高压电缆故障分析及其状态检测技术

王传旭

（广东电网东莞供电局，广东 东莞 523000）

近年来，高压电缆在我国电力系统中的应用日益广泛。据不完全统计，目前我国已投入运行的110kV及以上电压等级的电力电缆线路已经超过5000条，最高电压等级已达500kV。对全国主要城市一百多家电力电缆运行维护单位的电力电缆运行状态进行调查统计和故障原因分析后发现，我国电力电缆故障率仍高出发达国家数倍。电力电缆线路和多数电力设备一样，投入运行初期（1～5年内）容易发生故障，主要原因是电缆及附件产品质量和敷设安装工艺的问题；运行中期（5～25年内），电缆本体和附件基本进入稳定期，线路运行故障率较低，故障主要原因是电缆本体绝缘树枝状老化击穿和附件呼吸效应进潮而发生沿面放电；运行后期（25年后），电缆本体绝缘树枝老化、电-热老化以及附件材料老化加剧，使电力电缆运行故障率大幅上升[1-2]。

1 电缆故障的分类

电缆故障性质与类别的正确识别与判断，不仅对于故障点的快速检出十分重要，而且便于有针对性地对各种状态检测技术进行优化配置和选择，同时也是采取有效措施防范电缆故障的基础。目前电缆故障通常采用以下几种方式进行分类。

1.1 按故障部位的分类

根据故障部位划分，可以将电缆故障分为本体故障、接头故障、终端头故障、接地系统故障。

1）电缆本体故障

电缆本体是电缆的核心部件，也是最容易受到破坏的地方，而且由于其距离长，敷设安装在封闭的空间，出现故障之后也不容易及时排除。工程实践中，电缆的缺陷和故障很大一部分发生在电缆本体。

机械损伤。这类故障大约占电缆本体故障的一半以上。这类故障对电网影响大，造成的后果比较严重。常见的有市政道路施工等直接外力造成的破坏；敷设过程中电缆受力过大或者弯曲过度造成其局部绝缘降低或者电缆铠装层断裂；电缆穿越公路、铁路及高大建筑物时，由于地面的下沉而使电缆垂直受力变形，导致电缆破裂甚至折断，或者造成电缆中间接头内部绝缘降低而导致发生击穿；由地质灾害、低温等自然力造成的损坏，这个在电缆故障中所占比例较小。

化学损伤。造成电缆过热的原因主要是电缆的过负荷。电缆沟或者电缆隧道内通风不良，电缆排布不合理，或是电缆周围介质导热性能差，以及在热力管附近敷设电缆或热电同隧道架设，都将大大缩短电缆的寿命。

过电压破坏。包括谐振过电压对电缆的破坏，小电流接地系统对电缆的影响以及雷电过电压。

电缆自身缺陷。电缆制造过程中，在包缠主绝缘层时出线褶皱或者裂损会造成其绝缘性能降低，电缆铠装层不合格也会造成其内部绝缘层或者外绝缘的损坏。当发生单相接地故障时这些受损点就比较容易造成绝缘击穿。

2）电缆接头故障

对于长距离供电电缆或者当电缆出现故障修复后，电缆都会产生连接头，即中间接头。通常电缆故障的相当一部分为接头故障，其表现性质各不相同。电缆接头故障一般都出现在电缆绝缘屏蔽断口处，因为这里是电应力集中的部位，并且以多相对地泄漏性高阻故障居多数。因制造原因导致电缆接头故障的原因有应力锥本体制造缺陷、绝缘填充剂问题、密封圈漏油等。

3）电缆终端头故障

无论电缆长短，肯定存在终始端两个接头。电缆终端头的制作工艺不良，频繁启动所产生高次谐波，都可能加速电缆终端头的绝缘老化。此外还有空载线路合闸时产生的影响，包括自动重合闸和正常的合闸操作，电线路检修或其他停电后恢复供电。断路器重合前的电压为0，在开关合闸空载线路时，由于触头间的电位差使间隙击穿而接通电路，对绝缘产生破坏。

4）电缆接地系统

保护电力电缆线路安全运行的一项重要措施就是接入电力电缆接地系统。电缆接地系统主要由电缆接地箱、接地保护箱（带护层保护器）、交叉互联箱、护层保护器等部分构成。最常见的问题是由于箱体密封不良进水从而引起电缆多点接地，导致金属护层感应电流过大。除此之外护层保护器参数选取不正确，或质量不好的氧化锌晶体也容易导致护层保护器损坏。

