很多，巡測方法也隨故障性質(zhì)的不同而異。因此在故障尋測工作開始前，須準(zhǔn)確確定電纜故障性質(zhì)。按照故障性質(zhì)，可將運(yùn)行中的電纜故障分為接地故障、短路故障、斷線故障、閃絡(luò)故障及混合型故障。運(yùn)行中的電纜故障性質(zhì)比較復(fù)雜，除發(fā)生接地或短路故障外，還有斷線故障。因此在尋測前，還應(yīng)進(jìn)行電纜導(dǎo)體連續(xù)性的檢查，以確定是否發(fā)生斷線。確定電纜故障的性質(zhì)，一般用搖表和萬用表進(jìn)行測量并做好記錄。

（1）首先在任意一端用搖表測量A-地、B-地、C-地的絕緣電阻值，測量時另外兩相不接地，以判斷是否為接地故障。

（2）測量各相間A-B、B-C、C-A的絕緣電阻，判斷有無相見短路故障。

（3）如果用搖表測得電阻為零時，則應(yīng)用萬用表測出各相對地的絕緣電阻和各相間的絕緣電阻值，以區(qū)分低阻、高阻故障。

（4）如用搖表測得電阻很高，無法確定故障相時應(yīng)對電纜進(jìn)行耐壓試驗，判斷電纜是否存在故障。

（5）因電纜故障有發(fā)生斷線的可能，所以還應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)體連續(xù)性是否完好的檢查。其檢查方法是在一端將A、B、C三相短接（不接地），在另一端用萬用表的低阻檔測量各相間電阻值是否為零，檢查是否完全通路。

例如，某10kV電纜在運(yùn)行中發(fā)生故障，判斷其故障性質(zhì)，首先按照上述步驟測量電纜兩端相對地及相間絕緣電阻，結(jié)果如圖1，并列入表1中。

（a）""""""" （b）

圖1" 相對地及相間絕緣電阻（MΩ）

表1" 電纜絕緣電阻測量記錄

根據(jù)表1數(shù)據(jù)不能說明故障性質(zhì)，需進(jìn)行導(dǎo)體連續(xù)性檢查，如圖2所示。在電纜一端將三相電纜短接，在另一端用萬用表測量相間電阻值，數(shù)據(jù)列入表2。

（a）" （b）

圖2" 導(dǎo)體連續(xù)性檢查

表2" 導(dǎo)體連續(xù)性檢查測量表

綜合上述測試結(jié)果，可得：A相正常；B相斷開，乙端有一低電阻接地故障；C相有一高阻接地故障，但導(dǎo)體完整。有了準(zhǔn)確的電纜故障性質(zhì)判定結(jié)論，便可以選擇合適的儀器，確定尋測方式查找故障點位置。

四、電纜故障點巡測

1.電纜故障初測

根據(jù)儀器和設(shè)備的測試原理，電纜故障初測大致分為電橋法和行波法兩類。本文僅對目前常用的行波法進(jìn)行介紹。行波法可分為低壓脈沖法和閃絡(luò)法兩種。

（1）低壓脈沖法。

圖3" 低壓脈沖法反射原理

對于均勻無損的理想長線，設(shè)長度為L，當(dāng)從一端加電壓或電流波，那么電波便以均勻速度v向另一端傳播，經(jīng)Δt時間后到達(dá)另一端，則有：

L=vΔt"""""""""" （1）

均勻長線中的每一點波阻抗是相等的。在長線中，若某一點的波阻抗發(fā)生變化，電波傳播到該點就發(fā)生折反射現(xiàn)象。用儀器測量電纜故障時，將脈沖在T1時刻加到電纜故障相一端，此脈沖便以速度v向電纜故障點傳播，經(jīng)Δt時間后到達(dá)故障點，并產(chǎn)生反射脈沖，又以相同的速度v經(jīng)Δt時間后在T2時刻返回測量端，假設(shè)故障點到測量端的距離為L，則有：

