10 k V配网电力电缆故障检测与定位浅析＊

赵志修，沈洪良

（国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000）

10 k V配网电力电缆故障检测与定位浅析＊

赵志修，沈洪良

（国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000）

归纳了10 k V配网电力电缆产生故障的各种原因，介绍了常用的几种故障检测与定位的原理和方法并引入了电缆故障定点的新方法.旨在通过对10 k V配网电力电缆故障点测距常用方法和技术进行分析和比较，探索易于进行在线检测的新方法和新技术，为日后开展10k V配网电力电缆不停电检修积累经验、打下基础.

电力电缆；故障探测；电缆故障定位；10 k V配网

最近几年，随着我国城乡建设的发展和科技的不断进步，电力电缆的应用更加广泛.电缆已成为工业企业、生产生活电能输送必不可少的材料，尤其是在城市10 k V配网系统中，随着城市化发展的进程，架空线路改为地下电缆，电缆运行数量急剧增加.电缆线路的安全运行与人们的生活、生产息息相关，然而电缆故障一旦发生，不仅中断工业企业正常生产、居民生活正常用电，还可能引起一连串的不良连锁反应，其损失往往是不可估量的.因此，正确地分析出电缆故障原因，准确地判断出电缆故障性质，而选择合适的探测方法，快速、准确地判定出故障点并及时消除故障，提高供电可靠性成为当前配电运行检修部门的重中之重.

1 电缆故障原因分析

常用的高压电力电缆主要有纸绝缘绕包型、交联聚乙烯绝缘挤包型及橡胶绝缘挤包型等.目前，所用的电力电缆大多采用有机绝缘材料，如油纸、橡胶、交联聚乙烯等.如果电缆的制作质量（包括缆芯绝缘、护层绝缘所用的材料及制作工艺）好、运行条件（指负荷、过电压、温度及周围环境等）合适，而且不受外力等破坏，则电缆绝缘的寿命相当长.电缆绝缘的好坏是影响电缆安全可靠运行的关键因素.

1.1 机械损伤

机械损伤类故障比较常见，所占故障率接近60%.一般造成机械损伤的原因有直接受外力损伤（如机械牵引力过大而拉伤电缆及过度弯曲而损伤电缆）、施工损伤（如安装时碰伤电缆）、自然损伤（如车辆挤压、岩石冒落砸伤、环境腐蚀等）.

1.2 绝缘受潮

绝缘受潮是电缆故障的又一主要因素.主要是中间接头、终端接头密封工艺不良或密封失效以及电缆护套被异物刺穿或腐蚀穿孔等导致潮气侵入，破坏绝缘性能.

1.3 绝缘老化

电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离或者过热，引起绝缘层老化、变质，从而造成绝缘下降.

1.4 过电压

过电压主要指大气过电压、操作过电压和故障暂态过电压，它们使电缆绝缘击穿形成故障.3倍的大气过电压或操作过电压对于绝缘良好的电缆不会有太大的影响，但实际上，电缆线路在遭受雷击时被击穿的情况并不罕见.

1.5 过热

引起电缆过热的原因主要是电缆长期过负荷工作、火灾或邻近电缆故障的烧伤、靠近其他热源，长期接受热辐射等.

1.6 材料缺陷

电缆本身绝缘层材料缺陷：包缠绝缘层过程中，绝缘层上出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷；电缆接头附件制造缺陷：不符合规程或组装时不密封等；对绝缘材料维护管理不善，造成电缆绝缘层受潮、脏污和老化.

2 10 k V配网电力电缆故障类型

2.1 电缆导体损伤产生的故障

（1）开路故障：如果电缆绝缘正常，但却不能正常输送电能的一类故障可认为是开路故障；一般单纯性开路故障很少见到，多数表现为低阻或高阻故障并存.

（2）断线故障：如芯线似断非断、芯线某一处存在较大的线电阻及断芯等情况.

2.2 相间或相对低之间绝缘介质损伤产生的故障

（1）低阻故障：如果电缆绝缘介质损伤，并能用“低压脉冲法”测试的一类相间或相故障称为低阻故障.判断低阻故障的标准不能单以故障点的阻值大小来定论.低阻故障一般与测试仪器的灵敏度、测试仪器与被测电缆的匹配状况、被测电缆的型号（或衰减状况）、故障点发生的部位以及电缆故障点到测试端的距离等因素有关.

（2）泄露性高阻故障：电缆绝缘介质损坏并已形成固定泄露通道的一类相间或相对地故障.表现为电缆做预防性试验时其泄露电流值随所加的直流电压的升高而连续增大，并大大超过被测电缆本身所要求的规范值，这种类型的故障成为泄露性高阻故障.

