电力电缆故障检测方法探讨

杭州市房地产开发实业有限公司 缪振邦

1 电力电缆的故障原因

电缆故障的原因：运行中的电缆处于外加电压与自身耐受电压能力的一对矛盾之中，电缆故障则来自矛盾的两个方面，根据电缆绝缘的击穿机理，分析各种电缆故障情况，究其主要原因是：

（1）电击穿：电缆在异常升高的电压作用下，在绝缘的薄弱处或强电场区，物质结构直接被电场破坏，即形成击穿。因此无论是电缆本体还是在电缆中间或中终端接头处，造成绝缘能力减弱以及电场分布集中的因素都是产生故障的直接原因，如外力破坏、金属尖端毛刺等。

（2）热击穿：运行中的电缆，当发热量大于散热量时，若不能再恢复热平衡，绝缘温度将不断升高，导致绝缘结构破坏，绝缘能力迅速降低，最后表现为电场作用下的击穿。

1）主要发热因素有：a、通流导体发热，如电缆超负荷运行、接头压接不好、接触电阻过大等。b、绝缘损耗，绝缘材料在电场作用下存在着极化、电导、游离损耗，而绝缘中含有气泡、水分及其它杂质，以及绝缘老化或材质不好，都将使损耗明显增大，导致局部过热。

2）散热因素：主要与环境温度和周围媒介有关。如隧道通风不良，电缆排列过密、敷设靠近热管等都不利于散热。

因此，所有引起发热和不利于散热的因素，也都是产生故障的原因。

（3）老化击穿：电缆绝缘在电、热、化学、机械等因素的长期作用下，各种性能将发生不可逆转的劣变，其中绝缘耐受电压的能力也逐渐降低，表现为寿命的缩短。气温、水分在电场作用下形成树枝状放电通道，逐步降低绝缘强度。因此水和气泡是绝缘老化的重要因素，温度升高将会加速老化的发展。

2 电缆故障的分类

电缆故障按照不同要求，有多种分类方法，从故障检测角度可以分两类。

（1）绝缘损坏导致的直接短路、接地或闪络击穿；（2）缆线断开或不完全断线。有时有两种类型同时发生的情况。其中，在第一类中，因缆线绝缘层的破损导致的短路，一般定义为“低阻”，低阻的直接形式就是导线的直接接触。如果缆线之间有一般电介质隔离，行程的环路，即为高阻。特例情况，到时隔离电介质的击穿电压较低时就形成闪络性高阻。

3 电力电缆故障探测

电力电缆故障的特点是具有多样性，尤为突出的具有隐蔽性，表现为：（1）敷于地下难以发现；（2）高阻故障难以测量；（3）封闭性故障难以定点。因此探测电缆故障，合理安排测试步骤、选择有效测量仪器、采用正确的测量方法将十分重要。

对电缆故障位置的定位分为粗测和精测二个步骤。粗测是初步判断电缆故障位置；通常有“闪络法”、“驻波法”、“电桥法”、“脉冲法”、等。精测则是在粗测范围内对电缆故障位置进行精确定位。每种方法都具有自己的适用故障类型和不同的测试操作方法，因此也都有各自的特点。

电力电缆的故障查找有以下几个步骤：

（1）测定故障性质，不同性质故障将采用不同的测试方法，确定故障性质是探测故障的首要步骤。首先要了解基本情况，除了了解故障电缆的原始资料外，还应知道所测电缆是运行电缆还是新敷设电缆，前者多为单点故障，后者则可能有多点故障；要了解是运行击穿还中试验击穿，试验击穿电压值是多少，前者可能出现低阻或断线故障，后者则多为高阻性故障。运行中的跳闸故障有可能出现断线，可用万用表做缆芯导通试验来判断，断线故障采用发送脉冲法测量。

用兆欧表分别测三相缆芯对地绝缘电阻以及三相之间绝缘电阻，以判断是相对故障还是间接故障。兆欧表测量为零值再用万用表测其绝缘电阻值，作为是否需要进行“烧穿”或采用高压闪络测量的参考。绝缘电阻较低者（＜1KΩ）先用发送脉冲法测量，无法用发送脉冲法测量者，采用高压闪络法测量。

（2）进行故障测距，为寻找隐藏在地下的故障位置，应首先得知故障点所在大致区域，则需要测出故障点距测量点的电气距离——故障测距。对于用兆欧表测电阻值的故障，可先用电桥法或低压脉冲法进行测距。若测量无效，即属于高阻性故障，应改用直接闪络法测量或经“烧穿”后再用电桥法测量。

