电力电缆故障测寻方法的探讨

2012-07-12三峡电力职业学院动力工程学院

电子世界 2012年10期

三峡电力职业学院动力工程学院汪敏

1.引言

随着国家城市电网改造工作的开展以及城镇的发展和城市环境美化的需要，用电量越来越大，由于架空线受到城市地面、空间、环境保护、安全及美观的限制，电力电缆逐步取代了架空线输送电能。很多城市都基本实现了市内无塔杆的目标，建立了良好的居住和投资环境。但是，电力电缆多是埋在地下的，无论是在电缆施工还是在生产运行中，都会出现故障，一旦故障发生，查找起来就很困难，往往需要花费数个小时，有时候甚至是好几天的时间，这样势必浪费大量的人力、物力和财力，同时会对社会、经济生活的正常运行造成影响。因此快速、准确地测寻到电缆故障点具有重要意义。

电力电缆故障探测是一项技术性比较强的工作，需要测试人员很好的掌握探测的原理和方法，并具有一定的工作经验。对电力电缆故障，采用常规的预防性试验方法进行诊断难以奏效时，必须采用专门的仪器和方法进行诊断。主要步骤是：判断故障性质；选择相应的方法进行粗测；精确测定故障点。

2.电缆故障的原因和分类

2.1 电力电缆发生故障的原因

通过查阅很多供电公司的电缆故障统计数据发现，电力电缆常见的故障主要原因如下：

（1）机械损伤，指电缆受外力作用造成的损伤，包括交通运输和施工的损坏，电缆敷设及附件安装过程中造成损坏和自然力造成损坏；震动引起铅护套的疲劳损坏，摩擦龟裂、弯曲过度、地质下沉承受过大的拉力造成的损伤；进而引起短路跳闸或伤及绝缘，留下故障隐患。

（2）设计和制作工艺问题。指中间接头和终端头的防水层设计不够严密，电缆接头密封不好，容易导致电缆头进水；屏蔽带处理不当，导体连接不良、内绝缘放电长度不够，以及选用的材料不当、电场分布考虑不得当、工艺要求不严格或未按规程进行、机械强度的裕度不够等，都会导致电缆发生故障。

（3）电缆本体质量问题，由于铜价不断攀升，不少厂家为降低成本，尽量在生产过程中采取标准的负公差，降低了安全系数，可能导致电缆本体缺陷。另外，电缆绝缘受潮、老化，护层腐蚀也是间接影响故障的源头。

（4）电缆的运行维护问题。电缆长期在电和热的作用下运行，其物理性能会发生变化，各部件发热、过载或散热不良，电缆容易出现热击穿及过热使电缆线芯烧断等故障。长期过负荷运行，还会造成绝缘干枯、脆化，导致绝缘强度降低或介质损耗增大，最终引起绝缘层击穿，同时使电缆寿命缩短。

2.2 电力电缆故障的分类

按故障发生的直接原因，可将电力电缆故障分为试验击穿故障和运行中发生的故障。

（1）试验击穿故障。在试验过程中发生击穿的故障，其性质比较单纯，通常是一相接地或两相接地，很少有三相同时接地或短路的情况，更不会出现断线故障。

（2）运行中的电缆故障

1）低阻故障，电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于10Zc（Zc为电缆特性阻抗，一般不超过40Ω）而导体连续性能良好者称之为低阻故障。

2）高阻故障，电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常值很多，但高于10 Zc，而导体连续性能良好者称之为高阻故障。

图1 电桥实物图

3）泄漏性故障，是高阻故障的一种极端形式。在电缆进行预防性试验时，泄漏电流随试验电压的升高而增加，且超过允许值，此时试验电压达到额定试验电压值，这种情况称为泄漏性故障。

