電力電纜故障的診斷及定位研究

黨振峰

（92325部隊，山西 大同 037036）

0 引 言

電力電纜運行的安全穩定性是實現供電系統安全、穩步運行的重要前提，在功能設計及用戶安全等方面發揮出了極為重要的作用。一旦電力電纜因為纜線安裝工藝、制造缺陷、材料問題及環境惡劣等引發設備出現異常產生電纜故障，將很有可能由此引發相應的停電、漏電及火災等諸多災害情況，嚴重時甚至對供電系統的正常穩定運行造成影響。主要是因為電力電纜本身存在較長的加工周期，材料采購加工較為昂貴，并且進行纜線敷設的環境也相對隱蔽，因此導致后續電纜更換所面臨的的難度及工作量直線攀升[1]。電力電纜在實際運行當中出現故障情況難以避免，因此針對電力電纜故障的診斷和定位就顯得極為重要，而如何快速診斷故障并進行精準定位成為當下研究的主要課題，以下由此展開詳細討論。

1 電力電纜常見故障分類及成因

通常，電力電纜因為纜線安裝工藝技術、制造存在缺陷、使用材料問題及環境惡劣等都將引發設備出現異常，進而產生電纜故障。電力電纜故障對電力系統整體產生較大危害的故障類型主要有4種，其中包括低電阻接地、纜線斷路及有效截面積在內的3種最終將很有可能演變為芯線斷線故障問題。這一故障通常發生于連線內，通過外觀檢查的方式很難真正發現，并且實際查找非常困難，屬于較為常見且修復困難的故障類型[2]。下面將以電力電纜的常見類故障作為本文研究主要內容，期望據此實現快速診斷、定位及修復的目標。

2 電力電纜故障的診斷及步驟

2.1 電力電纜故障的診斷

以上分析了電力電纜故障的成因，而要想實現對電力電纜故障的精準診斷，還需結合電纜路線故障發生的具體部位。通常電纜故障常見于纜線本體、中間接頭及纜線終端頭等位置，然而在實際的運行當中，多數纜線故障產生于中間頭和終端頭位置[3]。并且結合電力電纜故障出現的時間點還可細分為運行和試驗兩種故障類型。通常情況下，結合電力電路故障的性質來進行劃分，可將其分為低阻、斷路、高阻及閃絡幾大性質。其中斷路性質的故障主要是因為電流本身明顯偏大所致，而主絕緣故障則可細分為其他3種性質故障。其中低阻和高阻故障兩者差異主要在于電纜自身的阻抗，在實際檢測當中要求并不會多么嚴格。閃絡性故障是由于電纜故障位置電阻值偏大從而給電纜帶來巨大電壓，最終導致故障位置產生閃絡擊穿問題[4]。

2.2 電力電纜故障的診斷及步驟

2.2.1 故障類型判定

首先需從設備及接線端子處拆下明顯故障電纜，然后可采用萬用表和絕緣搖表來分類測定芯線及金屬護套間的絕緣電阻值。以電纜芯線故障為例，在進行芯線故障判定時，可遵循以下方面步驟來實現精準的故障定位效果。

2.2.2 電纜芯線的故障精準定位

（1）測試方法及設備選擇。在進行測試方法及設備的選擇時，需考慮電纜的高低壓值，比如選取低壓電纜進行測試時，由于電纜本身絕緣耐壓值偏低，因此采取高壓檢測的方式（高壓脈沖法）則必然將由此損壞電力電纜本身的絕緣屬性，而選用紅外測溫法又不適用于暗敷設的環境。因此，為了能夠切實保障相關測試人員的自身安全性，需盡可能得選取具備良好接地及防觸電功能的設備展開測試，并且在進行設備選取時，要求必須嚴格依照現場的條件展開綜合考量[5]。

測試可選用1～2 kVA的單相雙線圈調壓器加以實施，過程中的T用于提供低壓（30 V）交流電源，而測試電壓則選取0～30 V、0.5級的交流電壓，相應的電流表要求充分結合電纜自身長度與截面積來核算最大電容電流。具體的測試原理如圖1所示。

圖1 電纜芯線測試原理

（2）測試、計算的步驟。選取萬用表的歐姆檔及絕緣搖表可對纜線芯線及金屬護套間的情況進行測試，主要是明確其相互間是否存在短路，由此來保障電源的安全性。在電源接通后，可通過纜線首端來測試芯線間及金屬護套間的電流（Iab、Iac、Ibc、Iae、Ibe、Ice）數值。測試過程中，需注意保持好電壓表的準確讀數情況。

可以將所測試的數據進行組別劃分，A組為Iab、Iac、Ibc，B 組為Iae、Ibe、Ice，由此來促使兩組數據展開比對分析，重點分析其中偏小的數據，從而明確其斷線相線。

為了保障整個測試過程的精確度，需盡可能地控制測試工作所帶來的數據差[6]。因此，建議在電纜線的末端位置再次測試，同步做好相應的測試記錄。最后在此基礎上進行數據對比，定位故障點最近端位置，從而縮短測量長度，減輕工作量。