（3）故障定点，准确地确定故障的所在位置是故障探测的最终目的，由于按照所测故障距离在地面是进行丈量或按照资料标定进行计算，与地下电缆实际走径不完全一致，因此还需要在所测故障距离附近测定故障位置——故障定点。对于非金属性短路故障可用声测法定点；对于金属性短路故障用音频感应法测寻。若电缆走向不清，定点之前需先用路径仪查寻电缆所走路径，以减少测距的丈量误差，提高定点效率。

4 电桥法故障测距

电桥测距简单地说是通过所测缆芯电阻来间接反映故障距离的经典测距方法，以单相接地故障为例，将故障相缆芯与一好相缆芯末端短接。故障点接地电阻与电源串联，跨接于电桥的A、B节点；接有分流电阻的检流计接入电桥C、D节点。利用电桥平衡桥臂电阻的关系计算故障距离。

此种测量方法因故障相接地电阻串入电源或检流计回路，受检流计灵敏度所限该电阻将限制流过检流计的电流，减少测量范围，产生测量误差。若接地电阻值过大，甚至无法测量。因此，用电桥法测量高阻性故障距离，需要采取必要措施。

（1）用“烧穿”法降低对地绝缘阻值。

（2）提高电源电压，增大流过检流计的电流量。

（3）提高检流计灵敏度。

电桥测距的精确度及查寻故障的难易，有赖于资料的准确，对于不同材质或截面的电缆，应按照资料进行等值长度换算。应尽量减少接线引起的测量误差，接线的引线电阻值虽远小于故障绝缘电阻，但完全可与缆芯电阻值相比较，为减少测量误差应尽量不要把引线电阻接入桥臂段，而因归于电源或检流计回路，应尽量减少接线的接触电阻。

总的来说，电桥测距属于低电压表态测量，干扰小，仪器简单，只要注意上述问题，测量精度较高，至今仍在应用。由于“烧穿”技术尚不完善，严重地限制了电桥法对高阻故障测距的有效性。

5 脉冲法故障测距

“脉冲法”即使用电缆故障闪测仪给故障电缆发射一个电脉冲信号，信号在电缆中遇到阻抗变化点（如接头、故障点或终端、分支）时会将产生反射脉冲，有原路反馈给电缆故障闪测仪。由电缆故障闪测仪记录发射电脉冲信号的时间和接收到的反馈电脉冲信号的时间差，以及信号在缆线中的传输速度常亮，即可确定阻抗变化点的大概位置。具体的计算公式如下：

式中：

D：反馈点到测试端的距离；

V：信号传输速度常亮；

T：电信号传输时间。

由“脉冲法”的特点可以看出，反馈点要有明显的阻抗变化，以便于产生反馈脉冲，所以此方法用于缆线的“低阻”、“断路”等故障的测试。也可以用于测量电缆长度和部分接头位置。脉冲信号发生器向故障缆芯发送重复窄脉冲信号，该信号以波的形式向故障点传播。断线故障的故障点可视为开路，阻抗值为无限大；短路故障点阻抗为零值，脉冲波达到故障点因所遇阻抗突变，分别产生与来波同极性或反极性反射，没有返回测量端。用“脉冲法”测试电缆“低阻”和“断路”故障原理接线图如图1所示。测试后得到的典型测试波形如图2所示。

图1 “脉冲法”测试电缆故障接线图

图2 “脉冲法”测试电缆故障典型波形图

电缆波速度与其材料结构有关，脉冲法故障测距是根据电缆自身的属性，以导线波过程为测量原理，以故障点产生波反射为前提条件的测距方法，通过对图2测试波形的分析，可以得出以下结论：

激发脉冲与反射脉冲为同极性时为“开路”故障，为反极性反射时为“低阻”。也有可能出现多次反射，旦脉冲幅度有衰减。测试电缆全长时，其终端作开路处理，终端反射波形与开路故障相同，测试故障相对当故障点为短路和断路故障时不存在终端反射脉冲；其他情况可能存在电缆全长反射。

6 高智能电缆故障闪测仪的应用

高智能电缆故障闪测仪属于微机智能化电缆故障测试仪，适用于35KV及以下各种电缆的所有故障。具有测量断线、短路、高阻等电气性故障距离，利用微电子技术实现智能化。但在查找电力电缆故障时还必须与一些高压试验设备，如：高压变压器、整流硅堆、高压贮能电容、放电间隙和测声仪器等配套使用。

