海底电力电缆故障探测分析

敬 强，郑新龙，李世强

（舟山电力局，浙江 舟山 316021）

0 引言

随着海洋经济的发展，海岛能源的需求日益增大。海岛电力输送主要依赖海底电力电缆（以下简称海缆），随着海缆的大量使用，海缆故障也不断增加。如何快速准确地找出海缆故障点，迅速恢复供电，已经成为电力部门面临的又一新课题。2010年8月10日，上海芦潮港送嵊泗县的60 km±50 kV直流输电海缆双极停运。事故发生后，由于海缆较长、探测技术和能力不足，故障定位和检修工作极为困难，导致查找故障和停电时间过长，嵊泗电网全网停电，限电时间长达12天，引起了媒体的广泛关注，社会影响极大。因此，必须积极探索海缆故障测试技术，快速准确定位故障点，大大缩短海缆修复时间，以尽可能减少因海缆故障停电造成的经济损失。

1 海缆故障探测的步骤

1.1 确定故障性质

了解故障海缆的有关情况以确定故障性质，判断故障为接地、短路、断线还是它们的混合；是单相、两相、还是三相故障。

1.2 故障测距

故障测距即粗测，是在海缆的一端采用相应的故障测试方法初步确定故障距离，缩小故障点范围，便于更快找到故障点。

1.3 精确测定故障点

按照故障测距结果，依据海缆路由资料，找出故障点大致位置，在初步确定的区域内，采用对应的定点仪器，确定故障点的精确位置。

2 故障测距方法

海缆故障探测要经过以上3个步骤，其中故障测距是整个探测过程的关键。只有解决了测距难题，才能迅速找到故障点。

海缆的运行环境与陆地电缆有较大差异，但绝缘性能与陆地电缆一致，因此海缆的故障探测技术可参考陆地电缆故障测试。

当前，电缆故障测距技术主要有两大类：利用电缆阻抗探测电缆故障（即阻抗法）和利用电缆中的行波探测电缆故障（即行波法）。

阻抗法是通过测量和计算故障点到测量端的阻抗，然后根据线路参数，列写求解故障点方程，求得故障距离。

行波法又分为低压脉冲反射法、脉冲电流法和二次脉冲法。

（1）低压脉冲法适用于电缆的低阻、短路与断路故障，而不能用于高阻与闪络故障。

（2）脉冲电流法通过线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号，以高压击穿电缆故障点，用仪器采集并记录击穿故障点所产生的电流行波信号，通过测量故障点放电脉冲在故障点与测量端之间的运动时间来确定电缆故障距离。

（3）二次脉冲法是最新发展的电缆故障预定位方法，其原理是先发射1个低压脉冲，低压脉冲在高阻或间歇性电缆故障点不能被反射，而在电缆末端发生开路反射，仪器将这个显示电缆全长的波形存储起来；之后高压电容器放电，使电缆故障点发生闪络，在故障点起弧的瞬间也会触发1个低压脉冲，并叠加在高压信号上从故障点发生短路反射。将前后2次低压脉冲波形进行叠加对比，2条轨迹将有清楚的发散点，该点即为故障点。但是二次脉冲法对起弧后的低压脉冲发射间隔要求比较高，如果故障点受潮严重，故障点击穿过程较长，低压脉冲的发射间隔将相应增加；且故障点维持低阻状态的时间不确定，施加二次脉冲时的控制有难度。

3 故障波形分析

3.1 脉冲电流法测试波形

脉冲电流法用线性电流耦合器LH采集电缆中的电流行波信号，其原理如图1所示。

图1 脉冲电流法原理

LH实际上是一个空心线圈，与地线电流产生的磁场相匝连，即耦合感应地线中的电流变化。当故障点击穿产生的电流行波到达后，线性电流耦合器输出一脉冲信号，因此可以从线性电流耦合器有无脉冲信号输出来判断测量点是否有电流行波出现。

图2给出了故障点的低阻故障脉冲反射波形。由该直流闪络电流行波网格图可以看出，t=0时，球间隙击穿，注入的高电压波E沿电缆前进，相应的电流波为i0=E/Z0。时间τ后，高电压波到达故障点，故障点开始电离，经放电延时td后，形成短路电弧，击穿放电，故障点电压由E突跳为零。此时产生1个与高压脉冲相反的正突跳电压E0以及相应的电流i0，i0=E/Z0，其中Z0为电缆波阻抗。

图2 直接击穿的脉冲电流行波网格图

3.2 放电延时

根据分布参数传输线理论，行波信号在电缆中传播，遇到阻抗不匹配点（波阻抗不同的电缆）时，会产生2个波即入射波和反射波，定义入射波Ui和反射波Uf关系的是反射系数ρu：