（3）闪络性高阻故障：未形成固定泄露通道的一类相间或相对地故障.电缆的预试电压加到某一数值时，电缆的泄露电流值突然增大，其值大大超过被测电缆所要求的规范值，这种类型的故障成为闪络性故障.

3 传统的电缆故障检测方法

3.1 测量电阻电桥法

此方法几十年来几乎没有什么变化.对于短路故障、低阻故障，此法测起来甚为方便.电桥法是利用电桥平衡时，对应桥臂电阻的乘积相等，而电缆的长度和电阻成正比的原理进行测试的.

3.2 低压脉冲反射法

低压脉冲法也称时域反射法（TDR），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与断路故障.依据雷达原理，在电缆故障相上加一脉冲信号，当电波传输到故障点时必然有部分反射回来，通过分析入射波与反射波的时间差，计算出故障点的距离.由于输出的信号电压低所以比较安全.此方法主要用来测量低阻故障、开路故障以及测试电缆长度.

3.3 脉冲电压取样法

脉冲电压取样法又称冲击高压闪络法，是一种用于测量高阻泄漏与闪络性故障的测试方法.首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距.脉冲电压法主要有直流高压闪络（直闪法）与冲击高压闪络（冲闪法）两种方法.若高电压是通过球间隙施加至电缆故障相，且3～5 s冲击一次则称作冲击高压闪络；若直接将高电压施加到电缆故障相直至击穿则称作高压直闪法.此方法主要用来测量薤露行高阻故障.

3.4 电缆故障定点的传统方法

3.4.1 声测法

此方法是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，主要用于高阻故障.加脉冲直流高压于故障电缆芯线和铜带之间，使故障点产生间歇放电，引起电磁波辐射和机械的音频振动，在地面用声波接收器探头拾取震波，根据震波强弱很容易准确判定故障点的位置.可迅速的找出电缆故障点，查找方法简单，省时省力效果良好.

3.4.2 声磁同步法

给故障电缆加上一个幅度足够高的冲击电压，使故障点发生闪络放电，产生相当大的“啪、啪”放电声，同时，会在电缆的外皮与大地形成的回路中感应出环流来，这一环流在电缆周围产生脉冲磁场.用一个包含接地麦克风接受器和耳机的听音装置在地面探测.故障点离麦克风的距离越近，闪络声就越大.在监听声音信号的同时，接收到脉冲磁场信号，即可判断该声音是由故障点放电产生的，故障点就在附近，否则可认为是干扰.在故障点位置处能探测到闪络声的最大值.

3.4.3 音频感应法

此法一般用于检测低阻故障.其原理是：用1k Hz的音频信号发生器向待测电缆注入音频电流，使电缆发出电磁波，在地面上接收电磁场信号，并放大，再送入耳机或指示仪表，根据声响强弱或指示仪表值的大小来确定故障点的位置.在向电缆施加冲击直流高压使电缆故障点放电时，会在电缆周围产生脉冲磁场.在声测定点时接收到脉冲磁场信号即可认为放电声音是电缆故障点发出的.

我国早期的电缆绝缘诊断技术主要是定期的预防性试验制度，然而由于电缆线路越来越长，投入运行数量越来越多，电容量越来越大，给预防性试验带来了很大的困难，而且在长期运行中累积的经验表明这种定期的预防性试验存在诸多弊端，主要有：第一，必须停电进行试验，不能带电检测，这样往往造成供电中断；第二，不能根据电缆绝缘状况有选择地进行试验，往往是对所有电缆都进行试验，结果使绝缘本来完好的电缆经多次试验而导致电缆绝缘性能加速劣化；第三，易对电缆造成“累积效应"、“整流效应”等.因此，电力电缆在线监测技术是电缆绝缘诊断的必然发展趋势，电缆故障检测要求精确度更高的方法.

4 目前电缆故障检测的新方法

4.1 电缆故障测距的方法

4.1.1 实时专家系统

专家系统就是一个具有智能特点的计算机程序，它的智能化主要表现为能够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题.因此，专家系统必须包含领域专家的大量知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些知识来解决实际问题.

4.1.2 利用因果网对电力系统故障定位

因果网络中有4类节点状态、征兆、假设、起始原因.状态节点是表达领域中某部分或某功能的状态，如断路器跳闸；征兆节点是表达状态节点的征兆，如断路器跳闸的征兆是保护动作：假设节点是表达研究系统的诊断假设，如发生线路故障的假设；起始原因节点是表达引起故障的最初原因.各类节点之间可形成对应的基本关系.

