高压电缆故障测寻及定位方法

王　昆，李敏雪，缴春景

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.中海油田服务股份有限公司，天津300452）

高压电缆故障测寻及定位方法

王昆1，李敏雪1，缴春景2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.中海油田服务股份有限公司，天津300452）

摘要：介绍了高压电力电缆的故障类型、故障查找步骤以及国内外常用的故障检测方法。通过对高压电力电缆的故障部位、故障类型以及相对应的预定位方法以及对其精确定位的分析和探讨，较为全面地提出了一整套行之有效的电力电缆故障测试方法。

关键词：高压电缆；定位；故障测距；护层

1　引言

由于电缆线路的隐蔽性及测试设备的局限性等，电力电缆一旦发生故障，查找起来非常困难。如何合理地选择电缆故障测寻方法，准确、快速地查找电缆故障，缩短故障停电时间，成为目前研究的热点问题。

电力电缆故障的查找一般要经过诊断、测距（预定位）、定点（精确定位）三个步骤［1］。故障发生后，一般先通过测绝缘电阻等方法，初步判断出故障的性质；然后根据故障类型，采用合适的测距方法，初步测出故障的距离位置；最后沿着电缆走向在此位置前后仔细探测定点，直到找出精确的故障点位置。

2　电力电缆的故障类型

造成电力电缆故障的原因很多，比如：机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化变质、过电压、材料缺陷、设计和制作工艺不良以及护层腐蚀等。按照故障出现的部位，通常可分为线芯断线故障、主绝缘故障和护层故障。按其故障性质可分为低阻故障和高阻故障。低阻故障指的是故障点绝缘电阻下降至该电缆的特性阻抗（即电缆本身的直流电阻值），甚至直流电阻为零的故障，也称短路故障。高阻故障指的是故障点的直流电阻大于该电缆的特性阻抗的故障，可分为断路故障、高阻泄露故障和闪络性故障。其中高阻泄露故障是指在电缆高压绝缘测试时，当试验电压升高到一定值时，泄漏电流超过允许值的高阻故障。闪络性故障是指试验电压升至某值时，电缆局部出现闪络放电现象，泄漏电流突然波动并随电压稍降而消失，但电缆绝缘仍然有较高的阻值。由于这种故障点没有形成电阻通道，只有放电间隙或闪络性表面的故障，故而称为闪络性故障。

在实际测试时，一般先用万用表、兆欧表等测量故障电缆的相间、相对地的绝缘电阻，结合电缆的情况以及绝缘电阻的测量情况初步判断电缆的故障类型，再根据不同的故障类型针对性地选择故障测寻方法。

3　电力电缆故障预定位方法［2］

判明电缆故障的性质后，一般要先进行预定位测试，估算出故障点到电缆头的距离，这一过程也称为故障测距。预定位测试可以避免查找故障点的盲目性，提高工作效率。电力电缆按照故障出现的部位，通常可分为线芯断线故障、主绝缘故障和护层故障，它们的检测方法略有不同。

3.1电缆芯线及主绝缘低阻性故障

传统的电力电缆故障测寻方法是直流电桥法，常用于电缆低阻故障（含短路故障）和电缆外护层故障点的测寻，其测试原理图如图1所示。如图所示，将电缆的故障相C相与正常相A相在对端短接组成电桥的两个臂，在测量端外接两个可调电阻组成电桥的另外两个臂，施加直流电压并调节电桥使之平衡（检流器G中无电流流过）。根据电阻比值和电缆全长，可求得故障点的距离。式中，RL＋L－X为电缆A相测试点至C相故障点之间的电阻，RX为电缆C相测试点至C相故障点之间的电阻，若电缆的芯线材料均匀、阻值均等性良好，则可得：式中，X为电缆C相测试点至C相故障点的距离，L为被测电缆的长度。

图1　直流电桥法测试原理图

该方法可用于低阻故障（含短路故障）的测距，如使用电容电桥还可以测量断线故障。但对于高阻和闪络性故障，除非采用外施高压事先将故障点烧成低阻故障，否则，由于注入的电流太小，电桥很难平衡。

电桥法测量时要知道电缆的全长等资料，对电缆的芯线材料的均匀性、阻值均等性、对端短接线电阻及接触电阻的要求也都很高。另外，电桥法无法测量三相短路及三相断路故障。

目前提出了一种新的、更简便有效的方法—直流电阻法，其测试原理图如图2所示。先将电缆的故障相芯线与护层铠装短接，再用直流高压设备向护层铠装注入直流电流（电压一般在5kV左右）。测量芯线与护层之间的电压以及注入的电流，两者相除即得测试点到故障点这一段的护层电阻值。将该电阻值与单位长度的护层电阻值比较，就能得出故障点的距离。这种方法成功地避免了测试接线的接触电阻以及对端短接线电阻的影响，因而测试结果比较准确。另外，现场使用时，应该注意采用同相芯线作为辅助线，而避免使用其他相的芯线或金属护层，这样，同相的芯线和护层相当于同轴电缆结构，有助于减少现场电磁干扰对测量结果的影响。

