(论文)电力电缆故障分析及定位方法

电力电缆故障分析及定位方法 张玉涛 北京首都机场动力能源有限公司 摘要：本文介绍了电力电缆故障类型、测试步骤和定位方法，特别是目前最有效的高压电弧反射法及通过电缆路径仪测量路径和深度的发放。 关键词 电缆故障 脉冲反射 电弧反射精定点 电缆路径定位测深

一、前言 随着首都机场的高速发展和城市规划的要求，各种架空缆线逐步埋入地下，特别是电力电缆，各种类型的地埋电力电缆在机场供电系统得到广泛应用，也在冶金、石化、矿山、机场、港口等企事业单位得到普遍应用。 首都机场高压电缆长度目前达到了1600公里，覆盖面积达38平方公里。虽然这种供电的优点是显而易见的，但是电力电缆在使用过程中一旦发生故障，特别是高阻故障，很难测出故障的确切位置，不能及时排除故障，恢复送电，往往造成停电停产的重大经济损失。随着首都机场电网改造、电缆搬迁和故障电缆的修复等原因，原有的电缆图纸已不能正确反映电缆的敷设路径和埋深，尤其是奥运会临近，基础建设的加快，外力对电缆的破坏显得日益突出，成为影响电缆安全运行的主要因素，给电网安全带来了极大的威肋。因此为了保证电缆的安全运行，就需要对电缆进行有效地探测，建立完善的电缆线路管理系统。所以如何快速准确测出电缆故障是机场供电部门的首要课题。 本文重点介绍电力电缆故障类型、测试步骤、并着重介绍电弧反射精定点法及电缆路径仪定位法这两种电缆定位方法。希望通过本文的研究提高首都机场地区电缆故障的处理速度。

二、电缆参数 电力电缆故障是指在供电过程中发生干扰、局部电流不均匀造成的。为确定电缆故障位置。必须了解电力电缆的各种参数分布，来推断和测试故障点。电力电缆可看成有许多多的电阻（R）、电导（G）、电容（C）和电感（L）等效元件相联接组成的，这些元件称为电缆的分布参数。一小段电缆的等效电路图如图1所示

图1：一小段电缆的等效电路 理论上要求这些参数均匀的分布在整条电缆中，也就是说这些参数与电缆总长要成比例。这些参数不仅适用于两条线芯之间，而且也适用于线芯与屏蔽之间。 当电缆发生故障时，初步确定电缆故障位置起决定作用的参数为特征阻抗和波速度（V）。 1、电缆的特性阻抗z表示导线某一点上特性电压与特性电流之比，因此它不受位置和时间的限制，只与电缆结构、绝缘材料和导体材料有关。 2、波速度V 波速度V是指脉冲电压波从电缆一端传到另一端需要一定时间，是电缆长度与传播时间之比。 如果在运行和测试状态下的这些电缆特性参数均无变化，即可认为这条电缆无故障，但只要电缆某个位置存在特胜阻抗发生变化，电缆的均匀性就会受到影响，电缆就称为有故障电缆。

三、电力电缆故障类型分析 由于电力电缆的绝缘材料、运行方式、工作电压等不同，导致了大量的各种各样电缆故障，按故障性质分主要有：接地故障、短路故障、断线故障、闪络故障和综合故障；按故障电阻值分为：低阻故障和高阻故障。传统上把电缆故障点的直流电阻小于电缆特性阻抗称为低阻故障，反之则称为高阻故障。 1、接地故障 电缆－线芯或数线芯接地而发生的故障。当电缆绝缘由于各种原因被击穿后发生低阻接地故障或高阻接地故障，按脉冲反射仪测试波形划分，一般接地电阻在1 KΩ以下为低阻故障，以上为高阻故障。 2、短路故障 电缆线芯之间绝缘完全破损形成短路而发生的故障。一般线芯之间电阻RF小于l OΩ。 3、断线故障 电缆一线芯或数线芯断开而发生的故障。通常是由于电缆线芯被短路电流烧断或外力破坏引起。 4、闪络故障 电缆进行试验时绝缘间隙放电，造成绝缘击穿，此为击穿故障。在某种情况下，绝缘击穿后又恢复正常，即使提高试验电压也不再击穿，此为封闭性故障。此时电缆存在故障，但该故障点没有形成通道，这两种故障都属于闪络故障。该故障大多情况发生在电缆 接头或终端内，主要表现为：当试验电压升到某一值时，电缆泄漏电流突然升高，并且测量表针呈规律性摆动，降低电压时现象消失，测量绝缘电阻值仍很高。 5、综合故障 同时具有上述两种以上的故障称为综合故障。

四、电力电缆故障测试步骤 当电缆发生故障后，为确定电缆故障位置，主要可分为三步： 1、识别故障并确定故障性质 将电缆脱离供电系统，首先用兆欧表测量每相对地绝缘电阻，如果绝缘电阻为零，再用万用表测量故障电阻，以判断是高阻故障还是低阻故障，然后测量相间绝缘电阻，判断是否存在相间短路，有准确的电缆故障性质判定结论后，便可选择合适的测试方法和仪 器。 2、电缆故障预定位 从电缆一端测试，给出测试端到故障点的距离，也就是地埋电缆从测试端到故障点的长度。 3、电缆故障精定位 由于地埋电缆的长度在地面丈量会存在误差，再加上脉冲反射仪（TDR或雷达）的测距误差，所以需要对故障点进行精确定点。