在用高智能电缆故障闪测仪进行测试时，引起高智能电缆故障闪测仪测试误差的主要来源以下四个方面：

（1）闪测仪本身产生的误差。（一般可以忽略不计）

（2）电缆的电波传输速度V带来的测试误差。按照仪器产生厂家的产品介绍，传输速度V一般最大可引起2%的相对误差。

（3）测试波形的读数误差。

（4）电缆的实际丈量误差。

利用高智能电缆故障闪测仪器，对电缆故障测试实践中，可方便、快速地找到故障电缆的故障点，但在实际使用中应注意以下二点：

A.电缆故障粗测时的测试误差不容忽视，特别是介质传输速度V误差和读数误差中的t2时刻的定位误差是测试误差中的主要误差时，因此注意积累不同介质电缆的传输速度V数据、积累t2时刻的定位经验非常必要的。

B.熟悉不同故障类型的波形也非常必要，因为对不同故障类型的波形熟悉，就意味着对畸变波形判别能力的提高，因而可以不必转移测试地点。从而可节约时间提高劳动效率。

7 采用小波变换，行波故障测距装置的新技术应用

如何准确测定供电线路的故障点，缩短供电抢修时间，减少停电损失，一直是电力系统运行亟待解决的问题。传统的阻抗测距方法测距误差大，适应性差。而利用小波变换提起技术，行波故障测距装置新技术的应用是我们能够期待的事情。

（1）原理：

利用线路故障时产生的暂态行波信号，配合GPS时钟，故障行波脉冲到达端点测量点的时间差，计算故障距离。

A.单端测距：

一般故障：L=（t2-t1）V/2.。L为故障点位置，分别为故障产生行波第一次到达测量点的时间和其从故障点反射回测量点的时间，v为行波传播速度。即i3到M点和i1到M点的时间差。

高阻故障：L1=L-（T2-T1）V/2.。L1为故障点位置，L为线路长度，T1，T2分别为故障产生行波i2第一次到达测量点N的时间和i1从M端母线折射电流i2到测量点N的时间差，v为行波传播速

L为线路长度，L1和L2分别为故障点到两端的距离，T1，T2分别为行波到达线路两端时间，V为行波传播速度。

（2）技术难点

A.常规的阻抗测距，测量到的电压、电流量而计算出故障回路的阻抗，由于线路长度与阻抗成正比，从而计算出故障距离。阻抗测距忽略线路电容、过渡电阻、负荷电流等因素，一般保护装置、录波装置测距精度无法达到国家标准。

B.行波信号的获取方法、精确定时问题、数据处理方法都会决定是否成功。

由于以下几个方面的不确定性，使精确确定故障行波到达的时间和行波传播的速度成为测距的关键。故障发生时刻不确定，母线接线方式不确定，造成反射波的不确定性，以及故障距离的变化导致行波主频率的不确定性等。由于初始行波到达母线后，产生的暂态行波是一个突变的、具有奇异性的信号，单纯的频域分析法，或单纯的时域分析法，都不能精确描述暂态行波这类非平衡变化信号。

从上面的公式可以看出，时间确定，V的确定，行波以不同模式传播，每种模式各频率分量传播速度和衰减也不同，当距离近时高频分量丰富接近光速，距离远时，行波高频分量减少，以相对较低速度传播，行波速度难以确定。T1，T2，V还有线路长度L都是影响测量精度的因素。

（3）解决方法

小波变换技术的应用，较好解决了故障波的提取。行波速度300M/US，1us对应150M，GPS可获得1us以内的时间脉冲。采用计算机技术，高速采样芯片，提高采样频率，集成度大大提高，降低硬件设计复杂程度；同时，采用时分复用的情况下控制模拟采集通道的切换，实现了多采集通道的同步采样。以GPS秒脉冲作为同步输入信号，确定每一次数据采样的精确时间。已经能够很好地解决以上问题。高速准确电线电缆故障检测装置进入实际应用已经是可期待的。

通过以上分析，电力电缆的故障检测方法有很多，采取什么样方法迅速准确的查找故障点，分析故障形成的原因及结合现场运行情况也是非常很重要的。

[1]张学仁.电力电缆常见故障[J].电气试验,2001(01）.

[2]徐丙垠.电力电缆故障探测技术[M].机械工业出版社.

[3]王耀亚.电力电缆故障测距方法研究[J].无线互联科技,2011(04).

[4]张耀贤.单臂电桥在查找电力电缆低阻故障中的应用[J].石化技术,2011(01).