4.1.3 小波变换应用在电缆故障测距中

小波分析是几个学科共同发展的结晶，这几个学科是数学、信号处理以及计算机视觉.小波分析在数学上是用小波的原型函数来实现的，其中原型函数可以看成是带通滤波器，因此小波分析也可以通过滤波器来实现，其关键是寻求具有恒定相对带宽的滤波器组，而这正是信号处理中滤波器组理论的核心内容.

4.2 电缆故障精确定点法

电缆故障的预定位，据目前的测试水平来看是不困难的.如果用YM电缆故障定位系统，在电缆波形粗测确定以及路径清楚的情况下，一般只用数分钟便能测出故障点至测试端的距离，而且预定位误差一般不会超过10 m.但是，由于电缆运行资料的误差和不完整，故障类型的不同，以及电缆故障点所处的环境因素的复杂多样性，如欠缺电缆的准确长度和线路图，在强大的噪声源和工频电磁场附近，电缆敷设在埋管中、难于进入到建筑物等，都会给故障点的精确定点带来许多意想不到的困难.大量实践证明，精确定点方面的问题，已成为快速寻测故障的主要矛盾.

4.3 电缆故障定点的新方法

4.3.1 人工神经网络

人工神经网络（ANN）是以计算机网络系统模拟生物神经网络的智能计算系统.网络上的每个结点相当于一个神经元，经可以记忆（存储）、处理一定的信息，并与其他结点并行工作.求解一个问题是向人工神经网络的某些结点输入信息，各结点处理后向其它结点输出，其它结点接受并处理后再输出，直到整个神经网工作完毕，输出最后结果.

4.3.2 GPS（全球定位系统）行波故障定位

传统的高压输电线路故障定位主要基于阻抗算法，这种算法对于高阻接地、多端电源线路、直流输电线路等情况存在明显的不适应，通常在实用中其故障定位精度＜3%～5%，这对于长线路（＞100 km）难以满足寻线要求.

4.3.3 分布式光纤温度传感器（FODT）

光纤传感的基本原理是，当光在光纤中传输时，光的特性（如振幅，相位，偏振态等）将随检测对象的变化而变化.因此，光从光纤中射出时，光的特性己得到了调制.通过对调制光的检测，便能感知外界的信息.

4.4 在线带电检测新方法

随着电网的发展，原有主要依靠定期停电后进行绝缘预防及检测电路的方法已难以满足现实的要求.近年提出了一些新的在线带电检测方法，这些方法对早期发现电力电缆特别是交联聚乙烯电缆存在的绝缘缺陷及老化情况，很有作用.通常有以下几种方法：

4.4.1 直流叠加法

在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源，使该直流电压与运行中电缆的交流电压叠加，检测通过电缆绝缘层的极微弱的直流电流，即可测得整条电缆的绝缘电阻，从而可对电缆的好坏进行判断.直流叠加法的特点是抗干扰能力较强.但绝缘电阻与电缆绝缘剩余寿命的相关性并不好，分散性相当大.绝缘电阻与许多因素有关，即使同一根电缆，也难以仅靠测量其绝缘电阻值来预测其寿命.

4.4.2 直流分量法

通过检测电缆芯线与屏蔽层电流中极微弱的直流成分，对电缆中某一点或某一局部存在的树枝化（水树枝、电树枝）绝缘缺陷进行劣化诊断.直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差.研究表明，这些干扰主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流，因杂散电流及真实的由水树枝引起的电流，均通过直流分量测量装置，以至造成很大误差.可考虑采取旁路杂散电流或在杂散电流回路中串入电容将其阻断等方法.目前国外将用直流分量法测得的值分为大于100 n A、1～100 n A、小于1 n A三档，分别表明绝缘不良、绝缘有问题需要注意、绝缘良好.

4.4.3 介质损耗因数法

将加于电缆上的电压用电压互感器或分压器取出，将流过绝缘中的工频电流用电流互感器取出，然后在自动平衡回路中检测上述信号的相位差，即可测出电缆绝缘的介质损耗因数.

对于电缆的故障诊断和排除，精确度要求较高，尤其是城市10 k V配网系统中，准确地定位电缆故障是进行检修维护的关键步骤，一旦故障点确定好，故障也就迎刃而解了；相反，如若电缆故障点的检测结果与实际故障相差较大，那么检测定位也就失去了意义，并且给检修维护人员带来的麻烦将十分巨大.因此诊断方法与步骤都应按照程序进行，不能有差错，失之毫厘谬以千里.通过对10 k V配网电力电缆故障不带电检测与定位分析，总结出一系列行之有效的方法，为日后开展电力电缆带电作业积累了经验，为不停电作业提高供电可靠性和带电作业化率奠定了基础.

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TM727.1，F407.01

A

1009-1734（2013）S0-0176-04

2013-10-25

赵志修，助理工程师，配电线路技师，研究方向：配电线路带电作业.