高壓電力電纜故障分析及相關(guān)技術(shù)

王沐雪，王紫葉，陳語柔，楊博俊

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

我國城市化建設(shè)逐漸推進(jìn)，架空輸電線路具有的占地面積過大、存在安全隱患等問題推進(jìn)了電力電纜的應(yīng)用。作為傳輸和分配電能的設(shè)備，電力電纜具有占地少、可靠性高、電能質(zhì)量和利用率高、維護(hù)工作量小以及發(fā)展前景好等優(yōu)勢[1]。

電力電纜的應(yīng)用日益普遍，由電力電纜引起的運(yùn)行故障也隨之而來，并逐漸頻繁。因此，有必要對電力電纜進(jìn)行故障剖析，并找到合適的應(yīng)對措施[2-3]。電力電纜地下埋設(shè)這一特殊性質(zhì)，給故障的發(fā)現(xiàn)與檢修帶來了許多不便，使其耗時(shí)長且需要投入較大的人力物力。在這種情況下，尋求便捷可靠的故障診斷、故障粗測以及精測定點(diǎn)的技術(shù)方法極為重要。因此，本文從電力電纜常見故障及其成因入手，簡述電力電纜故障分析各階段的技術(shù)手段，以期為科研人員提供一定的參考和幫助。

1 電力電纜故障常見類型

1.1 低阻故障

低阻故障是指電纜因?yàn)榻^緣材料受損導(dǎo)致絕緣電阻Rf過小的一類故障[4]。此故障下，絕緣電阻可由低壓脈沖法測量，一般滿足Rf＜10Z0（其中Z0為電纜的波阻抗，常取10～40 Ω）。一般在低壓動(dòng)力電纜和控制電纜上容易出現(xiàn)低阻故障，而短路故障是一種特殊的低阻故障。

1.2 開路故障

開路故障是指電纜由于金屬部分連續(xù)性被破壞而形成斷線的故障[4]。此故障下，絕緣電阻Rf一般為無窮大，滿足規(guī)定要求，但負(fù)載能力差，不能將工作電壓傳輸?shù)浇K端。同時(shí)，故障點(diǎn)的絕緣也會受到不同程度的損害。斷線故障是一種典型的開路故障。

1.3 高阻故障

高阻故障和低阻故障相同，也是由于電纜相間或相對地絕緣受損導(dǎo)致的。但是，此故障下，絕緣電阻Rf較大，超過了10Z0，不能通過低壓脈沖法測量。高阻故障常出現(xiàn)在高壓動(dòng)力電纜上，占其總故障的80%以上。它分為泄露性高阻故障和閃絡(luò)性高阻故障兩大類。

2 電力電纜故障形成原因

本文將日常生活中較常見的電纜故障成因分為4類[5-6]：（1）電纜自身質(zhì)量不佳；（2）電纜施工不當(dāng)；（3）電纜運(yùn)行環(huán)境存在問題；（4）外力引起的機(jī)械損傷。

2.1 電纜自身質(zhì)量不佳

由于技術(shù)成熟，我國常用的中低壓電纜一般不存在設(shè)計(jì)和工藝問題。自身質(zhì)量問題，是導(dǎo)致高壓電力電纜故障的主要原因。由于市場競爭激烈，商家為降低成本，可能并沒有按照規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)制造電力電纜，或者輕視了制造材料的選擇，可能導(dǎo)致最終的產(chǎn)品存在偏心、氣隙、雜質(zhì)或損傷等諸多問題。例如，由于未將絕緣部分包裹好引起的絕緣受損，電纜設(shè)計(jì)中零件未按技術(shù)要求制造導(dǎo)致泄露問題，電纜附屬設(shè)備由于粗制濫造使得其金屬表面不光滑。這些先天不足的電纜一旦投入使用，極有可能造成嚴(yán)重的電力事故，威脅人們的生命安全。

2.2 電纜施工不當(dāng)

在電纜鋪設(shè)過程中，由于施工未按照規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)行，導(dǎo)致在接近電纜處施工時(shí)容易出現(xiàn)電纜表面破損的情況，大大降低了高壓電力電纜的絕緣性。受損電纜投入運(yùn)行后由于所處環(huán)境潮濕，很可能出現(xiàn)內(nèi)部進(jìn)水的情況，導(dǎo)致絕緣因受潮進(jìn)一步劣化，縮短了電纜的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可造成電力系統(tǒng)崩潰，不利于人們的生產(chǎn)生活。

2.3 電纜運(yùn)行環(huán)境存在問題

為了應(yīng)對不斷增加的用電需求，電纜往往長時(shí)間處于超負(fù)荷狀態(tài)。此外，電纜路徑與熱力管道可能出現(xiàn)交叉，會使得電纜運(yùn)行環(huán)境溫度較高。暴露在空氣中的電纜長期處于高溫環(huán)境下，會導(dǎo)致電纜過熱、加快電纜老化使得電纜絕緣性大幅下降，易引起擊穿事故。如果電纜鋪設(shè)路段具有強(qiáng)腐蝕性，電纜表面的保護(hù)層會進(jìn)一步受到侵蝕，出現(xiàn)電纜斷裂而導(dǎo)致短路事故的概率增加，存在極大的安全隱患。

