電力電纜故障定位及故障診斷方法分析

［關鍵詞］電力電纜；故障定位；故障診斷

1 電力電纜故障類型及原因

電力電纜使用過程中，易受內、外界因素影響而發生故障，不同因素所導致的故障類型也有所不同，大致可分為4種，具體見表1。

表1中，Zc為電纜特性抗阻，Zn為電纜額定絕緣電阻，Zf為實際絕緣電阻。

（1）因電纜生產設計及工藝問題而導致的電纜缺陷問題，例如，纜芯缺陷、絕緣外套缺陷等，這類缺陷無法在故障檢測中準確發現，而是在經過長時間使用后逐漸凸顯，從而引發電纜故障。

（2）因惡劣天氣以及蟲害等自然因素導致的電纜故障問題，如絕緣外套損壞、纜線斷裂等。

（3）因外力或操作不當等原因導致的電纜故障問題，如電纜鋪設過程中因操作不當導致的電纜損傷，輕則破壞電纜絕緣層，重則導致電纜斷裂。

（4）因材料老化導致的電纜故障問題，隨著電纜使用時間的延長，電纜絕緣層逐漸老化，絕緣性能逐漸下降，從而導致出現相間故障或接地故障。

除上述原因外，電纜使用過程中還可能受化學腐蝕、過電壓等因素發生故障，但發生率相對較小。

2 電力電纜故障定位方法

2.1 阻抗法

阻抗法是常用電纜故障定位手段之一，其原理是通過確定電纜長度與阻抗值的比值對電纜故障進行定位。通過阻抗法定位電纜故障的過程中，需借助電橋法對故障電纜位置的阻抗值進行計算。現階段，常用的電橋法分為兩種，不同電橋法的優勢及應用場景也有所不同。

2.1.1 傳統電橋法

傳統電橋法是將存在故障的電纜和不存在故障的電纜的一端連接至電橋的橋臂上，兩根電纜的另一端短接，其原理如圖1所示，通過調節變阻器R3讓檢流計中沒有電流通過使電橋平衡。

圖1中，R1、R2、R3、R4為電橋橋臂組織，G為檢流計，R0為非故障電纜電阻值，Rx為故障電纜電阻值。

從原理上看，傳統電橋法分別在電橋臂兩端連接故障電纜及非故障電纜，并將兩根電纜相接。在此情況下，通過改變變阻器的阻值，控制檢流計中的電流，從而達到電橋平衡的狀態。電橋平衡公式如下所示。

式（1）能夠計算出故障電纜電阻值Rx，再根據該值與電纜長度的比值對電纜故障具體位置進行確定。相較于伏安法，傳統電橋法操作更加精密、復雜，故而對于電阻的測量更加準確。

2.1.2 倒置型電橋法

由式（1）能夠看出，傳統電橋法測量故障電纜電阻值Rx的計算方法較為復雜，并且在電纜長度測量方面存在一定的操作約束。為進一步提高測量的精準性，倒置電橋法由此產生，其原理如圖2所示。

相較于傳統電橋法，倒置電橋法的連接方式更加簡單，盡可能地減少了不必要的電橋臂。在此情況下，通過改變變阻器的阻值達到電橋平衡狀態，假設變阻器左側電阻為Rm，變阻器電阻為Rf，則電橋平衡公式如下所示。

傳統電橋法和倒置電橋法均依賴于集中參數模型來定位電纜故障的具體位置。這類方法的準確性可能受限于建模的精度，從而導致定位誤差。此外，阻抗法的操作過程復雜，要求在故障發生時在電橋兩端連接故障與非故障電纜，并進行短接。若故障點的電阻值較高，可能會因電橋電流減小而影響阻抗法的測量精度。因此，阻抗法在電纜故障定位中具有一定的局限性。

2.2 行波法

行波法利用了電磁波的傳播理論，即在電纜當中電磁波波長與電纜長度存在固定比值關系的情況下，電纜則可看作電阻、電感、電導和電容串并聯的分布參數模型。電纜分布參數模型如圖3所示。其中，G為檢流計，L為電感，C為電容。由于電容的存在，電流及電壓的產生具有一定延遲性，使得電纜中行波的傳輸需經過一段時間。

