船用供電電纜常見故障及其檢測技術分析

付 輝，李金劍

（中船電子科技（三亞）有限公司，海南 三亞 572024）

0 引 言

船舶供電電纜作為船舶供電系統的核心，其故障多發，且檢測難度大，對船用電氣設備的供電穩定性帶來了一定的威脅，甚至會直接影響到船舶航行安全。因此，對于船用供電電纜常見故障及其檢測技術的研究就顯得尤為必要，這也是現階段船舶供電系統技術保障的重點內容之一。

1 船用供電電纜故障易發部位及現象

由于船舶內部環境較為惡劣，如高溫、高濕等，以及船體振動導致的線纜與船體摩擦等相關因素，導致船用供電電纜故障頻發。根據以往經驗，船用供電電纜故障易發部位及對應現象如下。

1.1 輪機艙

輪機艙是船舶內部溫度、濕度條件最為惡劣的艙室，船用供電電纜在輪機艙內部分的絕緣膠皮老化速度加快，并且輪機艙附近部位振動導致供電電纜與穿纜孔、托架等部位出現明顯摩擦而發生膠皮破裂現象，這是引起供電系統短路、失火的重要因素之一。

同時，輪機艙內部存在大功率交流電機，在交流電機工作的過程中，不可避免的存在磁場泄漏的情況，受電磁感應的影響，供電電纜屏蔽層會形成感應電動勢，當感應電動勢達到一定大小后，將出現閃絡擊穿等現象，對整個供電系統的穩定造成影響。

1.2 艙段連接處

船用供電電纜在船艙內部是通過穿纜孔到達各個艙室，根據船體設計與建造要求，船艙分段之間應保持一定的密封性，所以，在穿纜孔處多采取密封措施進行處理。因此，正常情況下供電電纜并不會發生損壞。但是，新造船舶在長時間的航行之后，船體將發生不同程度的形變，對于未預留余量的供電線纜將因此而產生巨大張力。在此情況下，不僅供電電纜絕緣膠皮、屏蔽層存在被撕扯而破損的可能，尤其是電纜內部芯線經過巨大張力的拉扯后即便不出現斷裂的情況，其直徑將不同程度的縮小，由此導致供電電纜質量與可靠性下降，供電電纜出現故障的概率大大增加。

2 船用供電電纜故障原因分析

根據以往經驗，結合船用供電系統的設計原理，船用供電電纜故障主要有局部高壓放電、閃絡擊穿。

2.1 局部高壓放電

所謂局部高壓放電，主要出現在船用高壓電纜上。由于高壓電纜芯線周圍存在的空氣介質具有導電性，當高壓電纜中的電壓達到臨界值后，將出現導電介質被擊穿的現象，這就是局部高壓放電。局部高壓放電是一種持續現象，且主要發生在線纜絕緣層的內部，如果不能及時發現并處理，將導致絕緣層因高壓放電被擊穿，進而導致供電電纜短路等故障，甚至會威脅到人身安全。

2.2 閃絡擊穿

在船用供電電纜敷設過程中，由于空間環境狹窄，供電電纜外部絕緣層會出現不同情況的磨損或破裂；但是，由于絕緣層破裂并未與金屬導電介質直接接觸，以至于在正常情況下供電電纜依然可以正常工作。然而，當供電電纜電壓超過臨界值時，供電電纜破損部位與附近船體（或與船體相連接的金屬導體）之間將發生閃絡擊穿現象，當供電電纜電壓降至正常水平后，閃絡擊穿現象消失。

閃絡擊穿并不會對船用電氣設備造成嚴重的破壞性，但是，由于閃絡擊穿會在一定程度上改變擊穿位置附近接地零位，因此對周圍電氣設備將會產生影響，特別是未采取接地隔離措施的電子設備。

3 船用供電電纜故障檢測技術

在進行船用供電電纜故障處置之前，應當結合以往經驗對船用供電電纜故障頻發部位進行檢測，以加快船用供電電纜故障定位速度，縮短供電電纜故障檢測與處置時間。本文以幾種較為典型的供電電纜故障檢測技術為代表，對相關檢測技術的具體應用進行介紹，具體包括直流電橋法、脈沖電流法、放電聲音定位法、電纜故障在線檢測法。

