高压电力电缆故障分析及相关技术

王沐雪，王紫叶，陈语柔，杨博俊

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

我国城市化建设逐渐推进，架空输电线路具有的占地面积过大、存在安全隐患等问题推进了电力电缆的应用。作为传输和分配电能的设备，电力电缆具有占地少、可靠性高、电能质量和利用率高、维护工作量小以及发展前景好等优势[1]。

电力电缆的应用日益普遍，由电力电缆引起的运行故障也随之而来，并逐渐频繁。因此，有必要对电力电缆进行故障剖析，并找到合适的应对措施[2-3]。电力电缆地下埋设这一特殊性质，给故障的发现与检修带来了许多不便，使其耗时长且需要投入较大的人力物力。在这种情况下，寻求便捷可靠的故障诊断、故障粗测以及精测定点的技术方法极为重要。因此，本文从电力电缆常见故障及其成因入手，简述电力电缆故障分析各阶段的技术手段，以期为科研人员提供一定的参考和帮助。

1 电力电缆故障常见类型

1.1 低阻故障

低阻故障是指电缆因为绝缘材料受损导致绝缘电阻Rf过小的一类故障[4]。此故障下，绝缘电阻可由低压脉冲法测量，一般满足Rf＜10Z0（其中Z0为电缆的波阻抗，常取10～40 Ω）。一般在低压动力电缆和控制电缆上容易出现低阻故障，而短路故障是一种特殊的低阻故障。

1.2 开路故障

开路故障是指电缆由于金属部分连续性被破坏而形成断线的故障[4]。此故障下，绝缘电阻Rf一般为无穷大，满足规定要求，但负载能力差，不能将工作电压传输到终端。同时，故障点的绝缘也会受到不同程度的损害。断线故障是一种典型的开路故障。

1.3 高阻故障

高阻故障和低阻故障相同，也是由于电缆相间或相对地绝缘受损导致的。但是，此故障下，绝缘电阻Rf较大，超过了10Z0，不能通过低压脉冲法测量。高阻故障常出现在高压动力电缆上，占其总故障的80%以上。它分为泄露性高阻故障和闪络性高阻故障两大类。

2 电力电缆故障形成原因

本文将日常生活中较常见的电缆故障成因分为4类[5-6]：（1）电缆自身质量不佳；（2）电缆施工不当；（3）电缆运行环境存在问题；（4）外力引起的机械损伤。

2.1 电缆自身质量不佳

由于技术成熟，我国常用的中低压电缆一般不存在设计和工艺问题。自身质量问题，是导致高压电力电缆故障的主要原因。由于市场竞争激烈，商家为降低成本，可能并没有按照规范的标准来设计制造电力电缆，或者轻视了制造材料的选择，可能导致最终的产品存在偏心、气隙、杂质或损伤等诸多问题。例如，由于未将绝缘部分包裹好引起的绝缘受损，电缆设计中零件未按技术要求制造导致泄露问题，电缆附属设备由于粗制滥造使得其金属表面不光滑。这些先天不足的电缆一旦投入使用，极有可能造成严重的电力事故，威胁人们的生命安全。

2.2 电缆施工不当

在电缆铺设过程中，由于施工未按照规范严格进行，导致在接近电缆处施工时容易出现电缆表面破损的情况，大大降低了高压电力电缆的绝缘性。受损电缆投入运行后由于所处环境潮湿，很可能出现内部进水的情况，导致绝缘因受潮进一步劣化，缩短了电缆的使用寿命，严重时可造成电力系统崩溃，不利于人们的生产生活。

2.3 电缆运行环境存在问题

为了应对不断增加的用电需求，电缆往往长时间处于超负荷状态。此外，电缆路径与热力管道可能出现交叉，会使得电缆运行环境温度较高。暴露在空气中的电缆长期处于高温环境下，会导致电缆过热、加快电缆老化使得电缆绝缘性大幅下降，易引起击穿事故。如果电缆铺设路段具有强腐蚀性，电缆表面的保护层会进一步受到侵蚀，出现电缆断裂而导致短路事故的概率增加，存在极大的安全隐患。