當電纜發生故障時，受影響部位的分布參數會發生變化，導致該位置的特征阻抗發生變動。這種變化使得電磁波在故障點發生反射和透射現象。具體地，故障點的反射系數可用于描述這一變化，這是因為電纜的電氣特性改變反映了其物理狀態的變化。通過分析故障點處電磁波的反射和透射特性，可有效地定位電纜故障位置。反射系數計算方式如下所示。

在電纜出現高阻故障的情況下，故障點的反射行波與注入行波有著相同的極性；在電纜出現低阻故障的情況下，故障點的反射行波與注入行波有著不同的極性。故而針對不同故障類型，需選擇不同測試方法。

在發生低阻故障時，可采用低壓脈沖反射法，即向電纜中輸入脈沖電壓，在脈沖經過故障位置后，會引起阻抗變化，進而產生反向脈沖。通過明確脈沖發送與反向脈沖接收時間間隔，以及脈沖的傳輸速度便能夠計算出具體的電纜故障位置。

在發生高阻故障時，可采用高壓脈沖法，即通過沖擊高壓或直流高壓擊穿電纜故障點，進而產生閃絡放電現象。在電力電纜發生閃絡放電時，會產生反復反射的脈沖信號。通過記錄這些電壓和電流行波信號，可測量反射脈沖信號的往返時間。隨后，結合脈沖信號在電纜中的傳播速度，可準確計算出電纜故障的具體位置。這種方法利用了信號傳播的基本物理特性，從而實現了故障點的精確定位。

3 電力電纜故障診斷方法

3.1 故障類型判定

故障類型判定是電纜故障診斷的首要任務，需拆除明顯故障電纜，通過各種儀器儀表對電纜的芯線以及絕緣外套阻值情況進行測定。本研究結合芯線故障，對電纜故障的精準診斷定位方法進行研究。

3.2 故障精準診斷

根據故障電纜實際情況選擇合理的測試方法。測試方法的選擇在很大程度上決定了故障診斷的精準性，需結合電纜高低壓情況進行測試方法以及設備的選取。例如，低壓電纜的絕緣性、耐壓性相對較低，則無法采用高壓檢測方法，避免對電纜的絕緣屬性造成破壞。而如果采用紅外測溫法，則需保證線纜處于非暗敷設環境。故而電纜故障診斷過程中，為能夠在保證作業人員人身安全的同時，進一步提高測量精準性，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。

測試設備的選取也需結合現場實際情況進行確定。實際測試過程中，所選調壓器通常為1～2kVA的單相雙線圈調壓器，并通過低壓交流電源進行通電，輸入電壓在30V左右。同時，還需根據電纜規格參數進行電流表的選擇。芯線故障測試原理如圖4所示。

電纜測試方法及測試設備確定后，通過儀器儀表測試電纜芯線以及絕緣外套的電阻值，進而確定故障電纜是否存在短路問題，以此保證交流電源的安全性。交流電源接入后，可對電纜首端的芯線以及絕緣外套的電流值進行測試。需要注意的是，需在電壓表讀數精準的情況下進行測試。

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。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。

為進一步提高電纜故障測試的精準度，需重復測試電纜末端的芯線以及絕緣外套的電流值，并記錄測量數值，將其與電纜首端測試數據進行對比，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，式（5），以及電容器X電抗測量，式（6），能夠確定電流I與電纜長度L之間的關系，如式（7）所示。

為了驗證這些理論計算的準確性，并提高故障診斷的精確度，進行了一系列試驗測試，并結合了試驗室與現場測量數據。測試結果表明，通過應用計算機模擬和創建數學模型，能夠預測并模擬電纜在不同條件下的電氣響應，尤其是對不同類型的故障（如短路、開路）的影響。此外，還利用了MATLAB、Python或其他科學計算軟件進一步分析了電纜的特性，并收集了現有的故障數據，通過統計分析和機器學習技術，如決策樹、隨機森林或神經網絡模型，基于已知數據集對故障模式進行了識別和預測。

4 結束語

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。