交联聚乙烯电力电缆故障分析与定位技术研究

卫建均

（广东电网公司茂名高州供电局，广东 高州 525240）

0 前 言

近些年来，我国的电力负荷在持续上涨，尤其是在城市。由于城市的人口较多，现有的空间在不断减少，必须采取安装地下电缆的方式向居民输送电能。而现今的电缆一般是使用在500kV或者低于500kV的交流电压等级中。依据绝缘材料的性质，可以将电缆分为三种，分别是橡胶绝缘型、油纸绝缘型以及塑料绝缘型。其中交联聚乙烯电力电缆是塑料绝缘型的电力电缆。交联聚乙烯电力电缆是在聚乙烯中添加交联剂后挤压成形，再利用物理或者化学方法交联所形成的一种电缆。该类电缆具有较好的电气性能、较高的绝缘电阻与击穿电场强度，介质损耗角的正切值比较小，拥有较好的抗老化与耐热性能，能够在高温下工作，具有较大的载流量，能够在垂直或者落差较大时敷设。因此，交联聚乙烯电力电缆的应用前景广阔。但是由于这种电缆数量的增加，使用时间长等因素，导致电缆事故频频发生。本文对交联聚乙烯电力电缆故障进行分析与研究。

1 交联聚乙烯电力电缆故障分析

1.1 电缆绝缘老化机理

因为敷设交联聚乙烯电力电缆的实际环境状况，使得绝缘层内出现水树，进而导致绝缘性降低。绝缘老化出现的两个主要原因分别是电气方面与化学方面。在电气方面又分两种情况，即树老化与游离放电老化［1］。其中游离放电老化是出现在屏蔽层和绝缘层间隙内的游离放电，导致绝缘体被侵蚀，最终出现绝缘老化的情况。而化学老化则是因为电缆所在环境导致的，如果电力电缆铺设的环境中包含石油化学物质，那么将导致聚氯乙烯护套出现膨胀现象。电缆绝缘受硫化物影响较大，因为硫化物会穿透电缆的绝缘层，和其中的铜导体发生化学反应，产生氧化铜与硫化铜。而在电缆的绝缘层内，氧化铜由内导朝护套蔓延，就好像水树一般，因此该老化情况又被称为化学树。

1.2 电缆故障原因

在内部环境与外部环境的作用下，已经出现老化现象的电缆会出现绝缘被破坏或者击穿的情况，进而导致故障的产生。电缆故障发生的主要原因有以下几种:（1）过热；（2）绝缘受潮；（3）材料有缺陷；（4）直流耐压试验；（5）过电压；（6）设计与制作工艺较差；（7）护层出现腐蚀；（8）机械造成的损伤［2］。

1.3 电缆故障分类

从形式上，电力故障分为并联故障、串联故障。发生可能性比较大的故障形式主要有三种，一相断线并接地、一相对地以及两相对地等。此外，国外将电力电缆故障分为三大类，分别是短路故障、无损坏故障以及开路故障；而国内同样将故障分成三类，分别是高阻相间或接地故障、开路断线故障以及金属性与低阻接地或相间故障。

2 电力电缆故障定位技术现状

依据电力电缆的运行情况，交联聚乙烯电力电缆故障定位技术可以分为在线定位方法与离线定位方法。其中在线定位方法发展速度较快，比如日本研究人员采取脉冲电流法，通过光纤电流互感器掌握电缆发生故障时出现的电流信号，且使用快速A／D技术完成距离的测量。而离线定位方法，国内外比较常见的有二次脉冲法、直流高压闪络法、电桥法、冲击高压闪络法以及低压脉冲法等［3］。

3 GPS和双端量的电力电缆故障定位原理

在行波定位原理的基础上，发展了GPS和双端量的电力电缆故障定位技术。该技术是通过故障浪涌信息朝电力电缆的两侧传送的时间差异来对故障实行定位的技术，这需要电缆两侧的时间必须保持高度一致。针对时间的基准问题方面，可以利用GPS全球定位系统中的原子钟加以调整。

