电力电缆故障检测及故障点定位方法探究

张仲文

摘要：由于电力电缆多敷设在地下电缆管或沟里，有效避免了自然侵蚀和人为破坏，其防腐蚀和防损伤的优点尤为突出。然而对比架空线路，电力电缆的故障性质和位置判断比较困难，如何迅速、准确地判断故障性质，查找故障点，显得特别重要。文章对电力电缆故障类型进行了分类，对故障检测方法进行了分析，并阐述了电力电缆故障点定位新技术。

关键词：电力电缆；故障检测；故障点定位方法；电力系统；故障排除 文献标识码：A

中图分类号：TM73 文章编号：1009-2374（2016）34-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.017

1 概述

电力电缆在实际运行或试验过程中，出现的故障多种多样，表现形式也各有不同。为了快速查找和排除故障，确保电力电缆线路的安全可靠运行，故障检测技术人员必须具备和掌握故障发生原因的分析能力、故障类型判断能力、故障查寻步骤和常用方法、熟练使用故障测试定位仪器的技能等。本文阐述了电力电缆故障类型、检测步骤，并重点对电力电缆故障检测及故障点定位方法进行研究分析。

2 电力电缆的结构

电力电缆按其内芯的数量划分，可分为单芯电缆和三芯电缆两种。不论是单芯电缆还是三芯电缆，电力电缆按其导线截面划分，又可分为各种截面的型号规格。但是，不论是单芯还是三芯电缆，也不论是哪种截面型号规格的电缆，其基本结构都是一样的，即都是由导体、绝缘层和保护层组成。其中：导体在电缆最中央，起电流电能传导的作用；绝缘层在导体和外保护层之间，起绝缘作用；保护层在最外层，起保护电缆承受一定的拉力的作用。目前应用最广泛的是由铜导体、交联聚乙烯绝缘和高密度聚乙烯材料构成的电缆。在电力系统中，高压部分，如110kV、220kV、500kV电缆常采用单芯电缆；中低压部分，如10kV和低压电缆线路采用三芯电缆。

3 电力电缆的故障类型及诊断

电缆在运行或预试过程中，常常会出现电缆的绝缘层或保护套出现损坏或故障的情况，从而会导致线路停电，甚至危害到整个电网的安全运行，那么造成电缆故障的原因有哪些呢？通常，导致电力电缆发生故障的原因较多，有机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化严重、原材料缺陷和制作工艺缺陷、雷击或其他冲击过电压而损坏等。其中，机械损伤占到电缆故障的八成以上。根据电缆故障发生部位的不同，电力电缆故障主要发生在电缆本体、电缆中间接头故障和电缆终端头故障。实际运行经验中大部分电缆故障发生在中间接头或终端头上。根据故障发生时间不同，分为运行故障、试验故障两种，从电缆故障的性质来看，电力电缆故障分为低阻故障、断路故障、高阻泄露和闪络故障。其中断线故障是由于电流过大所致，主绝缘故障则由故障电阻和击穿间隙所引发，一般情况下主绝缘故障又可分为低阻、高阻及闪络故障。低阻故障和高阻故障的区分界线是取电缆自身阻抗的10倍，但是在实际的检测中往往不会要求特别严格。闪络故障最为重要的特点是电缆故障点的电阻值非常大，可以给故障电缆施加极大电压，故障部位才会出现闪络击穿问题，以预防性试验出现此种故障居多。

4 电力电缆故障的检测步骤

当电力电缆发生故障后，有一套完整、适用的步骤能使检测人员在比较短的时间里找到故障点。电缆故障点测寻步骤大致可以分为：（1）确定电缆的故障性质，即使用绝缘电阻表分别测量线芯对地绝缘电阻和相间绝缘电阻或在电缆远端将三相短路，在近端用万用表测量相间导体电阻判断故障的性质是确定是接地、短路、断线，还是它们的混合；是单相、两相，还是三相故障；是高阻、低阻，还是闪络性故障；（2）对故障电缆进行粗略的检测定位，方法是在电缆的一端使用仪器确定电缆故障点距离。常用方法有电桥法、波反射法；（3）找寻故障电缆的敷设路径，粗略检测到故障点后，我们就要探测电力电缆的路径，找出故障电缆的敷设路径和埋设深度，其常用的仪器是管线路径仪；（4）对故障电缆进行精确的定位，检测技术人员根据电缆故障预定位的结果，在电缆故障点附近，通过仪器和设备对电缆故障点的位置进行精确定位。基本方法是跨步电压法和声测定点法。