图2　直流电阻法测试原理图

低压脉冲反射法，又称雷达法，亦称为时域反射法（Time Domain Reflectometry，TDR），是指脉冲反射仪在不通过高压冲击器的情况下，独立测量电缆的低阻和断路故障。测试时向电力电缆的故障相注入低压脉冲，该脉冲以一固定波速沿电力电缆传播到阻抗不匹配点（即短路、断线和接地故障点）时，由于波形阻抗发生变化，在故障点产生一个反射脉冲，回送到测试点由仪器记录下来。根据发射脉冲与反射脉冲的往返时间差和脉冲在电力电缆中传播的波速度，便可计算出故障点离测试点的距离。行波故障测寻是根据电压和电流行波在线路上固定的传播速度（电缆中波速约为160～220m／μs）这一特点，提出了行波故障测距方法。低压脉冲反射法的接线示意图如图3所示。

在电缆的低阻或断路故障相接脉冲反射仪的一端，另一端接金属护套，由于金属护套的波阻是均匀的，因此可根据反射波形计算故障点的距离。该方法可测定低阻和开路故障，测量准确率较高；但不能测高阻和闪络故障，因为这两种故障点处的行波反射系数很小，反射仪难以识别。

图3　低压脉冲反射法测试示意图

3.2电缆芯线及主绝缘高阻性故障［3］

脉冲电压取样法，又称冲击高压闪络法，是20世纪70年代发展起来的一种用于测量高阻泄露与闪络性故障的测试方法。利用直流高压或脉冲高压信号击穿电力电缆的故障点，通过记录放电电压脉冲在测试点与故障点往返的时间计算出故障点的距离。脉冲电压法主要有直流高压闪络测量法（直闪法）和冲击高压闪络测量法（冲闪法）两种方法。可以测量高阻故障和闪络性故障。

脉冲电流取样法又称为冲击高压电流脉冲取样法。其原理是：故障点在高压下击穿时，陡度很大的高压直流电流到达故障点会发生瞬时放电现象，产生强烈的放电声音、放电火花和放电脉冲波。故障点的放电脉冲波在测试端和故障点之间往返，在电缆的测试端口将电波记录下来，便可以电波波形来判断电波往返反射的时间，再根据电波在电缆中传播的速度换算出故障点到测试端得距离。这种方法用互感器将脉冲电流耦合出来，波形较简单，较安全。也包括直闪法及冲闪法两种类型，其中直闪法用于测量闪络性高阻故障，而冲闪法既可测量泄露性高阻故障，也可测量闪络性故障。

二次脉冲法是20世纪90年代国外发明的，又称高压弧反射法，即结合高压发生器冲击闪络技术，在故障点起弧的瞬间通过内部装置触发发射一低压脉冲，此脉冲在故障点闪络处（电弧的电阻值很低）发生短路反射，并记忆在仪器中，电弧熄灭后，复发一测量脉冲通过故障处直达电缆末端并发生开路反射，比较两次低压脉冲波形可非常容易的判断故障点（击穿点）位置。此法的局限性在于故障点始端或近端波形复杂，而且有一定的盲区，误差较大。

3.3电缆护层故障

电缆护层故障测试是近年来比较突出的1个新问题。因为低压电力电缆一般都是三相统包结构。对金属护层的对地绝缘一般没有特殊要求。但对于高压单芯电缆，外护层绝缘一旦发生故障，造成金属护层多点接地，会产生环流，致其发热会加速电缆的老化，缩短电缆的使用寿命。另外，故障处进水也会造成电缆受潮。所以高压单芯电缆在运行中要求护层绝缘良好，通常只在电缆头的一端直接接地。

对于高压单芯电缆的护层故障，由于大地的行波损耗很大，脉冲法所能测试的距离很短，已经不能有效使用。因为在发生电缆外护套绝缘故障时，一端接电缆外护套，一端接土壤（其波阻不均匀），用回波反射法测得外护套故障的反射波形是不规律的，不能根据反射波形计算故障点的距离，故通常使用直流电桥法或直流电阻法进行测量。

4　电力电缆故障精确定位方法

电力电缆故障的精确定位（亦称定点）是故障查找的关键。由于电缆端部预留以及测量误差等原因，通过预定位方法算出电缆故障点的距离后，需要再通过精确定位的方法，找出故障点的准确位置。

对于电缆芯线及主绝缘低阻性故障的电缆，一般采用音频感应法通过检测地面上磁场的变化来确定故障点位置。在电缆故障相注入音频电流信号，经故障点后流回电源。由于电磁耦合作用，在大地中会产生感应电流，从而形成地面磁场。用线圈在地面上沿电缆走向检测，信号明显变弱或中断的地方一般就是故障点位置。