2.4 外力引起的機(jī)械損傷

在電力電纜安裝、運(yùn)輸過程中，可能會使電纜因外力而出現(xiàn)機(jī)械損傷，由此引起的事故超過了電纜總事故的50%。外力引起的電纜機(jī)械損傷一般可分為如下3類：（1）在機(jī)械開挖與人工打樁環(huán)節(jié)，不經(jīng)核對便隨意作業(yè)，導(dǎo)致電纜受損；（2）電纜由于安裝固定不牢，發(fā)生拉扯、摩擦而導(dǎo)致故障發(fā)生，多出現(xiàn)在移動(dòng)設(shè)備上；（3）由于重物碾壓地面引起的電纜錯(cuò)位變形等故障，一般突出表現(xiàn)在直埋電纜上。

3 電力電纜故障分析

電力電纜故障分析主要包括以下3個(gè)步驟：（1）故障診斷，即檢測故障是否存在，辨別正常和故障的電纜芯線，同時(shí)確定故障類型；（2）故障測距，即初步確定故障發(fā)生的距離，為下一步精確定點(diǎn)提供需要的準(zhǔn)確信息；（3）精測定點(diǎn)，在故障測距的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)精準(zhǔn)定位，以便及時(shí)開展檢修。本文主要探討故障測距和精測定點(diǎn)的技術(shù)方法。

3.1 故障測距

3.1.1 離線測距方法

（1）阻抗法。阻抗法是指在選取測量端后，通過測量、計(jì)算測量端到故障點(diǎn)的阻抗，根據(jù)線路參數(shù)列出故障點(diǎn)方程并對其進(jìn)行求解，最終得到故障距離[4]。阻抗法一般建立線路的集中參數(shù)模型，所以原理較為簡單且容易使用。阻抗法的實(shí)現(xiàn)一般通過經(jīng)典電橋法，較為簡單，精度較高，但存在適用范圍小的缺點(diǎn)。伴隨著在線故障測距等技術(shù)的發(fā)展，阻抗法與行波法相比，劣勢愈發(fā)明顯。

（2）行波法。行波法是通過測量行波傳播的時(shí)間來獲得故障位置的方法[4]。它一般包括低壓脈沖反射法、脈沖電壓法、脈沖電流法以及二次脈沖法。低壓脈沖反射法簡單直觀且不依賴于電纜資料，但不能測量高阻故障和閃絡(luò)故障。脈沖電壓法測試速度快，但脈沖電流法對試驗(yàn)儀器和人員更加安全，且脈沖電流信號更易辨認(rèn)。二次脈沖法測量精度高，但儀器更復(fù)雜且測試時(shí)間長，對二次脈沖進(jìn)行控制難度更大。

3.1.2 在線測距方法

在線測距是指將傳統(tǒng)測距原理與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合。現(xiàn)提出的計(jì)算機(jī)技術(shù)主要是地理信息系統(tǒng)，即通過在地理信息系統(tǒng)中錄入電纜的原始資料，在故障測距時(shí)將測量結(jié)果連接上地理信息系統(tǒng)來確定故障點(diǎn)的具體位置。在線測距方法是電纜故障測距的必然發(fā)展趨向，需要完善電纜資料信息與計(jì)算機(jī)軟硬件作為基礎(chǔ)。

3.2 精測定點(diǎn)

3.2.1 聲測定點(diǎn)法

聲測法定點(diǎn)是國內(nèi)目前使用最廣泛的定點(diǎn)方法[7]。它通過給故障電纜施加高幅度沖擊電壓使故障點(diǎn)出現(xiàn)閃絡(luò)放電，從而產(chǎn)生較大的放電聲傳至地表，以實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。在實(shí)際測量過程中，由于無法排除環(huán)境噪聲會給定點(diǎn)帶來困難，提出了聲磁同步法對其進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)?shù)卣癫ㄐ盘柵c電磁波能達(dá)成同步，則此處為故障點(diǎn)。

3.2.2 音頻定點(diǎn)法

當(dāng)電纜發(fā)生相間或相對地短路時(shí)，聲測定點(diǎn)法無法完成定點(diǎn)，此時(shí)可采用音頻定點(diǎn)法[7]。音頻定點(diǎn)法是通過分析故障點(diǎn)前后電纜兩芯線里的電流所產(chǎn)生的磁通變化規(guī)律來實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)確定。但是，實(shí)際應(yīng)用中，由于音頻定點(diǎn)法的結(jié)果影響因素眾多，實(shí)現(xiàn)該方法存在一定難度。

3.2.3 聲磁傳播時(shí)間測量定點(diǎn)法

上面兩種方法在運(yùn)用到實(shí)際測量時(shí)，受限于最強(qiáng)信號的判斷，準(zhǔn)確度與可操作性大打折扣，于是提出了聲磁傳播時(shí)間測量定點(diǎn)法。該方法在沖擊脈沖放電的同時(shí)，在電纜鋪設(shè)路徑所處地面測量聲波從故障點(diǎn)到測量點(diǎn)的傳播時(shí)間，用聲波和電磁波傳播時(shí)間差反映聲波的實(shí)際傳播時(shí)間。最后，通過式（1）計(jì)算得到故障點(diǎn)的位置：

該方法是目前較理想的精測定點(diǎn)方法，可以避免環(huán)境噪聲干擾較大等原因造成的聽覺判斷誤差，較前兩種定點(diǎn)方法優(yōu)勢顯著。

4 結(jié) 論

本文從電力電纜故障的常見類型入手，多角度分析了電力電纜故障形成的原因，簡述了電力電纜故障分析主要包括的三個(gè)內(nèi)容——故障診斷、故障測距與精測定點(diǎn)，并分別敘述了故障測距和精測定點(diǎn)使用的技術(shù)方法及其優(yōu)劣。