5 电力电缆故障点定位方法

由于电力电缆故障类型的千差万别，电缆故障点所处的特殊环境对电缆故障的判断和测试也会产生一定的影响。而电力电缆的敷设特点决定一般无法直观确定障碍点，因此必须借助相关仪器进行判断和测试。本人结合实际工作，将比较常见的检测方法归纳如下：

5.1 电桥法

这种方法适用于短路故障、低阻故障、外护套故障。电桥检测法是采用双臂电桥检测出电力电缆芯线的电阻值，准确测量电力电缆的实际长度，根据电力电缆长度和电阻值之间的正比例关系，计算出电力电缆的故障点位置。

该公式是电桥法故障距离计算公式。值得注意的是，采用电桥检测法应确保检测的精确度，电桥的连接线应尽量短，接线直径要尽量大，与电力电缆的芯线连接需采用压接方式或焊接方式，整个计算过程的小数点需全部保留，不得进位。惠斯通电桥的基本原理是利用故障点两侧的电缆线芯电阻与比例电阻构成Whitestone/Murray电桥，是传统、经典的定位方法。另外，电桥检测法检测电力电缆故障除了双臂电桥外还应与兆欧表或万用表配合使用，从而为快速检测电力电缆故障点提供保障。

5.2 低压脉冲法

低压脉冲法一般适用于低阻短路或接地性故障、断线性故障，它的工作原理是通过发射低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短路点、故障点，脉冲产生反射，回送到测试点仪器被记录下来。根据波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差乘以脉冲的传播速度，就可计算出电缆的故障距离。

lx=v/2*tx

式中：v为波速度；tx为脉冲往返时间；lx为电缆长度；v/2为波速的一半。

用测试仪记录波来回反射一次的时间，根据上述公式，可以求出故障距离。应注意一点，脉冲波在介质中传播的速度和介质的材料有关，因此在测试时要选择相应的介质材料波速度，测量结果的误差就会比较准确。

5.3 冲击高压闪络测试法

冲击高压闪络测试法也是我们常说的“冲闪法”。用于大部分闪络故障，断路和低阻、短路性故障。电力电缆发生故障七成以上为高阻故障，尤其是预防性试验中出现击穿故障有九成为高阻故障。冲击高压闪络检测法适用于各种类型的高阻故障检测，它具有试验过程简便、准确和快捷等特点。

采用冲击高压闪络检测法进行故障检测分为两类，包括电感冲闪法和电阻冲闪法。二者最大的不同在于球形间隙相互串联的电感线圈L可换为电阻。两种方法的工作原理相近，但前者应用更为宽泛，高阻电力电缆故障查测多使用本方法。下面介绍电感冲闪法的工作原理：系统接通电源，电流经过调压器、变压器整流器对电容器充电，如充电电压升至一定值后，球间隙波击穿，电容器的电压通过球间隙短路电弧和小电感直接加设到电力电缆测量端。此冲击电压波沿着电力电缆方向朝故障点进行传播，电压峰值足够大，故障点因电离放电，故障点放电产生短路电弧同时沿着电力电缆发送电压波并反射。判断冲击高压闪络测试法的关键是判断故障点是否击穿放电方法如下：（1）故障点击穿时，球形间隙放电声清脆响亮，火花较大；（2）故障点击穿时，电流表指针摆动范围大。可以检测波形第一个上突跳拐点与下一个下突跳点的时间间距，可利用计算故障点距离测试端的距离。