（2）

對于交聯(lián)聚乙烯電纜v≈172m/μs，因此，只要記錄T1和T2時刻就可以測出測量端到故障點的距離，T1、T2的記錄由儀器自動完成。

（2）閃絡(luò)法。對于高阻故障，由于故障點電阻較大，反射系數(shù)幾近于零，用低壓脈沖法測量時，故障點的發(fā)射脈沖很小或不存在，此時宜采取閃絡(luò)法進(jìn)行測量。在電纜的一端加上直流高壓，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時，電纜被擊穿而形成短路電弧，使故障點電壓瞬間突變到零，產(chǎn)生一個與所加直流負(fù)高壓極性相反的正突跳電壓波在故障點與測量點之間來回反射。常用的閃絡(luò)法有直流高壓閃絡(luò)測量法和沖擊高壓閃絡(luò)測量法。

1）直流高壓閃絡(luò)測量法（直閃法）。由于受到高壓電源輸出功率的限制，直閃法只能測量閃絡(luò)性高阻故障。

2）沖擊高壓閃絡(luò)測量法（沖閃法）。沖閃法接線圖如圖4當(dāng)電源接通后，首先由直流高壓給貯能電容C充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到一定幅值，球隙G被擊穿放電，高壓瞬間加到電纜故障相，并傳向故障點，繼而故障點閃絡(luò)放電，在測量點與故障點之間產(chǎn)生反射波。沖閃法主要用于測量泄露性高阻故障，也可測量閃絡(luò)性高阻故障。

圖4"" 沖閃法接測量線圖

2.電纜故障精確定點

目前常用的方法有沖擊放電聲測法（聲測法）、聲磁信號同步接收定點法、跨步電壓法及主要用于低阻故障定點的音頻感應(yīng)法。我單位常用方法為聲測法。

聲測法是利用直流高壓試驗設(shè)備向電容器充電、儲能。當(dāng)電壓到達(dá)某一值，球間隙擊穿，高壓試驗設(shè)備和電容器上的能量經(jīng)球間隙向電纜故障點放電，產(chǎn)生機(jī)械振動聲波，配合拾音器（或“聽棒”）沿初測確定的范圍加以辨認(rèn)。聲測試驗的接線圖，按故障類型不同有所差別，如圖5所示。

（a）短路（接地）故障

（b）斷線不接地故障

（c）閃絡(luò)故障

圖5" 聲測試驗接線圖

跨步電壓法是目前工程實踐中應(yīng)用最廣和精度最準(zhǔn)的定位方法，其原理如圖6。

圖6nbsp; 跨步電壓法原理圖

1）利用跨步電壓法測尋特殊電纜主絕緣故障

在特殊的情況下，利用跨步電壓法也可對電纜主絕緣故障進(jìn)行精確定位。

對于 110kV 高壓電纜單相接地故障，特別是金屬性接地故障，只要電纜裸露在外面，都可以用跨步電壓法測尋故障點。如圖7所示。

圖7"" 跨步電壓法測量電纜主絕緣故障

測尋的方法是：在故障相與金屬護(hù)套之間，接上可調(diào)的直流電源。該電源能使故障點流過一定的電流。然后，在粗測所得的故障點位置附近，選相互間約距 500mm 的兩點，輕輕撬破一小塊鋼帶（只要露出一點鉛皮即可），擦凈露出的兩小點鉛皮上的瀝清。上述工作完畢后，接通直流電源，直流電流由故障芯線流到故障點，再由故障點經(jīng)電纜鉛皮與大地同時向電纜兩個終端流去。即流經(jīng)鉛皮的電流從故障點處分開，向兩個相反方向流出（見圖7中，I 和 I’）。此時，將檢流計測試端兩表筆接好，牢記“+”、“–”表筆的極性。然后，用表筆測出鉛皮的電位，并使檢流計的指針向正（負(fù)）向偏轉(zhuǎn)。此后，只要正負(fù)表筆不調(diào)換，測鉛皮跨步電位時，若兩表筆均在故障點之前，檢流計的指針始終向正（負(fù)）向偏轉(zhuǎn)；若兩表筆均在故障點之后，檢流計的指針則向負(fù)（正）向偏轉(zhuǎn)；若故障點在兩表筆之間，則檢流計的指針應(yīng)在零位。據(jù)此，便可測出故障點的位置。

五、結(jié)論

綜上所述，電力電纜中容易出現(xiàn)的故障類型及原因有充分的了解，并制定好有序的故障處理步驟，以便在故障發(fā)生后及時、準(zhǔn)確地找到故障位置，并開展電力搶修工作，從而保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。