電力電纜故障定位方法研究

北方工業大學 張浩然 中國大唐集團科學技術研究院有限公司火力發電技術研究院 金 辰

1 電纜常見故障分析

外力造成的電纜損傷。電力電纜損壞往往是在外力作用下形成的，如運輸過程中電纜相互擠壓導致變形；電纜敷設過程中由于操作不符合規范導致被尖角、鐵釘、臺階凸起等尖銳物劃傷或由于過度彎曲而損傷電纜；電纜敷設后電纜路徑上進行土建施工過程中造成電纜損傷。自然現象也會造成電纜受到外力損傷，如土地沉降使電纜受到過大拉力，造成中間接頭斷裂；土地中酸堿物質對電纜外護套的過度腐蝕也會引起電纜外護套出現麻點、穿孔或開裂，造成電纜損傷。

傳輸電壓超負荷造成的電纜損傷。電力電纜自身所運用的材料有著相應的絕緣等級，如出現了很大的過電壓如對地短路、雷擊等事故，電纜絕緣層就可能出現被燒壞擊穿的問題；電纜制造中的工藝和設計問題。電力電纜在設計制造中，鉛(鋁)護層容易留下破口等缺陷。絕緣包裹過程中，紙絕緣也容易出現破損、褶皺和間隙重疊等缺陷。電纜的附件制造中會出現鑄鐵件砂眼，瓷件機械強度不夠和組裝密封性不嚴等缺陷。電纜中間接頭和終端的制造過程中會出現防水和電場分布的設計缺陷或制造工藝問題，容易導致后期運行中發生故障。

絕緣老化與受潮。電纜絕緣老化的一個重要原因是電纜絕緣介質內部存在氣隙，氣隙在絕緣介質電離時會產生臭氧、硝酸等化學生成物，腐蝕絕緣、加速絕緣老化。電纜絕緣異常老化另一主因是過熱，電纜運行溫度每提升八度，電纜故障率會增加一倍。絕緣受潮也是電纜故障的一大誘因，造成電纜受潮的主要原因有：中間接頭盒或終端終端接頭結構不密封或安裝不良而導致進水，電纜敷設時金屬護套被外物刺傷或運行中被腐蝕穿孔、水從小孔或裂縫浸入電纜導致受潮。

2 電力電纜故障查找方法

發生故障的電纜定位前應先判斷電纜故障類型，踏看故障電纜全程，全面掌握電纜資料并詳細記錄，如電纜品種、長度的敷設狀況路徑，電纜的接頭數量和位置、運行時間故障歷史記錄、周圍的施工狀況等，盡可能畫出方位圖并拍照記。再根據儀器和設備的測試原理采取相應的定位方法。

2.1 電力電纜基本結構

電力電纜的基本結構由線芯、絕緣層、屏蔽層和保護層四部分組成，如圖1所示。線芯是電力電纜輸送電能的導體部分。絕緣層是線芯與外部的電氣隔離。屏蔽層的作用是屏蔽電磁場。電纜運行中屏蔽層會形成感應電壓，電壓大小與電纜長度成正比，長距離電纜上的感應電壓可達到危及人身安全的程度，所以電纜運行中屏蔽層需要接地。35kV以上高壓單芯電纜通常采用一端接地的方式，長距離線路可采用中點接地和交叉互聯方式。35kV及以下電壓等級三芯電纜多采用兩端接地方式，電纜運行中流過三個線芯的電流總和為零，在屏蔽層外基本沒有磁鏈，屏蔽層兩端基本沒有感應電壓。保護層的作用是避免電力電纜免受外界雜質和水分的侵入，防止外力損壞電力電纜。

圖1 電力電纜基本結構圖

2.2 電纜故障粗定位

目前電纜粗定位的方法主要有波反射法、高壓電橋法和電壓降法。波反射法利用脈沖波的傳播及反射時間來計算距離，對于擊穿、斷線類故障均可使用，但其波特性差，在交叉互聯結構中傳播較為困難，且對于穩定性高阻故障難以定位；高壓電橋法利用電纜導體或金屬屏蔽電阻均勻的特點，通過電橋原理得到故障點的位置比例，靈敏度高、使用原理簡單，可直接定位高阻故障，但無法定位斷線故障，需借用輔助電纜，單芯電纜也可能因干擾無法定位；電壓降法利用電纜導體或金屬屏蔽電阻勻、甚至可知的特點，測量通過故障段電流引起的電壓降，進而計算故障位置比例或長度，該方法特別適合于高壓長電纜的故障定位，但由于定位時電流較大，可能會燒穿外屏蔽或護套，造成更大面積的絕緣損傷。