1.2 按故障的性质划分电缆故障

根据故障点绝缘电阻值的大小，我们可以将电缆故障简单地分为开路故障、低阻故障和高阻故障[11]。当然我们还可以细分为单相开路故障，相间开路故障。

1）开路故障

电缆相间或相对地的绝缘电阻值处于规定的范围值之内，但其工作电压不能传输到电缆终端，或虽然终端有电压，但负载能力较差，这类故障我们称之为开路故障。

2）低阻、接地故障

电缆相与相之间或相对地之间的绝缘受损，会导致其绝缘电阻减小。而当绝缘电阻过小（小于10倍电缆特性阻抗）时，我们称之为低阻故障。这类故障可采用低压脉冲反射法进行测量。

倘若电缆相间或相对地的绝缘电阻明显低于正常值，但是大于10倍的电缆特性阻抗时，我们称之为高阻故障。高阻故障一般不能采用低压脉冲反射法进行测量。根据故障的具体表现性质，高阻故障又可分为泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障。

1.3 其他故障分类方法

此外，还可以根据故障外观特性分类：外露性故障和封闭性故障；根据故障材料分类：串联故障（金属材料缺陷）、并联故障（绝缘材料缺陷）、复合故障（绝缘材料、金属材料都出现了缺陷）；根据故障责任分类：人员过失、设备缺陷、自然灾害、正常老化、外力损坏、腐蚀、用户过失及新产品新技术的试用等。

2 高压电缆故障统计

根据广东电网某电缆运行单位2002年至2012年10年间其管辖范围内110kV及以上电压等级的电缆故障记录，进行统计分析。期间发生电缆故障总共28起，其中外力破坏15起，电缆本身运行击穿故障10起，原因不明故障3起，如图1所示；按照发生部位统计，电缆终端故障5起，接头故障4起，接地系统2起，电缆本体故障17起，如图2所示。

图1 按照故障性质统计

图2 按照故障部位统计

3 电缆故障原因分析

根据近十年来国内66kV以上电压等级电缆线路故障记录，若按照故障的起因进行分类统计，则因外力破坏造成的故障占总数的32.05%，敷设施工工艺不达标占21.24%，电缆及附件设备质量问题占26.64，这些是导致电缆故障的三个主要原因，其他原因占 20.07%[3]。

3.1 电缆设备质量原因

目前高压电缆制造在原材料及设备工艺方面已经接近成熟，且电缆在出厂前需进行严格的交流耐压试验，所以由于电缆设备质量出现问题的概率比较小。一般电缆生产过程中容易出现的问题有绝缘偏心、绝缘屏蔽厚度不均匀、绝缘内有杂质、内外屏蔽有突起、交联度不均匀、电缆受潮、密封不良等。有些情况比较严重，可能在竣工试验中或投运后不久即会出现故障，但是大部分会在电缆系统中以缺陷形式长期存在，对电缆的安全运行造成严重隐患。

3.2 设计、敷设施工原因

我国的电缆设计知识主要是在交流和实践过程中从国际标准和国外厂家学习来的，一些设计院的专业电缆设计部门还在工作中不断总结改进，电缆设计整体水平仍需提高。已经暴露出来的电缆设计的缺陷包括电缆防震保护措施不足，终端引下线过长，电缆上塔位基础设计缺陷、终端构架平台结构设计不稳固等。

电缆尤其是接头部分对施工环境和施工工艺的要求比较高，而施工现场的温度、湿度、灰尘等环境条件以及施工人员的技术工艺水平等往往难以满足要求。因施工质量原因造成的严重缺陷一般在投运前的竣工试验时或投运后一两年内就会出现故障，而一些小的问题可能就成为长期安全运行的隐患。采用专业的施工队伍和加强接头安装人员的技术工艺水平和质量意识是减少电缆故障的重要保障。

3.3 外部原因

1）外力损伤

这种故障主要由于施工不规范引起的。特别是在高速发展的城市建设中，相当一部分电缆故障都是由于机械外力损伤导致的。比如敷设安装时不规范施工，容易造成电缆的机械损伤；在直埋电缆上进行市政、土建施工也极易对运行中的电缆造成损伤。

运用SPSS Statistics 19.0软件进行显著性差异分析，Microsoft Excel 2007进行数据处理并绘图。

2）绝缘受潮和化学腐蚀

绝缘受潮和化学腐蚀是电缆故障比较正统的故障原因。它和电缆周围的环境有关，定期的巡查和环境记录的统计整理，都有助于减少电缆因受潮和受腐蚀而产生的故障。

3）长期过负荷运行

电缆在超负荷运行时，由于电流的热效应，负载电流会引起导体过热，而且电荷的集肤效应和钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产生额外的热量，从而使电缆温度持续升高。长期超负荷运行时，高温将会加快绝缘的老化。