4）电缆两芯或三芯接地而发生的故障，称为短路故障，可分为低阻短路故障和高阻短路故障，划分原则与上述相同。短路故障，通常是由于电缆绝缘被击穿而引起的。

5）闪络性故障及封闭性故障，主要是在进行预防性试验时发生的两类故障，并多数出现在电缆终端或中间接头内，尤其是封闭性故障多数发生在注油的电缆头内。在电缆进行预试时，泄漏电流突然增大并迅速产生闪络击穿，发生绝缘被击穿后又恢复正常，有时连续击穿，有时隔数秒或数分钟后再击穿，这类故障称为闪络性故障。具有闪络性故障隐患的电缆，短期内在较低电压下其闪络击穿的现象可能会完全停止并显现较好的电气性能。击穿后，待绝缘恢复，击穿现象完全停止的故障，称为封闭性故障。

6）具有上述两种或两种以上的故障，称为混合故障。

图2 电桥法等效电路图图3 脉冲电流法原理接线图

图4 PDCheck局放测试设备主要部件

另外，电力电缆故障，还可按故障的性质分为绝缘故障和导体故障两大类。按其发生的部位来分，可分为电缆本体故障、电缆户外终端头故障、电缆户内终端头故障、电缆中间接头故障四种类型的故障。

3.传统电力电缆故障测寻的方法介绍

传统意义上的故障测寻方法分为测距法和定点法。“测距”即运行人员使用特定的方法和相应仪器，测算出电缆故障点到测距点的距离，但由于电缆敷设的路径与工程测量尺寸有一定的误差，以及测试仪器的测量精度受到一定的影响，使得此“测距”方法只能确定出故障点的可能地段，即粗略位置，故又称“粗测”。

3.1 粗测距方法

粗测方法的具体实施一般包括：电桥法、脉冲反射法和闪络法。

（1）电桥法：将被测电缆故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相，调节电桥两臂上的一个可调电阻器，使电桥平衡，利用比例关系和己知的电缆长度就能得出故障距离。用低压电桥测电缆低阻击穿，用电容电桥测电缆开路断线。电桥法测量结果精确，但需要完好芯线做回路，电源电压不能加得太高，实物与等效电路见图1、图2。

（2）脉冲电流法：其原理是通过直流高压发生器逐渐增大加在电容上的电压，当电压增大到某一值时，球间隙发生火花放电。间隙放电后，电容对电缆导体施加高压，若该电压幅值大于故障临界击穿电压，当高压行波沿电缆导体运动到故障点一定的时间后，故障点电离导致击穿，击穿时形成的脉冲在测量点和故障点之间反射，利用故障点击穿时产生的脉冲与相应的故障点反射脉冲之间的时间差△t来测量故障的距离。脉冲电流法的原理接线图如图3

B-试验变压器，C充电电容器，D-高压硅堆，L-线性电流耦合器，J-放电间隙

（3）闪络法：利用故障点瞬间放电产生多次反射波。故障点的放电是在高电压作用下进行的。其中包括直流高压闪络测量法（直闪法），主要用于测量电缆的闪络性高阻故障；还包括冲击高压闪络测量法(冲闪法)，主要用于测量电缆的泄漏性故障。相比之下，直闪法的波形简单、容易理解，准确度高；冲闪法的波形比较复杂，辨别难度较大，准确度较低，但是适用范围要更广一些。

3.2 精确测距方法

根据电缆故障测距工作阶段的结果，在电缆故障点的附近通过测试仪器和设备对电缆故障点的位置进行精确的定位，即为“定点”，也称精测法。

目前精确定位的方法包括声测法、音频感应法。

（1）声测法：其原理是，利用一个已充电的大容量高压电容器（闪测仪）对故障点产生规律放电的装置，使故障点放电，由于故障点具有一定的故障电阻，在放电回路中故障电阻相当于一个放电间隙，在放电时故障点处形成机械振动和放电声音，用拾音器或拾音棒在故障附近反复听测，找到地面振动最大、声音最响处，即实际故障点的位置。

（2）音频感应法：它是通过检测电缆沿线磁场的变化规律来确定电缆故障点的。当音频电流经过电缆线芯时，电缆的周围将产生电磁波，检测人员随身携带电磁感应接收器，沿线路行走时，接收器将受到电磁波影响产生音频电势，接收器用音频信号放大器将此信号放大后送入耳机或电表，耳机中将听到音频信号，音频电流流到故障点时，电流突变，电磁波的突变，从而可以根据声音和电表指示变化，判断电缆故障点的精确位置。