利用Murray電橋對擊穿點定位是經典的辦法，方便而準確。電橋法的依據是線芯（或屏蔽層）電阻均勻，與長度成比例（圖2）。鋼帶鎧裝三芯電力電纜，長度為L、B相線芯對鋼帶在L1處擊穿。借助于A相作為輔助線，使用低阻值連線短路N、Y兩端。L1段電纜線芯電阻為R1，L2段電纜及A相電纜線芯的電阻為R2。與定位電橋構成Murray電橋回路（圖3）。

圖2 電橋法接線示意圖

圖3 電橋法電路原理圖

圖4 跨步電壓法的接線及電位分布示意圖

根據原理圖，當電橋平衡后可得式1、式2，其中L1+L2=L，P為電橋刻度盤度數。根據式（2）可得故障點位置L1=2×L×P，由此可見，只要電橋有一定的靈敏度并能平衡，電橋法定位簡單而精確。

2.3 電纜故障精定位

精確定點的原理，是利用脈沖放電設備（俗稱電錘）在故障電纜端部施加高壓脈沖，傳導至故障點形成放電，用定點儀在預計故障點位置測量聲音和磁場的分布、磁場和聲波的時間差。對于高阻故障、閃絡型故障、低阻故障、斷線故障和混合故障，一般在現場采用高壓脈沖聲磁同步法進行精定位。通過合理調節脈沖輸出和聲波增益，聽聲音最大位置為故障點附近，再通過測試聲磁時間差確定數值最小位置為故障點。

對于電纜故障點處護層保護破損的開放性故障一般采用跨步電壓法，圖4中故障點處是裸露對大地的，當把A’和B’兩點的接地線解開后，從A端對電纜打壓，那么在故障點的大地上就會出現喇叭型電壓分布，用高靈敏度的電壓表在大地表面測兩點間的電壓，在故障點附近就會產生電壓變化。在電壓表插到地表上的探針前后位置不變的情況下，在故障點前后表針的搖動方向是不同的，根據電壓表針的擺動方向得出故障點所在位置的方向。

3 典型案例

華北區域某熱電廠在2號機停電檢修時，對GIS至變壓器間三相電纜進行絕緣電阻測試，試驗結果顯示C相電纜外護套絕緣電阻值為0.03MΩ/km，低于DL/T1253-2013《電力電纜線路運行規程》中關于絕緣電阻值的相關要求，初步懷疑外護套絕緣受損。技術人員前往現場進行故障分析。

首先通過復測絕緣電阻值，排除電纜因受潮或儀器接觸不良產生的干擾，確認故障點依然存在；接著使用儀器對外護套進行直流耐壓測試，確認外護套絕緣約為700V左右且泄漏電流較大，判斷為低阻故障；之后使用儀器對故障進行定位，利用電橋法初步定位故障點位于GIS側620米左右。通過實地勘探大致確定為C相電纜中間接頭處，在其附近利用跨步電壓法進行精定位，確定故障點為電纜接頭防爆房中；最終在C相電纜中間接頭的表面上方，發現由于電纜分支上的緊固螺絲對主電纜產生了擠壓，造成了主電纜鎧裝及護套的破損，由此產生了絕緣的缺陷。通過對螺絲及電纜表層分別纏繞絕緣膠布和絕緣護套等措施，重新對電纜進行絕緣電阻測試，試驗結果合格，確認缺陷已經消除。

綜上，在實際現場試驗的過程中，由于現場環境以及電纜敷設狀態的干擾，可能會對電纜故障的查找增加難度，因此試驗人員在了解試驗原理的基礎上，應充分聯系現場實際情況來提高查找效率，降低電纜故障帶來的損失。