4 高压电缆状态检测技术手段分析

当前，高压电缆的状态检测包括各种离线和在线检测方法，具体可以分为例行巡检、预防性试验和诊断性检测三大部分。其中常规的巡检项目包括：外观检查、带电测试外护套接地电流；预防性试验包括：终端温度检测、主绝缘绝缘电阻检测、外护套绝缘电阻检测、交叉互联系统试验、电缆主绝缘交流耐压试验[10]；诊断性检测项目包括：电缆运行温度监测、局放在线监测、介质损耗在线监测等。除巡视外，其他检测项目对应的电缆状态检测方法如表2所示。

在本文1.1节，我们按照发生位置不同，将电缆故障进行分类，与之相应，电缆各部件也对应不同的状态检测方法，见表1。

表1 电缆不同部件对应的状态检测方法

在1.2节，我们将电缆故障划分为开路故障、低阻故障和高阻故障。在工程实践中，低阻接地、开路等电缆故障常用的检测方法为电阻电桥法和基于雷达原理的脉冲测距法。高阻类故障的发生率在电力电缆故障中的比例相当高。低阻开路故障等属于电缆“硬伤”，而高阻故障属于电缆的“软伤”。绝缘介质性能虽然有一定程度下降但并非完全损坏。常用的检测方法主要有：高压电桥法、直流高压烧穿法、直流高压闪络法、高压脉冲电流法等。不同的方法在使用时各有优缺点。

表2 电缆检测项目对应的状态监测方法

5 高压电缆故障的防范措施

基于上文对高压电缆故障类型的划分和形成原因的分析，笔者认为高压电缆故障的防范可以从以下几个方面着手。

1）严格把关电缆设备生产质量

电缆运行单位也应加强对生产过程的监督，并执行现场安装前电缆的质量检验。这一措施也有局限性，就是现场只能进行外观检验，无法了解绝缘内部情况。为此，一些电缆运行单位对电缆进行抽样，送武高所或上缆所进行检验，以确保电缆质量。

同时电缆生产厂家也应加强质量管理，提高质量意识，严格进行出厂前的试验和检验工作，杜绝不合格产品流入市场。

2）提高施工质量及安装工艺水平

目前存在一些从事电缆安装施工的企业和单位不具备高压电缆施工资质、施工技术水不达标等等问题。因此，电缆运行单位强化电缆施工质量管理，完善对施工单位及人员的专业技能水平的管理考核这一举措是必要的。

严格把关，提高从业人员的专业水平，选择具有专业资质的施工队伍，加强电缆接头安装人员的技术工艺水平和质量意识，严格按照安装工艺施工，这些都是减少电缆故障的重要途径[7]。

3）采用新的试验手段

建议在对交联电缆做竣工试验时采用串联谐振或VLF的方法，也可以采用24h空载运行的方式[10]。交流耐压试验用于高压电缆的竣工验收时，其击穿检出率高达9%左右。

高压电缆中可能存在的微小缺陷在1h耐压试验过程中存在局部放电现象，但不会导致电缆击穿。局部放电测量有助于查找到这些微小的缺陷。由于局部放电信号在高压电缆中传播存在较大的衰减，分布式局部放电测量是高压电缆现场局部放电测量的可靠保障。因此高压电缆竣工验收试验可以增加分布式局部放电测量。

4）选择有效的电缆状态监测方法

在线局放检测、温度监测等都是及早发现电缆缺陷、避免故障发生的有效手段[4]。大量的电缆在绝缘劣化和故障早期都表现为局部放电。成熟的局部放电检测技术的运用，可以有效降低电缆故障率，提高供电可靠性。运行部门应根据实际情况开发或采用相应的监测手段，做到提前预防。

5）加强电缆巡视

制定完善的巡检制度。电缆线路本身事故很大一部分是由于外力破坏而造成的。线路巡视可以及时有效地发现并排查外力破坏因素。因此须重视电缆线路的巡检工作，制定相应的巡检制度，明确巡视任务和周期。

6 结论

本文按照电缆故障部位和故障性质两种方式将高压电缆故障进行了归类，同时分析了故障形成的原因；总结了常规的电缆状态检测项目，并针对不同类型的故障提出相应的状态检测方法和技术。从电缆故障的部位来看，本体故障占很大一部分；就形成原因而言，电缆设备质量问题，设计不合理、施工工艺不良，外力破坏是造成电缆故障的三个主因；运行巡检、局放检测、电缆运行温度监测是及早发现电缆缺陷、避免故障发生的三种最有效手段。

最后，笔者提出了电缆故障的防范措施，不仅要在生产、设计和施工的源头把关电缆设备的生产和安装过程，还要加强运行巡检。同时各种在线监测技术的运用也可以及早发现缺陷，起到预防电缆故障的作用，对电缆线路的长期安全运行具有重大意义。

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