2.4 外力引起的机械损伤

在电力电缆安装、运输过程中，可能会使电缆因外力而出现机械损伤，由此引起的事故超过了电缆总事故的50%。外力引起的电缆机械损伤一般可分为如下3类：（1）在机械开挖与人工打桩环节，不经核对便随意作业，导致电缆受损；（2）电缆由于安装固定不牢，发生拉扯、摩擦而导致故障发生，多出现在移动设备上；（3）由于重物碾压地面引起的电缆错位变形等故障，一般突出表现在直埋电缆上。

3 电力电缆故障分析

电力电缆故障分析主要包括以下3个步骤：（1）故障诊断，即检测故障是否存在，辨别正常和故障的电缆芯线，同时确定故障类型；（2）故障测距，即初步确定故障发生的距离，为下一步精确定点提供需要的准确信息；（3）精测定点，在故障测距的基础上，实现故障点精准定位，以便及时开展检修。本文主要探讨故障测距和精测定点的技术方法。

3.1 故障测距

3.1.1 离线测距方法

（1）阻抗法。阻抗法是指在选取测量端后，通过测量、计算测量端到故障点的阻抗，根据线路参数列出故障点方程并对其进行求解，最终得到故障距离[4]。阻抗法一般建立线路的集中参数模型，所以原理较为简单且容易使用。阻抗法的实现一般通过经典电桥法，较为简单，精度较高，但存在适用范围小的缺点。伴随着在线故障测距等技术的发展，阻抗法与行波法相比，劣势愈发明显。

（2）行波法。行波法是通过测量行波传播的时间来获得故障位置的方法[4]。它一般包括低压脉冲反射法、脉冲电压法、脉冲电流法以及二次脉冲法。低压脉冲反射法简单直观且不依赖于电缆资料，但不能测量高阻故障和闪络故障。脉冲电压法测试速度快，但脉冲电流法对试验仪器和人员更加安全，且脉冲电流信号更易辨认。二次脉冲法测量精度高，但仪器更复杂且测试时间长，对二次脉冲进行控制难度更大。

3.1.2 在线测距方法

在线测距是指将传统测距原理与计算机技术结合。现提出的计算机技术主要是地理信息系统，即通过在地理信息系统中录入电缆的原始资料，在故障测距时将测量结果连接上地理信息系统来确定故障点的具体位置。在线测距方法是电缆故障测距的必然发展趋向，需要完善电缆资料信息与计算机软硬件作为基础。

3.2 精测定点

3.2.1 声测定点法

声测法定点是国内目前使用最广泛的定点方法[7]。它通过给故障电缆施加高幅度冲击电压使故障点出现闪络放电，从而产生较大的放电声传至地表，以实现故障点的精准定位。在实际测量过程中，由于无法排除环境噪声会给定点带来困难，提出了声磁同步法对其进行改进。当地振波信号与电磁波能达成同步，则此处为故障点。

3.2.2 音频定点法

当电缆发生相间或相对地短路时，声测定点法无法完成定点，此时可采用音频定点法[7]。音频定点法是通过分析故障点前后电缆两芯线里的电流所产生的磁通变化规律来实现故障点的精准确定。但是，实际应用中，由于音频定点法的结果影响因素众多，实现该方法存在一定难度。

3.2.3 声磁传播时间测量定点法

上面两种方法在运用到实际测量时，受限于最强信号的判断，准确度与可操作性大打折扣，于是提出了声磁传播时间测量定点法。该方法在冲击脉冲放电的同时，在电缆铺设路径所处地面测量声波从故障点到测量点的传播时间，用声波和电磁波传播时间差反映声波的实际传播时间。最后，通过式（1）计算得到故障点的位置：

该方法是目前较理想的精测定点方法，可以避免环境噪声干扰较大等原因造成的听觉判断误差，较前两种定点方法优势显著。

4 结 论

本文从电力电缆故障的常见类型入手，多角度分析了电力电缆故障形成的原因，简述了电力电缆故障分析主要包括的三个内容——故障诊断、故障测距与精测定点，并分别叙述了故障测距和精测定点使用的技术方法及其优劣。