5.4 跨步电压法

跨步电压法对于单相接地故障或两相、三相短路并接地故障，外护套故障适用。需用仪器：电缆护层故障定位电源，跨步电压指示器。其工作原理是在故障相与地之间，加上负极性的直流电源，从故障点流入土壤的电流在土壤表面形成漏斗状电位分布，通过探棒寻找土壤中的电势最低点。当仪表的指针偏向右侧，则向右测寻找，偏向左方，则向左方寻找，逐渐缩小故障的距离位置，直到指针位于正中间。跨步电压法的操作步骤如下，首先在目标电缆加脉冲电源升压3～5kV，然后把跨步电压指示器，通过专用连线与探棒相连，把功能键旋至跨步和最大灵敏度，探棒相隔2m左右，在初测故障点附近，插入土壤，选择合适灵敏度，观察指针指向，若电压为+，指针往+方向有规律摆动，说明故障点在红棒方向，向红棒方向移动一间隔，若电压仍为+，说明故障点仍在红棒方向，继续移动红棒，直到电压为-，指针往-方向摆动，调节红棒，使跨步电压为0，两棒中心为故障点位置。

5.5 声测定点法

声测法，顾名思义是按照故障电力电缆的释放电声查找故障，声测定点法适合电缆主绝缘故障的精确定点。利用故障点在高压冲击时的击穿放电声音进行精确的定位。其工作原理首先需要一个能使故障点产生规则放电的装置，利用该装置使故障点放电，然后才可以在初测的距离附近，沿电缆线路，用拾音器来接收故障点的放电声波，如果已经听到有规律的啪啪声，故障点就在此附件，此时沿电缆走向，前后移动定点仪，最后集中于最响点，以此来确定故障点精确位置。明敷电缆可根据听觉直接查找，而暗敷电缆则首先需求表明电力电缆的走向，在电声最小时借助助听器或听诊器放大电声的办法进行查找。在查找过程中，拾音器可贴近地面，沿着电力电缆的走向缓慢移动，如听到电声达到最大则判定该位置为故障点。应用本方法仅需注意安全问题，试验设备端和电力电缆末端需由专人监视试验过程。

6 电力电缆故障点定位新技术

6.1 高频感应定位法

通过利用高频信号波发生装置向电力电缆输入高频电流，由此产生高频电磁波，并由地上探头沿着电力电缆的路径接收电力电缆周边的高频电磁场，电磁场的变化经接收和处理直接显示于液晶屏幕上，按照显示数值的大小判定故障点位置。高频感应定位法和传统音频感应定位法更具优势，高频信号源比音频信号源更易实现且制造简单，也可减少定点探测设备的体积和重量，为小型化、便携式设备创造更为有利的条件。另外，高频信号的频谱抗干扰能力更强，直接显示于液晶屏幕的方式要比依靠人耳辨别更为可靠和直接，采用高频感应定位法也可在不停的情况下以耦合式接线方式来完成在线故障探测。

6.2 红外热象技术

电力电缆过载，芯线的温度急剧攀升，由此可以对电力电缆的芯线温度变化作为判定故障位置的依据。采用红外热象仪扫描电力电缆表面，拍摄表面温度场的分布图像，进一步处理得到温度场的数值分布，然后可根据已建立的传热数学模型、电缆结构参数、物性参数、环境温度和表面温度对电力电缆芯线的温度进行反演计算，从而可以实现电力电缆芯线温度的非接触故障探测。正是红外技术不需接触设备，不要求设备停运，且具有操作简便、检测速度快、工作效率高等优点，在未来的电缆故障检测中，红外热像技术必将发挥更大的作用。

7 结语

我国电力电缆故障测试技术水平在近些年中得到了很大的提高，对于不同特点的故障应采用相应有效的检测方法。电力电缆故障点定位应借助先进的测量仪器和检测设备，准确、快速地确定电力电缆故障点的位置，为及时处理故障赢得宝贵时间。本文通过介绍我国电力电缆的故障类型及诊断，并重点就电力电缆故障的检测和电力电缆故障点定位新技术进行探讨分析，旨在促进交流和学习，通过理论研究为我国电力事业创造更好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 徐丙垠，李胜祥，陈宗军.电力电缆故障探测技术

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[2] 杨体.一起10kV电缆单相接地故障的检测分析[J].大众用电，2011，（4）.

[3] 鹿洪刚，覃剑，陈祥训，刘兵.电力电缆故障测距综述[J].电网技术，2012，（20）.

（责任编辑：黄银芳）