基于低压脉冲法和脉冲电流法的电缆故障测距分析

苏燕民

(福建棉花滩水电开发有限公司，福建龙岩364000)

0 引言

电缆供电以其安全、可靠、有利于美化城市与工矿布局等优点，获得了广泛的应用，但随着其使用量日益增多，电缆故障也在不断增加，如何快速准确地找出电缆故障点，测出故障点距离及定位，这就要求测试人员首先要选好和用好测试仪，并能正确识别波形。目前国内外广泛使用低压脉冲法和脉冲电流法检测波形，本文基于这两种方法对电缆各种故障测距进行分析，给出电缆故障探测步骤，结合实例对波形识别总结，以期达到节省人力物力、提高电缆故障寻测效率及缩短处理电缆事故时间的效果。

1 电缆故障的原因

电缆故障的原因大致可归纳为:机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化变质、过电压引起的绝缘损坏、材料缺陷、护层的腐蚀、电缆过热、电缆的绝缘物流失以及中间接头和终端头的设计和制作工艺问题等。总的来说，由于制造缺陷而造成的电缆故障是不多的，而机械损伤引起的电缆故障占电缆事故很大的比例，除此以外，故障常见的部位还多数发生于终端头、中间接头部分，因为施工质量不良、工艺差，用料不当，安装中残留缺陷如潮气未去除干净等，运行后缺陷逐渐发展造成故障。

2 电缆故障性质分类

由电缆绝缘损坏而引起的故障的类型大体上分为四大类:低电阻(或短路)故障、开路故障、闪络性故障及高电阻故障。

(1)低电阻(或短路)故障。电缆的一芯或数芯对地绝缘电阻或者芯与芯之间绝缘电阻低于200 Ω(注意:这里所说的低电阻值与用电桥法测试时所指的低电阻不一样，电桥法认为小于100 kΩ的故障为低电阻故障，因为传统的电桥法可以测量这类故障)，一般常见的有单相接地、两相短路或接地及三相短路或接地等。

(2)开路故障。电缆有一芯或数芯导体不连续，有时还伴有经电阻接地的现象。

(3)闪络性故障。电缆的一芯或数芯对地绝缘电阻或者芯与芯之间绝缘电阻比较高，但当对电缆进行直流(或交流)耐压到某一值时，出现突然击穿现象。这类故障大多在进行预防性耐压试验时发生，故障现象不稳定。

(4)高电阻故障。电缆的一芯或数芯对地绝缘电阻或者芯与芯之间绝缘电阻低于正常值但高于200 Ω，这种情况由于电阻不是很高，电压加不上。

3 电缆故障探测的步骤

电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤。

3.1 电缆故障性质的诊断

电缆故障性质的诊断，即确定故障的类型与严重程度，以便于测试人员对症下药，选择适当的电缆故障测距与定点方法。

可以根据故障发生时出现的现象初步判断故障的性质。用兆欧表在电缆的一端测量各相对地及各相之间的绝缘电阻，如果测得的绝缘电阻较高时，应作导体的连续性试验，即在电缆的一端将三相导体短路并接地，在另一端重复测量，以确定导体是否烧断;而如果兆欧表测得的绝缘电阻指示为零时，还要用万用表测量故障电阻的精确值，以确定故障是否属于低阻;另外，可通过直流(或交流)耐压试验确定高电阻与闪络性故障，弄清故障点的击穿电压。

3.2 电缆故障测距

电缆故障测距，又叫粗测，即在电缆的一端使用仪器确定故障距离。目前普遍采用行波测距法，即低电阻(或短路)故障与开路故障采用低压脉冲法，它比电桥法简单直接;闪络性故障与高电阻故障用脉冲电流法，两者均通过脉冲信号在故障点与测量点之间往返一次的时间测距，但前者是主动向电缆发射探测电压脉冲，后者是被动记录故障击穿产生的瞬间脉冲电流信号，信号的记录与处理显示可由同一电路完成，故可使仪器同时实现两个功能。

3.3 电缆故障定点

电缆故障定点，又叫精测，即按照故障测距结果，根据电缆的路径走向，找出故障点的大体方位来，在一个很小的范围内，利用声磁同步测试法或音频感应测试法确定故障点的准确位置。

