利用電流注入點周圍地表電位分布原理快速查找路燈地下電纜接地故障點

國投云南大朝山水電有限公司 劉成能

引言

隨著城市和電力事業的發展，路燈的使用范圍不斷擴大，路燈的供電線路也越來越長，電力電纜敷設的路徑往往比較隱蔽，為了節約建設成本，部分非城鎮路燈供電線路大都采用地下直埋電纜或地下埋電纜保護管敷設電纜，這種線路運行安全穩定，故障率小。但是一旦發生線路故障，因為線路全部埋在地下，查找故障點極為困難，而且現在的電纜故障測度儀器造價高，操作復雜，查找效果不理想。

我廠在日常處理故障中發現常見的電纜故障一般為電纜接地故障發生的頻率較高。本文根據工作經驗和線路結構，利用電流注入大地時，電流注入點周圍地面電位分布原理得出了一個查找接地故障點的簡易方法。

1 路燈供電線路的結構特征及故障特點

為了節約建設成本，部分非城鎮路燈供電線路采用地下直埋電纜或地下埋電纜保護管敷設電纜，路燈之間的桿一般為30m～40m，故路燈供電電纜上30m～40m就有一個零線和一個相線的抽頭，通過測抽頭可以直接觸及到電纜導線（導體），即在路燈供電電纜上，每隔30m～40m就有一個點能測量到電纜內零線和一根相線與路燈桿體（地表）之間的電壓。

路燈供電支線與干線（電纜）的連接一般采用在電纜上直接“T”接的方式，供電支線與干線（電纜）上“T”接時，需要先剝開電纜上的原絕緣，然后將支線“T”接在電纜芯線上，再恢復絕緣。“T”接頭也是直接埋在地下。因此從整個路燈供電系統上來看，這些“T”接頭是路燈供電系統的薄弱環節，是故障的高發部位，而且我廠在日常處理故障中發現故障的性質一般為電纜接地故障發生的頻率較高。

2 電流注入點周圍地表電位分布原理簡介

為了說明電流注入點周圍地表電位分布原理，先假定電流注入點是一個與地面齊平的半徑為x的半球，四周的土壤電阻率ρ是均勻的，電流I從球中心注入，向四周無窮遠擴散，如圖1所示。在距離球心為x，厚度為dx的這層土壤的電阻dR為：

圖1 半球接地體散流示意圖

當有電流注入時，根據歐姆定理及式（1），可以得到dR上的電壓降du為：

表2 各路燈桿內接線孔內支線線芯對路燈桿的電壓檢測記錄表

從零電位點（無窮遠處）到電流注入點附近任意一點P，對du進行積分，可得到電流注入點周圍任意一點的地表電位UP為:

根據式（3）可以得到電流注入點周圍電位分布如圖2所示，顯然，越靠近電流注入點中心點地表電位UP越高，反之，越遠離電流注入點中心點地表電位UP越低，實驗證明，在距離電流注入點20m以外的地方，地表電位已趨于零。

圖2 電流注入點周圍大地地表點位分布圖

在實際檢測工作中，電流注入中心點的地表電位可近似等于注入電流導體上的電壓UO，故電流注入點周圍任意一點與注入電流導體（電流注入中心點）上的地表電位差UP-O為：

在一次檢測中，當注入電流不變時注入電流導體上的電壓也是固定值，根據式（4）可知越遠離電流注入中心點UP-O逐漸變大，當距離電流注入點20m以外UP-O趨于電流注入點電位UO。

3 路燈地下電纜接地故障點的查找方法

3.1 查找方法的電路原理

根據路燈供電線路的接線特征及電流注入點周圍地表電位分布原理，可以構造出如圖3所示的路燈地下電纜接地故障點的查找原理圖。用交流電源在接地故障電纜的首端與大地之間注入電流I，則故障電纜的接地故障點處就會有電流注入大地，而在電纜接地故障點周圍的地表上即形成了如圖2所示的電位分布情況，在路燈桿內檢測到的支線線芯對路燈桿的電壓即為該點地表與電流注入點（電纜接地故障點）的電位，因此，當檢測到某根路燈桿內的支線線芯對路燈桿的電壓突然降低或接近于零，則可以證明該路燈桿已處于電流注入點（電纜接地故障點）的20m范圍內，也就是可以斷定電纜接地故障點就位于該路燈桿的前后20m范圍內。

圖3 利用電流注入點周圍地表點位分布原理查找路燈地下電纜接地故障點原理接線圖

3.2 查找方法的標準操作步驟

根據以上的論證以及路燈供電線路的結構特征，結合本廠多年的實際路燈供電電纜接地故障點查找的工作經驗，總結出了如下的路燈地下電纜接地故障點查找的標準操作步驟。

步驟一：將故障路燈線路隔離，斷開故障路燈供電電源開關及該電纜上所有路燈桿內的分開關，將路燈供電電纜頭從電源開關上拆開。

步驟二：在故障電路供電電纜首端，檢測電纜內線間及對地的絕緣，進而判斷出接地故障。

步驟三：在故障路燈供電電纜首端，將A、B、C、N四線短接，并加上一安全電壓，電壓一般在6～12V為宜。

步驟四：從電纜首端的第一盞路燈開始，逐一檢測各路燈內支線線芯對路燈桿的電壓，直到發現某盞路燈桿內的電壓突然降低，此時，再向后檢測一盞路燈。

步驟五：根據電壓突變情況判斷故障具體部位。若只是某一盞路燈內支線線芯對路燈桿的電壓降低或接近于零，則接地故障點就在該盞路燈支線與電纜的“T”接頭處或在其附近；若某兩盞路燈內支線線芯對路燈桿的電壓均降低，則接地故障點就在該兩盞路燈之間，且靠近電壓較低的那盞路燈。

4 地下電纜接地故障點查找方法的驗證

某年7月6日本站1#橋至施工局段的路燈供電干線短路故障，該段路燈線上有46盞路燈，全長約1840米，是本站最長的一段路燈線路，以下為使用該檢測方法對該段路燈供電電纜接地故障點進行查找的實施過程：

實施1：斷開故障路燈線路上的所有負荷開關（路燈桿下的開關）以及電源開關（控制箱內的開關），并將故障路燈線路從電源開關上拆開。

實施2：用萬用表分別檢測路燈線路A、B、C、N及地之間的絕緣電阻，其電阻值如表1，根據此絕緣電阻值，判斷出該短路故障為三相短路接地。

表1 路燈線路A、B、C、N及地之間的絕緣電阻記錄表

實施3：將A、B、C、N四根線短接，并在此四根線與地之間加約6V的電壓。

實施4：從首端（包括電源端）開始順序逐一檢測各路燈桿下接線孔內支線線芯對路燈桿的電壓，直到發現電壓突變或消失的路燈桿165#桿（疑似故障點），再向后檢測了164#桿內的電壓，其電壓檢測值如表2。

實施5：分析表2內電壓值，可以判斷出接地故障點可能在165#路燈供電支線與供電電纜的“T”接頭處，后挖開路燈供電線路疑似故障點165#桿前后5m上覆蓋的土石，發現接地故障點剛好在“T”接頭處。

通過本次路燈供電線路接地故障點查找結果，充分驗證了利用電流注入點周圍地表電位分布原理快速查找路燈地下電纜接地故障點的方法準確性高，實用性強，可推廣使用。