式中：Z为阻抗不匹配点的等效阻抗；Z0为线路波阻抗。

若Z→∞，即电缆开路时，ρu=1，反射脉冲与入射脉冲大小相等、方向相同，开路点出现电压加倍现象。

若Z=0，即电缆短路或击穿时，ρu=0，入射脉冲与反射脉冲大小相等、方向相反，短路点出现电流加倍现象。

若 Z＜Z0，则-1＜ρu＜0，入射脉冲与反射脉冲极性相反，且反射脉冲幅度比入射脉冲幅度小。

脉冲电流波形的第一个脉冲是球间隙击穿时电容对电缆放电引起的。故障点击穿短路后，2τ+td时刻，故障点放电电流脉冲到达测量点，并与测量点的反射脉冲迭加，幅值为故障点放电电流脉冲的2倍，即2E/Z0（Z=0的情形），以后的脉冲则是电流行波在故障点与测量点之间来回反射所造成的。故障点的第二个反射脉冲在波形上与第一个反射脉冲之间的距离即故障距离。如图3所示，Δt即故障反射波形的反射时间。

Δt=2τ； L=V·Δt/2

式中：L为故障点距离；V为脉冲波速。

图3 脉冲电流法电流波形

需要注意的是，电容对电缆的放电脉冲与故障点放电脉冲的时间差并非脉冲在故障点与测量点间往返一次的时间2τ，而是比2τ多放电延时td，且td是不确定的，它与施加到故障点上的电压、故障点破坏程度、电缆绝缘材料等因素有关。

3.3 杂散电感引起的反脉冲

在实际波形中，由于击穿后电缆与电容中储存的能量会不断消耗，电缆中的电流随时间增加趋近于0；脉冲在电缆传播过程中会有损耗，因此反射脉冲的幅度会不断减小，变化逐渐缓慢；电容器本身和测试导线存在的杂散电感Ls对高频行波信号也有影响，阻碍了回路中的电流变化。

电感Ls引起的反射如图4所示。

图4 杂散电感等效电路及对电流直角波的反射

开始时因电感上的电流不能突变，相当于开路，电流行波反射系数为-1，出现负反射，波形向负方向变化。随着时间增加，电感上电流进入稳态，电感相当于短路，电流行波反射系数为+1，出现正反射，波形再向正方向变化，故波形上会出现小的负脉冲即反脉冲（与发射脉冲比较）。

考虑到故障点的放电延时和杂散电感，脉冲电流法测试波形应如图5所示，电容对电缆的放电脉冲与故障点脉冲的时间差（即波形上第一个正脉冲与第二个正脉冲之间的时间），比2τ多出了放电延时时间td和杂散电感影响的t0；而td不确定，它与施加到故障点上的电压、故障点破坏程度、电缆绝缘材料等因素有关。故障距离计算时，应该取第二个正脉冲到第三个正脉冲前面的负脉冲之间的时间差2τ。

图5 线性耦合器实际输出波形

4 现场实测波形分析

4.1 2009年某次充油海缆故障

该段海缆为充油海缆，全长约4.9 km，故障脉冲电流波形如图6所示。

图6 充油海缆故障脉冲电流波形

故障距离以第二个正脉冲到第三个正脉冲前面的负脉冲之间的时间差计算，得到故障点距测量点的距离约为：

式中：V为波速，160 m/μs。

长距离测试时，td和t0一般会因反射波衰减而不明显，所以故障距离应为：

由于杂散电感和放电延时的影响，故障波形第一个反射脉冲和第二个反射脉冲之间的时间差存在误差 t误差。

4.2 芦潮港-嵊泗直流双极海缆故障

2011年1月，芦潮港-嵊泗直流双极海缆出现故障。海缆全长约61 km，由于海缆较长，测量脉冲信号的衰减比较大。

采用脉冲电流法测得故障波形如图7所示。

图7 高压法测试波形

认真分析测试波形，发现测试波形比标准脉冲电流测试波形缺少反脉冲，而且没有第三个反射波形。这是由于故障点距离测量点较远，传播过程中存在衰减，反射脉冲不明显或者已消失（衰减），只能以脉冲下降处为起点计算故障点距离，故障距离就存在误差，t误差=td+t0。

对于同样材质的海缆（上述两段海缆均为充油海缆），其故障点击穿时间应差异不大，可近似选用同样的td。又因采用同一套仪器进行测试，所以t0也近似。

计算实际故障距离L：

现场打捞后确认，实际故障距离约6 890 m，实际故障点与测算故障点误差约2.1%。

长距离故障测试过程中的误差主要源于杂散电感Ls和放电延时td。对于同一故障测试装置，由于杂散电感Ls只与电容器本身和测试导线相关，因此只要测试导线不变，其杂散电感基本不变，则t0近似不变。对于同一根故障海缆，由于其状况基本一致，可选用同样的td，误差并不明显。在测试结果中考虑t0和td对测试引起的影响，可使故障测量更加准确。

5 总结

（1）由于海缆具有距离长、信号衰减大的特点，海缆故障测试时更应具体问题具体分析，根据海缆的故障类型、敷设特点等综合考虑，采用合适的方法来进行故障检测。

（2）由于长距离故障探测时存在反射信号衰减严重的问题，可以考虑通过提高冲击电压的幅度、加大测试脉冲的幅度和宽度，来提高故障回波波形幅度；通过增加取样线圈的圈数、增加LH与地线间的耦合度等方法来提高采集到的波形幅度，从而获得更为精确的故障波形，减小测试误差。

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