电力电缆故障定位方法研究

　　1 电缆常见故障分析

　　外力造成的电缆损伤。电力电缆损坏往往是在外力作用下形成的，如运输过程中电缆相互挤压导致变形；电缆敷设过程中由于操作不符合规范导致被尖角、铁钉、台阶凸起等尖锐物划伤或由于过度弯曲而损伤电缆；电缆敷设后电缆路径上进行土建施工过程中造成电缆损伤。自然现象也会造成电缆受到外力损伤，如土地沉降使电缆受到过大拉力，造成中间接头断裂；土地中酸碱物质对电缆外护套的过度腐蚀也会引起电缆外护套出现麻点、穿孔或开裂，造成电缆损伤。

　　传输电压超负荷造成的电缆损伤。电力电缆自身所运用的材料有着相应的绝缘等级，如出现了很大的过电压如对地短路、雷击等事故，电缆绝缘层就可能出现被烧坏击穿的问题；电缆制造中的工艺和设计问题。电力电缆在设计制造中，铅(铝)护层容易留下破口等缺陷。绝缘包裹过程中，纸绝缘也容易出现破损、褶皱和间隙重叠等缺陷。电缆的附件制造中会出现铸铁件砂眼，瓷件机械强度不够和组装密封性不严等缺陷。电缆中间接头和终端的制造过程中会出现防水和电场分布的设计缺陷或制造工艺问题，容易导致后期运行中发生故障。

　　绝缘老化与受潮。电缆绝缘老化的一个重要原因是电缆绝缘介质内部存在气隙，气隙在绝缘介质电离时会产生臭氧、硝酸等化学生成物，腐蚀绝缘、加速绝缘老化。电缆绝缘异常老化另一主因是过热，电缆运行温度每提升八度，电缆故障率会增加一倍。绝缘受潮也是电缆故障的一大诱因，造成电缆受潮的主要原因有：中间接头盒或终端终端接头结构不密封或安装不良而导致进水，电缆敷设时金属护套被外物刺伤或运行中被腐蚀穿孔、水从小孔或裂缝浸入电缆导致受潮。

　　2 电力电缆故障查找方法

　　发生故障的电缆定位前应先判断电缆故障类型，踏看故障电缆全程，全面掌握电缆资料并详细记录，如电缆品种、长度的敷设状况路径，电缆的接头数量和位置、运行时间故障历史记录、周围的施工状况等，尽可能画出方位图并拍照记。再根据仪器和设备的测试原理采取相应的定位方法。

　　2.1 电力电缆基本结构

　　电力电缆的基本结构由线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成，如图1所示。线芯是电力电缆输送电能的导体部分。绝缘层是线芯与外部的电气隔离。屏蔽层的作用是屏蔽电磁场。电缆运行中屏蔽层会形成感应电压，电压大小与电缆长度成正比，长距离电缆上的感应电压可达到危及人身安全的程度，所以电缆运行中屏蔽层需要接地。35kV以上高压单芯电缆通常采用一端接地的方式，长距离线路可采用中点接地和交叉互联方式。35kV及以下电压等级三芯电缆多采用两端接地方式，电缆运行中流过三个线芯的电流总和为零，在屏蔽层外基本没有磁链，屏蔽层两端基本没有感应电压。保护层的作用是避免电力电缆免受外界杂质和水分的侵入，防止外力损坏电力电缆。

　　图1 电力电缆基本结构图

　　图1 电力电缆基本结构图 下载原图

　　图2 电桥法接线示意图

　　图2 电桥法接线示意图 下载原图

　　2.2 电缆故障粗定位

　　目前电缆粗定位的方法主要有波反射法、高压电桥法和电压降法。波反射法利用脉冲波的传播及反射时间来计算距离，对于击穿、断线类故障均可使用，但其波特性差，在交叉互联结构中传播较为困难，且对于稳定性高阻故障难以定位；高压电桥法利用电缆导体或金属屏蔽电阻均匀的特点，通过电桥原理得到故障点的位置比例，灵敏度高、使用原理简单，可直接定位高阻故障，但无法定位断线故障，需借用辅助电缆，单芯电缆也可能因干扰无法定位；电压降法利用电缆导体或金属屏蔽电阻匀、甚至可知的特点，测量通过故障段电流引起的电压降，进而计算故障位置比例或长度，该方法特别适合于高压长电缆的故障定位，但由于定位时电流较大，可能会烧穿外屏蔽或护套，造成更大面积的绝缘损伤。