根據歐姆定律和電容器X的電抗測量公式，具體如下：

將A、B兩組的測試結果代入式（1）和式（2）則：

從式（3）可知，明確電源與電纜線后，括號內數值要求維持不變，同時維持電壓測量不動情況下，相應的電容電流量大小需和電纜芯線的長度值密切相關。

在此基礎上設定纜線長度為L，其芯線斷點距離測量段長度設定為x，則：

結合以上測試數據，可準確診斷及定位開路故障點。總之，以上為電力電纜芯線斷路故障的分析診斷及點位定位的經驗總結，主要是從量化的角度來診斷和查找纜線故障點，由此保障電力系統的安全、穩定運行。在實際處理此類纜線故障的過程中，需充分考慮接頭存在的余量問題，由此才能保證定位更加精準。并且在實際故障處理當中，通常纜線因未受外力影響，所以其斷點多發于電纜的接口位置。

3 電力電纜的故障定位方法選擇

電力電纜故障復雜多樣，故障點的特殊性將對電纜故障的定位和判斷造成一定影響，為此就必須采取相應的故障定位方法來進行準確定位及判斷[7]。當前常用的故障定位方法及適用范圍總結如表1所示。

表1 常用故障定位法及適用范圍

3.1 交流電容電橋法定位

通過設定電力電纜橫截面、芯線與金屬護套間的金屬面和絕緣層厚度等，構成電容器的基礎條件。結合電容器定義，當電容器電容量C和電容金屬極板相對面積A以及極板間的電介質常數呈正比時，兩極板的距離隨之呈反比，具體公式為：

結合式（6），電纜纜線的電容量為：

式中，W表示電纜芯線之間相對寬度；L表示電纜的總長度；d1表示電纜芯線間相對距離值。

由此分析可知，電纜本身的電容量數值本身和纜線的材料及組成結構形式密切相關。在最終確定電纜線型號后，相應絕緣材料的電介質常數、結構型式的纜線寬高度、相間距離以及纜線的電容量等與纜線長度達成線性關系。

電纜的電容僅與電纜的材料和結構有關。確定電纜的類型后就可以完全確定絕緣材料（介電常數），結構的類型（導線的寬度、高度及相間距離），這和電纜的電容僅與導線的長度成線性關系有關。經過測試后可以看到，電纜芯和金屬護套之間存在電容效應[8]。

3.2 低壓脈沖定位

低壓脈沖定位法較為適用于低阻短路或者接地性和斷線性故障定位中，其具體原理是發射低壓脈沖，通過脈沖沿纜線進行傳播，由此明確阻抗不匹配點，短路點和故障點都將反射脈沖，由此反向回送至測試點儀器，并生成相應的記錄。結合波形發射脈沖和反射脈沖兩者時間差乘以脈沖沿線傳播速度，可由此得出電力電纜的實際故障距離。具體計算公式如下：

式中，Lx表示電纜纜線長度；v表示波形速度；tx表示脈沖往返時間；v/2表示波速總數值的1/2。在具體操作中可來回發射測試儀記錄波，并由此記錄好傳播時間。整個過程主要與脈沖波通過介質傳播的速度和介質材料密切相關，因此在進行測試工作時要求選取相應介質材料的波速度，由此才能不斷縮小策略結果的誤差值，最終取得準確的結果。

3.3 跨步電壓定位

跨步電壓法主要適用于單相或者多項短路及接地故障方面，同時也適用于外護套故障方面。所需儀器設備主要包含電纜保護層故障定位電源和跨步電壓指示器等。在實際操作當中，其原理主要在于故障相和地之間，再結合負極直流電源，直接由故障點流入至土壤，最終電流將在土壤表面形成漏斗電位分布，由此可采用探棒來找尋土壤當中電勢最低點[9]。在測試當中，一旦儀表的指針轉向右側時，則探向右方尋找，其他方向也是如此。最終將由此逐漸縮小故障距離，直到指針直立正中間位置。這一定位方法在具體操作上首先是將目標電纜加脈沖電源，促使其升壓至3～5 kV，其次將跨步電壓指示器與探棒連接，并將功能鍵直接旋至跨步及最大靈敏度，與探棒相隔2 m左右[10]。最后在故障點初測位置將探棒插入土壤中，選擇適合靈敏度后仔細觀察指針的具體動向，如果指針向著“+”的方向規律擺動，說明故障點處于指針擺動方向，只需繼續移動，直至指針電壓向“-”擺動，由此進行指針調節，促使跨步電壓歸0，兩者中心位置即為故障點位置。

4 結 論

近年來，我國電力電纜故障診斷及定位水平持續攀升，但是相比其他電力設施故障問題，電力電纜的故障多種多樣且成因復雜，在診斷和定位上存在一定困難。因此就必須采取有效的檢測方法，同時采用先進性的測量儀器及檢測設備，由此才能更為精準、迅速地定位故障點位置，從而為及時的故障處理爭取寶貴時間。