3.1 双端量的电力电缆故障定位原理

（1）交联聚乙烯电力电缆出现故障之后的行波源。在交联聚乙烯电力电缆出现事故后，可以采取叠加原理对故障之后的网络加以研究，也就是类似在发生故障的位置添加一个电压源。该电压源与故障点之前的电压一致，且两点之间的相位差180°，该电压源叫做附加电源，用ef表示。在附加电源的协助下，两侧传送的行波将出现在电缆线路中。

（2）行波的传送。以下针对交联聚乙烯电力电缆出现金属性的接地事故进行分析，在附加电源的协助下，电压行波与电流行波均将朝电缆的两侧活动，抵达电缆末端位置时因为波阻抗没有持续进行，行波则会出现发射现象，且在回到故障位置之后再次发射，这类情况持续发生，直到达到故障之后才能稳定［4］。假设电缆两侧的点是M、N，如图1所示，那么可以将两处的电压定为:

图1 双端量电力电缆故障定位的原理

式中，TM、TN是故障行波由故障位置运动到电缆两侧M、N的传送时间；αM、αN是两点的行波发射系数。

从式（1）、（2）能够发现，在故障发生之后，有一个行波波头抵达电缆的两侧，而电流与电压的行波具体表现完全不一样。通常情况下，α是负实数，可见当t等于τ时，由于电流行波中的反行波与前行波互相交叠，从而使得电流行波加强，电压行波变小。由此可见，与之前运用电压行波定位故障相比，通过电流行波来定位更加灵活。图2是电流行波的网格示意图，从图中发现在故障F位置上，电流行波出现反射现象。必须加以说明，一旦故障位置的接地电阻不是零时，那么就会出现透射。

图2 电流行波的网格示意图

（3）计算故障的距离。通过图2发现，行波抵达电缆两侧时间说明了电缆两侧与故障位置之间的距离。假设第一次行波抵达M、N位置的时间是T1M、T1N，M点到故障位置的距离设为XM，N点到故障位置的距离设为XN，在电缆内电磁波的传送速度是V，电缆的长度设为L，那么:

通过式 （5）、（6）可以发现，由于行波的速度是150m／μs，因此若得到第一次故障行波抵达电缆两侧的时间，那么就能准确掌握故障的定位。

3.2 分析定位误差

在电缆中，电磁波的传送速度是150m／μs。通过式（5）、（6）可以知道，电缆两侧时钟的计时与同步精度对定位误差有一定的影响。如果因为时钟同步精度而造成的定位误差是δ1，时钟计时精度而造成的定位误差是δ2，而最大的定位误差是δmax，那么:

公式中的v表示电磁波的传送速度，τ1表示时钟同步的误差时间，而τ2表示时钟计时的误差时间。

综上，GPS和双端量的电力电缆故障定位不但工作原理安全可靠，还极易得到电流行波。此外，由于该技术只需行波中的第一个，因此故障位置的透射波不会对其造成影响，且极易分辨波形的特点，进而能够快速、准确地掌握电力电缆故障的定位。

4 结束语

总之，在对交联聚乙烯电力电缆故障进行分析时，不但要注意因为绝缘材料而造成的故障，同时还必须重视直流耐压试验对其造成的影响。此外，通过交联聚乙烯电力电缆运作过程中出现的故障行波，能在线确定电缆故障定位，避免各种麻烦的发生，例如之前的离线测试导致长时间的停电问题，实验过程中接线复杂的问题。

［1］卢 山.10kV电缆故障点测寻方法和现场应用实例［J］.湖北电力，2011，（01）:30－32.

［2］刘 涛.基于行波原理的电力电缆在线故障定位［J］.农村电气化，2011，288（05）:42－43.

［3］郑秀玉，李晓明，丁坚勇.电力电缆故障定位技术综述［J］.电气应用，2009，28（22）:82－85.