对于电缆芯线及主绝缘高阻性故障的电缆，施加高压脉冲后，故障点会发生伴随声音信号和电磁信号的放电。在地面上沿电缆走向用振动传感器拾取放电时产生的声音信号并加以放大，收到信号最强的地方一般就是故障点位置，这种定位方法称为声响法。但声响法不易区分外界振动噪声的干扰。如果同时再检测放电所产生的电磁信号，不但能有效排除掉非放电时的外界振动声音，还能根据接收到声音、电磁信号的时间间隔，大致估计出故障点到探头的距离，这种测试方法叫做声磁同步法。

对于地埋电缆护层故障的定位，大多使用跨步电压法，其原理是：在故障护层上注入直流电压，经故障点后由大地流回，从而在地面产生跨步电压；在预定故障距离附近用一对探头沿电缆走向检测不同位置的跨步电压值，根据其大小、极性，就可以确定故障点的位置。在实际使用中，为减小地面杂散电流的影响，通常注入的是直流脉冲信号。如果先将零位在中心的电压检测计的指针调零，当直流脉冲到来时，根据指针摆动的幅度及偏向，判断故障点的远近及方位。但是，在现场条件下，由于地面杂散电流的影响，通常很难将电压检测计调零并保持。根据现场的使用经验，这时宜采用数字电压表（例如普通的数字式万用表的毫伏档），以检测脉冲到来时电压读数变化的幅度来衡量跨步电压，这样有助于解决电磁式电压表调零难的问题。

跨步电压法的检测方法有两种，如图4（a）、（b）所示。图（a）利用在故障点正上方跨步电压为零、在故障点两侧沿电缆走向跨步电压极性相反且达最大值的特征来对故障点定位；图（b）利用放电电流在故障点上方环形发散的特征，在不同方向分别寻找两个等电位点，故障点必然位于两组等电位连线的垂直平分线的交叉点上。

图4　跨步电压法

5　应用实例

2011年3月22日下午JX1－1油矿突然停电，严重影响了各平台正常运行。经排查判断，可能属CEPA至WHPB海缆故障。3月23日测试人员对JX1－1油矿CEPA至WHPB海缆进行故障检测，用万用表初测的结果如下：

绿相对地：0MΩ绿相对红相：0MΩ

红相对地：0MΩ绿相对黄相：0MΩ

黄相对地：0MΩ黄相对红相：0MΩ

由初测结果可以看出，此海缆的三相全为低阻性故障，故选择低压脉冲法分别对海缆的两端进行测试。测试结果如图5所示。

图5　低压脉冲法测量波形（JX1－1 CEPA至WHPB海缆）

从绝缘测试和万用表测量数据可以判断，此故障属海缆三相接地故障，且无法测量海缆全长，通过海缆测试数据分析，从CEPA平台侧测量故障点距离为127.7m，WHPB平台侧测量故障点距离为4202.3m。

该测量结果后经海缆抢修项目检验比较准确，为海缆的修复工作起了重要的指导作用。事故后调查发现，由于作业船施工时刮擦到海缆，导致海缆受到损伤，后经长时间海水浸泡导致最终接地。

6　结束语

目前电力电缆故障测试已基本上形成了一整套行之有效的方法，便于测试查找各种已知类型的故障。电缆护层故障可以采用电桥法和直流电阻法进行预定位，采用跨步电压法进行精确定位。电桥法、直流电阻法和低压脉冲法对断线低阻故障很准确，但对高阻不适用。冲击高压闪络法、冲击高压电流脉冲取样法和高压弧反射法可以测量线缆高阻性故障，但测量仪器和测量线路存在误差，且波形有时不够明显，靠人为判断，仪器误差相对较大。随着计算机技术和信号处理技术的发展及应用，电缆故障定位的新方法不断涌现，但目前大部分还处于理论研究和仿真阶段，其有效性还需要在实践应用中进行检验。

参考文献：

［1］徐丙垠.电力电缆故障探测技术［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［2］韩伯锋.电缆故障闪测原理与电缆故障测量［M］.西安：陕西科学技术出版社，1993.

［3］崔江静.电力电缆故障测试技术与应用概述［J］.高电压技术，2001，（7）：40－43.

中图分类号：TM247；TM835

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）06—0043—04

作者简介：

王昆（1983－），男，硕士研究生，主要从事海洋工程电仪表方面的工作。

收稿日期：2015－07－05

Fault testing and positioning of high voltage cable

WANG Kun1，LI Min－xue1，JIAO Chun－jing2
（1.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China；2.China Offshore Oilfield Service Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Abstract：The fault types，the failure search steps and the failure detection methods commonly used in domestic and foreign countries for the high voltage cables are presented.Through the analysis and discussion on the failure positions，the fault types and the corresponding rough positioning and accurate positioning methods，a set of effective methods of fault testing and positioning for the high voltage cables are given.

Key words：HV cable；positioning；fault location measurement；shield