五、电力电缆故障预定位方法 从电缆故障类型可分为断线故障、低阻绝缘故障、高阻绝缘故障和闪络故障，不同故障所采用的测试方法和测试仪器也不同，必须分别对待。 1、低压脉冲法 低压脉冲法可对断线故障、短路故障、低阻故障和电缆全长进行预定位，同时也可识别电缆的中间接头。其原理为：脉冲发射仪给电缆发射低压脉冲，该脉冲沿电缆传播直到特性阻抗不匹配点（如断线点、短路点、终端点等），在这些点上会引起脉冲波的反射，并返回到测试端，脉冲反射仪给出测试轨迹，见图2。

图2：低压脉冲法测试示意图 故障距离L是由下面公式计算： L=V t/2 其中，V是波速度，如油浸纸绝缘电缆的波速度为160 m/μs，交联聚乙烯绝缘电缆的波速度为172 m/μt s。t是发射脉冲从测试端到故障点，再由故障点返回到测试端的往返时间，由脉冲反射仪测出，单位为微秒（μs）。 2、高压弧反射法 关于电缆的高阻故障、闪络故障，低压脉冲法就无能为力了，但可设法使故障电阻瞬时短路，就可以用脉冲反射仪测出故障波形。这一测试过程的设想就为高压弧反射法诞生奠定了基础，该方法可用于查寻高阻故障、闪络故障。主要设备有：直流高压单元、高压冲击单元、脉冲发生器、祸合单元、脉冲反射仪。 直流高压给高压冲击单元中的电容器充电，然后由球隙放电，产生一个高压脉冲传输到故障电缆的线芯，高压脉冲在故障点击穿燃弧，高阻故障点瞬时产生闪络放电，故障点由于电弧接地而导通，呈现低阻状态，同时脉冲发生器由内部通信装置触发而产生低玉测量脉冲，此脉冲在故障点处由于电弧短路而被反射，从而测出故障轨迹波形。 脉冲反射仪自动把f民玉波形和高压波形显示在屏幕上，故障点处会有明显的发散，见图3，兰色曲线为故障电缆的全长波形，红色曲线为高阻或闪络故障波形，故障点自动定位。

图3：高压弧反射法测试示意图 六、电力电缆故障精定点方法 当给故障电缆线芯加上一个足够高的冲击电压和冲击能量时，故障点会击穿并发生闪络放电，在故障点就会产生相当大的“啪、啪”放电声，这种声音可传到地面，一般闪络放电间隔为6-15秒。 1、声测定点法 当电缆故障预定位给出故障距离后，在故障电缆测试端给故障线芯加上冲击高压，使故障点闪络放电，同时用定点仪（含探头、接收机、耳机）在预定故障点附近的地面来听测故障点的放电声，听测出最响点，即为故障点的准确位置，见图4。 图4：声测定点示意图 2、声磁同步定点法 当采用冲击放电时，在故障点除产生放电声外，还会产生高频电磁波向地面传播。在地面用声磁探头可同时接收声信号和磁信号，电磁波起辅助作用，用来确定所听到的声音是否是故障点的放电声，由于声波与电磁波的传播速度不同，在地面每一点可用声磁同步定点仪测出声信号和磁信号的时间差，时间差最小点即为故障点的准确位置，见图5

图5：声磁时间差测定点示意图 3、音频感应法 当电缆故障点处于相间短路或相地短路（死接地）时（RF< 10(Ω），用冲击放电器冲击，故障点不放电，也就是说故障点不产生放电声，所以不能用声测法精定故障点。此时应采用音频感应法来探测定位故障点。该方法需要相当的故障测试经验和对电缆各方面的情况（如接头位置、埋设深度等）有详细的了解，才能取得较好的效果。 其测试原理是多芯电缆纽绞结构，当音频信号传输到电缆故障线芯时，在故障点前会产生有规则升降的电磁信号，到故障点电磁信号突然增大，过故障点电磁信号下降并保持均匀，见图6。 图6：音频感应法定位示意图 七、电缆路径仪的探测技术和性能分析 电磁法[3]是电缆路径探测和深度测量常用而又有效的方法，所用探测设备就是电缆路径仪，随着技术的进步，各种仪器的性能及适用范围也各不相同。以下将重点介绍该类仪器的技术特点及适用范围，以便供使用单位选择合适的仪器。 1、电磁法探测的原理 由于敷设在地下的电缆与周围的土壤介质在导电性、导磁性、密度或其他理化性质上存在着差异，从而能被探测、识别和区分。目前应用于电缆探测的方法大致有电磁法、直流电法、地震波法、放射性跟踪法和地质雷达等。其中电磁法由于探测精度高、操作简便、抗干扰能力强、适用范围广、成本低，效率高等特点而成为电缆探测工作中最常用的方法。 电磁法探测电缆，主要是利用电磁感应原理。当采用专用的发射机向待测电缆施加（直连或感应）一定频率的信号电流I后，该电流在待测电缆中流动并在其周围空间产生一个电磁场，其强度H可由下式确定H=K·（I/R），式中K为场强系数，I为电流强度，R为电缆周围任意一点距电流中心的距离，如图1所示，图中P为电缆周围任意一点，I为电流强度，R为P点距电流中心的距离，H为P点的电场强度，Hx为场强的水平分量，Hz为场强的垂直分量。用接收机在地面上测量该电磁场的强度及其分布便可确定被测电缆的位置和埋深，实现被测电缆的定位。

图1：电缆周围电磁场会布 2、信号连接方式