3.1 直流電橋法

作為電橋法的一種，直流電橋法則是利用雙臂電橋檢測故障電纜中通過直流電流對應的阻值大小，并根據實際電纜的阻值大小確定故障點的具體位置。直流電橋法是一種較為常見且速度較快的檢測技術，其檢測電路設計與方法如下。

3.1.1 供電電纜單相接地故障直流電橋法檢測

電路設計如圖1所示，將直流電橋中的檢測端子與故障電纜相連接，并且在故障電纜的遠端采用跨接短路的方式使搭載直流電橋的供電電纜形成閉合回路，當直流電橋達處于平衡狀態時，則可以測出故障點的實際位置，具體計算公式如下：

其中，Lx為故障點到檢測端的距離；Ra為測量臂電阻；Rm為比例臂電阻；L為供電線纜芯線長度。

圖1 供電電纜單相接地故障檢測電路設計示意圖

3.1.2 供電電纜雙相短路故障直流電橋法檢測

雙相短路故障導致檢測電路中實測電阻小于正常電阻，這是由于檢測電流未經地線構成回路，而是經短路點直接構成回路，為此，可設計如下檢測電路。直流電橋、端與供電線纜分別與故障相、正常相電纜連接，另一故障相則與直流電源正極端相連，當直流電橋達到電流平衡時，電流表G指針穩定在中間位置，此時利用LX=2LRa/Ra+RM計算短路點的具體位置[1-3]。

圖2 供電電路雙相短路故障直流電橋法檢測示意圖

3.2 脈沖電流法

由于閃絡擊穿故障并未形成實質性的接地短路，因此，故障點電阻依然較大，使用低壓脈沖法效果并不明顯。脈沖電流法是利用高壓電流復現故障點閃絡擊穿現象，同時利用測試儀器記錄高壓脈沖電流擊穿時的電流行波變化情況，并計算脈沖電流輸入與擊穿行波信號之間的時間間隔，結合電流在供電電纜中的傳輸速度，最終判定故障點的距離。

脈沖電流法可分為直流高壓閃絡測試與沖擊高壓閃絡測試兩種。直流高壓閃絡測試主要適用于供電電纜前期質量檢驗，屬于預防性閃絡擊穿故障檢測。沖擊高壓閃絡測試則是針對已經發生閃絡擊穿故障的故障電路，且為了降低直流高壓閃絡測試對供電電路及對應故障點電子設備形成的干擾。在適用范圍方面，沖擊高壓閃絡幾乎適用于所有閃絡擊穿故障，并且沖擊高壓閃絡法對供電電路造成的衍生破壞較小，屬于保護性測試的一種。

3.3 放電聲音定位法

船用供電電纜多見于異常放電，針對此類故障，則可以通過特定設備檢測放電產生的聲音進行定位，因此，該方法被稱為放電聲音定位法。相比較其他供電電纜檢測方法，放電聲音定位法能夠解決船用供電線纜較為密集部位的故障定位問題，且定位精度相對較高，在故障監測過程中還需要用到智能電纜故障測試儀。

放電聲音定位法主要適用于供電電纜閃絡擊穿故障，這是由于電纜閃絡擊穿后的放電聲音在頻率、響度等方面有著明顯特征。例如，YJLV22鋁芯鋼帶鎧裝交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜在發生閃絡擊穿后其放電產生的聲信號波形為明顯的余弦信號，且頻率在200～380 Hz，信號持續時間約為7～15 ms，這為復雜聲況環境中的供電電纜故障定位提供了依據。

3.4 電纜故障在線檢測法

船用供電電纜故障的發生將直接影響供電系統中的電壓、電流等相關參數，基于這一現象，可通過監測供電電纜或供電系統中的電壓、電流變化情況實現電纜故障的在線檢測。圖3為船用供電電纜故障在線檢測系統。

圖3 船用供電電纜故障在線檢測系統

通過科學的節點設計，在線檢測系統能夠對相關節點的電流、電壓等數據進行實時分析，并與船用供電電纜常見故障模型進行比對，當在線檢測數據與故障模型高度擬合后，則可以提前發出船用供電電纜故障警報，同時對故障類型與位置進行準確定位，縮短排故時間。

4 結 論

受空間環境影響，船用供電電纜故障檢測應立足于快速、精準。在實際工作中，通過直流電橋法、脈沖電流法、放電聲音定位法、電纜故障在線檢測法等相關技術，來解決供電電纜常見故障。