图5 测试电缆终端设备连接示意图

图6 测试电缆中间接头设备连接示意图

4.新型电力电缆故障状态监测技术的探讨

4.1 局放检测技术

35kV及以上输电电缆的局放状态检测主要采用如图4所示的由意大利某公司研发的局放测试设备PDCheck，该设备主要包括信号采集单元（主机）、高频CT、同步线圈和专家诊断系统（软件）四个部分。

现场测试时，将高频CT卡在电缆终端或者中间接头的接地线上，同步线圈卡在电缆本体或接地线上并于信号采集单元连接，如图5、图6所示。

PDCheck是基于局放电流脉冲波形的局放检测装置，它通过对放电的电流脉冲信号进行高速（100M/s）宽带采样获取信号完整的时域波形，并针对不同放电及噪声的差异提取多种信号特征，继而进行分离和比较，同时运用一定的方法，判断被测放电类型与已知放电类型的相似性，从而实现对每一类放电进行甄别，进而确定放电类型，诊断设备绝缘状态。此方法检测精度高，系统结构简单、安装方便，且能确保操作人员的安全，非常适合现场使用。

4.2 光纤测温技术

通过在电缆隧道顶部或电缆本体外部敷设测温光纤，或将测温光纤在电缆生产时加装在电缆本体内，可以实现连续、实时、在线测量隧道环境或电缆本体温度信号的目的。并且具有抗电磁、耐高压、防爆、防燃、尺寸小等优点。可以及时发现运行电缆线路的缺陷（如电缆接头、终端发热等）信息，为开展状态检修提供依据；当隧道内发生火灾或出现温度异常等情况时发送报警信号，确定温度异常点所在位置，实现隧道火灾预警功能；还可以计算电缆实时负载率数据，检验载流量理论计算值的准确性，为进一步提高电缆载流量计算的水平提供第一手资料。

如2008年1～8月，北京电力电缆网运行监控中心通过分布式光纤测温系统采集到数据，先后发现7处110kV及220kV电力电缆隧道内的局部发热缺陷，通过现场检查进一步确认发热原因，并及时采取了有效的运行防护措施，确保了电力电缆的安全可靠运行。

4.3 红外热成像技术

红外热成像技术不仅能分辨热的差异，而且还是能使这种差异量化的一种技术，也是一种非接触式温度测量技术。红外点温仪在使用时需要对电缆线路各处分别测量，容易遗漏测量部位；而红外热成像仪可以直接对线路进行扫描，并能显示热谱图，具有清晰直观、测温全面等优点。2008年北京奥运会期间北京市电力公司就已全面采用红外热成像仪对输电电缆设备进行检测。

案例1：2006年3月，某电缆运行单位在红外测温中发现某220kV变电站内某110kV户内瓷套式电缆终端头瓷套表面出现局部发热现象：A、B、C三相温度分别为6.3、6.7、5℃，环境温度为2℃。停电检查后发现电缆终端接头内部应力锥外表面软管夹松动存在缺陷导致发热。

4.4 GPS行波故障定位

基于Internet的网络化网络已经成为人们工作和学习的重要工具，它对于智能电缆故障监测系统来讲也是很重要的，因为它是远程操作、监控的唯一有效的途径。基于整个输电网GPS行波故障定位：全球定位系统GPS是近年发展起来的用于通信系统的最新技术。输电线路行波故障定位具有很高的精度，但需要高速A/D采集、大量数据存储、复杂的行波波头辨识，且对发展性故障、近距离故障的测量处理比较困难。如用专用行波波头检测传感器、高精度的GPS时钟及存储行波波头时刻的高效存取方法，在每个变电站安装一台专门设计的行波波头记录仪，与调度通信构成输电网GPS行波测量网络，则可直接测量故障行波

波头到达各个变电站的准确时刻，由调度进行故障定位。