一般来说，成功的电缆故障探测都要经过以上三个步骤，而其中最关键的是故障测距，因为只有测出故障距离，确定一个大体方位来，再在一个很小的范围内(10 m左右)来回移动定点仪器探测电缆故障点声磁或音频信号精确定点就容易多了。

4 低压脉冲法测距波形的分析

低压脉冲反射法，又叫雷达法。主要是用于电缆的低阻(或短路)故障及开路故障的测距。这种方法比较简单直观，通过观察故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差进行测距。不同的故障性质具有不同的反射波，如果发射脉冲是正极性的，回波脉冲也是正极性的，表示是开路故障;如果回波脉冲是负极性的，则是低阻(或短路)故障。对于低压脉冲法测距波形的分析如图1所示:

(1)良好电缆反射波形分析。t1时刻是测距仪发射脉冲，t2时刻为终端反射脉冲(即电缆全长反射)，t3时刻为终端二次反射脉冲(即电缆全长二次反射)，t1～t2或t2～t3所显示的距离为电缆全长。

(2)低阻(或短路)故障波形分析。t1时刻是发射脉冲，t2时刻为低阻(或短路)故障反射脉冲，t3时刻为终端反射，t4时刻为低阻(或短路)故障点二次反射。故障点距离为t1～t2或者t2～t4所显示的距离。

(3)开路故障波形分析。t1时刻是发射脉冲，t2时刻为开路故障的反射脉冲，t3时刻为开路故障点二次反射。开路故障距离为t1～t2或者t2～t3所显示的距离。

对于低压脉冲法测距波形的分析，要把握住“极性、幅度、时间”三个要点。

图1 低压脉冲法测距波形分析

5 脉冲电流法测距波形的分析

电缆的高阻与闪络性故障由于故障点电阻较大(大于10倍的电缆波阻抗)，低压脉冲在故障点没有明显的反射(反射脉冲幅度小于5%)，故不能用低压脉冲法测距。脉冲电流法是将电缆故障点用高电压击穿，使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一趟的时间来计算故障距离。脉冲电流法采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号。脉冲电流法分直流高压闪络与冲击高压闪络两种测试方法，下面分别介绍。

5.1 直流高压闪络测试法(直闪法)波形分析

直流高压闪络测试法(简称直闪法)用于测量闪络性故障，即故障点电阻极高，在用高压试验设备把电压升到一定值时就产生闪络击穿的故障，一般在预防性试验中出现的电缆故障多属于该类故障。直闪法测试接线如图2所示。

图2 直闪法测试接线图

直闪法典型波形如图3所示，图中第一个脉冲是由故障点传来的放电脉冲，而第二脉冲是从故障点返回的反射脉冲。

图3 直闪法典型波形

5.2 冲击高压闪络测试法(冲闪法)波形分析

在故障点电阻不是很高时(＞200 Ω的高阻故障)，因泄漏电流较大，电压几乎全降到了高压试验设备的内阻上，电缆上电压很小，故障点形不成闪络，故不能用直闪法，须使用冲击高压闪络测试法(简称冲闪法)。当然，冲闪法除适用于高阻故障外，也适用于测试大部分闪络性故障。冲闪法测试接线(见图4)，与直闪法测试接线图比较，不同之处只是在高压试验设备与电缆导体之间串入一球形间隙G。

图4 冲闪法测试接线图

冲闪法典型波形如图5所示，图中第一个电流脉冲是电容对电缆的放电造成的，第二个脉冲是由故障点传来的放电脉冲，放电脉冲在整个波形上幅值最大，且变化十分尖锐，在故障点击穿后，放电脉冲到达测量点后产生反射折回故障点，在故障点又被反射回到测量点，这一过程不断进行。故障点放电脉冲与相应的故障点反射脉冲之间的时间差即故障点距离。

