10kV 电缆故障模拟装置设计

高旭启 别士光 周明杰 平 原

（1.国网浙江省电力公司培训中心（湖州校区），浙江 湖州313000；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉430074）

0 引言

随着我国电力系统的不断发展，电力电缆凭借供电可靠性高、美化城市环境、不受地面/空间建筑物影响、不受恶劣气候侵害、安全隐蔽耐用等优点，得到了广泛应用。电力电缆作为电力系统的重要组成部分，一旦发生故障将直接影响整个电力系统的安全运行，如果故障发现和检修不及时，可能导致火灾、大规模停电等较严重的事故后果，给国民经济带来不可估量的损失。因此，准确定位和快速处理电缆故障是保证电缆安全可靠运行的重要手段。

1 电缆故障检修培训存在的问题

目前，电缆检修的主要过程如下：将被检修电缆与系统隔离—按工作票做好安全措施—履行工作许可手续—故障查找与定点—开挖并确定故障—修复处理故障点—电气试验—恢复送电［1］。

李继国［2］统计分析了包头供电局处理各种电缆故障时各主要环节所需的时间，指出在处理电缆故障过程中，测寻电缆故障环节耗时最长（平均耗时309 min），占整个流程耗时的70%，测试人员缺乏相关的理论知识、对故障测寻技术不了解、对仪器设备不熟悉，无法准确分析和判断故障波形是主要原因。由此可见，电缆故障测寻是实现快速检修电缆故障的关键，做好电缆故障测寻技能培训迫在眉睫。

现有的电缆故障检测培训方式一般是由老师讲解测试原理并在电缆实训场中指导学员进行测试演练，达到培训目的。该方式虽然简单直接，但存在不足：一方面，电缆故障种类较多且波形复杂，识别难度大，测试人员需要丰富的现场经验才能胜任，而电缆实训场设置的故障类型有限，难以面面俱到；另一方面，在实际工作中，电缆发生故障的几率较小，部分员工由于长时间缺乏实战演练，难免出现技能生疏、遗忘等现象，以致需要反复培训，效率低下。

在电缆故障检测培训中引入电缆故障模拟装置，采用电子器件模拟电缆故障参数，并通过PLC自动控制实现多种类型故障之间的快速切换，让受训学员直观观测各种故障波形，提高测试人员对波形的辨识能力，方便培训教学，提高培训效率，节约成本，可有效解决上述问题。

2 电缆故障模拟装置的设计与实现

2.1 电缆故障模拟装置的要求

（1）装置应能模拟10kV 电缆故障，包括短路、低阻、断线开路、闪络性高阻故障。

（2）装置应具备故障切换功能，能在上述故障之间进行快速、方便的切换，方便教学。

（3）装置应能模拟故障位于电缆不同部位时的情形，包括近端故障、远端故障、中间距离故障。

（4）模拟出的故障特征应稳定，参数应与实际电缆故障一致，能被各种电缆故障检测仪表按正常的故障探测方法检测出，模拟故障的测试波形应与实际故障的测试波形一致。

（5）装置应能承受不少于10kV 的电压，装置及内部部件应可靠工作。

（6）装置应结构紧凑、布局合理、外观优美，易于安装与维护。

2.2 故障模拟装置的设计

2.2.1 装置整体设计

如图1所示，电缆故障模拟装置由模拟柜和操作台构成，模拟柜整体采用封闭外壳进行封装，便于安装维护，采用模块化结构，装置上下部位设有进线端和出线端，通过电缆接头串接于电缆线路中；中上部位为自动切换模块，实现故障之间的快速切换；中间层为故障模拟模块，各种故障模拟均由装置内部的特定故障模块实现。操作台配备触摸屏，通过PLC对自动切换模块进行控制，实现故障设置与切换。

图1 故障模拟装置

2.2.2 故障模拟设计

配电电缆故障模拟由模拟柜的故障模拟模块实现，由五大模块组成，包括正常模块、短路模块、断线开路模块、低阻模块、闪络性高阻模块。各模块设计原理如表1所示。

2.2.3 故障设定与切换设计

为方便培训教学使用，电缆故障模拟装置进行了故障设置与自动切换设计，利用PLC控制高压继电器对任意相电缆进行上述类型故障的设定和不同故障之间的切换。如图2所示，切换系统将30个继电器分别串接于三相电缆进线端和出线端之间，通过PLC控制系统改变继电器的通断组合，可实现单相、两相、三相开路，任意两相短路，低阻、高阻故障设置。使用时，由用户通过操作台上的触摸屏进行故障类型参数设定，完毕后PLC系统自动控制对应的继电器组分合，实现故障的准确设定，若需要切换故障类型，只需在触摸屏上重新设定参数即可。

表1 故障模块

图2 故障切换原理图

2.2.4 故障位于电缆不同部位的设计

根据故障在整条电缆所处的不同位置，电缆故障可划分为近端故障、远端故障、中间距离故障。选取三段同型号的电缆，分别长20m、100m、100m，将上述电缆组合，分别与电缆故障模拟装置的进线端、出线端连接，模拟故障发生于电缆的近端、远端和中间（图3）。

近端故障：将20m 电缆连接于装置的进线端、100m 电缆连接于装置的出线端，可实现故障位于电缆近端情形的模拟；

远端故障：将100m 电缆连接于装置的进线端、20m 电缆连接于装置的出线端，可实现故障位于电缆远端情形的模拟；

图3 模拟故障位于电缆不同部位的示意图

中间故障：将100 m 电缆连接于装置的进线端、另一条100m电缆连接于装置的出线端，可实现故障位于电缆中间情形的模拟，如图3所示。

2.3 故障模拟装置的优点

采用上述方案，故障模拟装置能准确模拟各种典型的电缆故障，并能在各故障之间进行快速、自由设定与转换。将该故障模拟装置应用于电缆故障检测培训中，具有以下优势：

（1）该装置可模拟各种典型的电缆故障，有利于学员熟悉各种故障波形，提高辨别波形和准确查找故障点的能力。

（2）该装置可模拟实际电缆运行中出现的近端、中间、远端故障，有利于学员开展电缆故障检测实战演练，丰富电缆故障检测经验。

（3）该装置结构紧凑，可自由转换多种故障类型，操作简单，提高了培训学习效率。

（4）该装置减少了电缆长度，节约了成本。

3 结语

本文设计了一套电缆故障模拟装置，能安全准确地模拟各种典型电缆故障，并根据培训需要在各类型故障间灵活转换、自由设定，为电缆故障检测培训提供了一种模拟实训手段，弥补了现有培训手段的不足，提高了培训效率。

［1］施胜华，董锐.电力电缆线路检修危险点分析与防护探讨［C］//2008年中国电机工程学会年会论文集，2008.

［2］李继国.电缆故障处理耗时长原因分析及改进措施［J］.内蒙古电力技术，2012，30（6）：110－112.