　　利用Murray电桥对击穿点定位是经典的办法，方便而准确。电桥法的依据是线芯(或屏蔽层)电阻均匀，与长度成比例(图2)。钢带铠装三芯电力电缆，长度为L、B相线芯对钢带在L1处击穿。借助于A相作为辅助线，使用低阻值连线短路N、Y两端。L1段电缆线芯电阻为R1，L2段电缆及A相电缆线芯的电阻为R2。与定位电桥构成Murray电桥回路(图3)。

　　图3 电桥法电路原理图

　　图3 电桥法电路原理图 下载原图

　　图4 跨步电压法的接线及电位分布示意图

　　图4 跨步电压法的接线及电位分布示意图 下载原图

　　根据原理图，当电桥平衡后可得式1、式2，其中L1+L2=L，P为电桥刻度盘度数。根据式(2)可得故障点位置L1=2×L×P，由此可见，只要电桥有一定的灵敏度并能平衡，电桥法定位简单而精确。

　　2.3 电缆故障精定位

　　精确定点的原理，是利用脉冲放电设备(俗称电锤)在故障电缆端部施加高压脉冲，传导至故障点形成放电，用定点仪在预计故障点位置测量声音和磁场的分布、磁场和声波的时间差。对于高阻故障、闪络型故障、低阻故障、断线故障和混合故障，一般在现场采用高压脉冲声磁同步法进行精定位。通过合理调节脉冲输出和声波增益，听声音最大位置为故障点附近，再通过测试声磁时间差确定数值最小位置为故障点。

　　对于电缆故障点处护层保护破损的开放性故障一般采用跨步电压法，图4中故障点处是裸露对大地的，当把A’和B’两点的接地线解开后，从A端对电缆打压，那么在故障点的大地上就会出现喇叭型电压分布，用高灵敏度的电压表在大地表面测两点间的电压，在故障点附近就会产生电压变化。在电压表插到地表上的探针前后位置不变的情况下，在故障点前后表针的摇动方向是不同的，根据电压表针的摆动方向得出故障点所在位置的方向。

　　3 典型案例

　　华北区域某热电厂在2号机停电检修时，对GIS至变压器间三相电缆进行绝缘电阻测试，试验结果显示C相电缆外护套绝缘电阻值为0.03MΩ/km，低于DL/T1253-2013《电力电缆线路运行规程》中关于绝缘电阻值的相关要求，初步怀疑外护套绝缘受损。技术人员前往现场进行故障分析。

　　首先通过复测绝缘电阻值，排除电缆因受潮或仪器接触不良产生的干扰，确认故障点依然存在；接着使用仪器对外护套进行直流耐压测试，确认外护套绝缘约为700V左右且泄漏电流较大，判断为低阻故障；之后使用仪器对故障进行定位，利用电桥法初步定位故障点位于GIS侧620米左右。通过实地勘探大致确定为C相电缆中间接头处，在其附近利用跨步电压法进行精定位，确定故障点为电缆接头防爆房中；最终在C相电缆中间接头的表面上方，发现由于电缆分支上的紧固螺丝对主电缆产生了挤压，造成了主电缆铠装及护套的破损，由此产生了绝缘的缺陷。通过对螺丝及电缆表层分别缠绕绝缘胶布和绝缘护套等措施，重新对电缆进行绝缘电阻测试，试验结果合格，确认缺陷已经消除。

　　综上，在实际现场试验的过程中，由于现场环境以及电缆敷设状态的干扰，可能会对电缆故障的查找增加难度，因此试验人员在了解试验原理的基础上，应充分联系现场实际情况来提高查找效率，降低电缆故障带来的损失。