图5 冲闪法典型波形

6 实例分析

6.1 实例1

(1)地点:厦门正新海燕厂正东变10 kV 921柜至厦门正新实业(内胎厂)开闭所902柜电缆。

(2)电缆概况:型号YJV22 3×300 mm28.7/10 kV，电缆总长约mm，有两个中间接头。

(3)故障性质:单相低阻接地故障(C相)，用万用表测量C相对地电阻为1 Ω。

(4)使用仪器:山东淄博科汇电气有限公司T-903A电力电缆故障测距仪。

(5)故障测距:因为是交联聚乙烯电缆，波速度选取172 m/μs，用低压脉冲法测量完好线芯得出电缆长度为1077 m。首先在海燕厂内电缆终端头用低压脉冲法分别测出B相(完好相)与C相(故障相)波形，两波形比较后测出故障点在距离海燕厂终端头527 m处(即离内胎厂终端头550 m处)，波形如图6所示。

然后，在内胎厂内电缆终端头同样用低压脉冲法分别测出B相与C相波形，比较后测出故障点在距离内胎厂终端头550 m处(即离海燕厂终端头527 m处)，与前面在海燕厂测出的故障点数据完全吻合，故认定该点为故障点。

图6 完好相与故障相低压脉冲波形比较

(6)故障定点:用皮尺从内胎厂开闭所电缆终端头开始测量，一直量到550 m处(即内胎厂围墙外20 m处)，发现该处几天前进行过打桩施工，故立即进行开挖后发现一根长4 m多的水泥桩正好打在该电缆上。

6.2 实例2

(1)地点:厦门嵩屿电厂#2机主厂房6 kV 2 A段#6B柜(711)至燃料配电室6 kV运煤除灰B段电缆。

(2)电缆概况:型号ZRC-YJV 3×150 mm26/6 kV，电缆总长约592 m，通过桥架→竖井→电缆沟敷设，没有直埋部分。

(3)故障性质:单相高阻接地故障，即B相对地用摇表测绝缘电阻0 MΩ(其他两相对地绝缘电阻均在10000 MΩ以上)，用万用表进一步测量B相对地电阻为50 kΩ。

(4)使用仪器:山东淄博科汇电气有限公司T-903A电力电缆故障测距仪，T-302电缆测试高压发生器，T-504电缆故障定点仪。

(5)故障测距:设波速度为172 m/μs，用低压脉冲法测量一完好线芯得出电缆长度为592 m左右。因为故障性质为单相高阻接地故障，用脉冲电流法之冲闪法进行故障测距。冲击电压15 kV，使用2 μf电容器。波形如图7所示，得出故障点在距离燃料配电室电缆终端头303 m处。

(6)故障定点:用皮尺从燃料配电室电缆终端头开始测量到303 m处(该处为草地覆盖，下有电缆沟)，用电缆故障定点仪采用声磁同步测试法对故障点进行定点，未听到放电声，故继续沿电缆敷设方向探测，最后在332 m处附近听到明显放电声及看到相对应的故障点声磁波形，挖开草地掀起电缆盖板后，发现电缆该处有一长1 cm左右裂口对电缆支架放电。

图7 冲闪波形1

为什么故障测距仪测出距离(303 m)与实际故障点距离(330 m)误差达27 m呢?重新用冲闪法对电缆进行故障测距录波查找原因，最后得出真正故障点为332 m处的拐点(见图8)。

图8 冲闪波形2

比较图7、图8两次故障测距波形，发现造成27 m测距误差的原因是第一次测距时所设测量范围(2752 m)太大了，结果得出的波形把真正故障点(图7中标注实际故障点位置)压缩掩盖，而第二次测距时将测量范围设为较接近电缆实际长度的688 m，显示比例由2∶1改为4∶1后，实际故障点(拐点)就显现出来。此例表明，为提高故障测距的准确性，合理灵活设置测量范围、显示比例大小很重要。

7 结束语

电力电缆故障探测是一项技术性和经验性很强的工作，而故障测距定位经验积累是一个缓慢积累的过程，只有掌握波形的形成原因，及时准确地采用低压脉冲法或脉冲电流法进行测距，分析波形的突变拐点，才能为故障的迅速处理赢得宝贵的时间，并能及时排除线路故障而迅速恢复供电。

［1］陈化钢.电力设备预防性试验方法及诊断技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2001.

［2］徐丙垠，李胜祥，陈宗军.电力电缆故障探测技术［M］.北京:机械工业出版社，1999.

［3］王润卿，吕庆荣.电力电缆的安装、运行与故障测寻［M］.北京:化学工业出版社，2001.