输电系统地下电缆故障查寻探测技术

邢国军　刘纯杰　高海涛

摘 要：电力的快速稳定发展，是我国经济工业发展的重要基础。由于都市景观的要求，以及避免风灾造成的输电线损坏事故，近年来电力公司大力推动将输配电力电缆地下化的发展。然而，由于渗水或是蚁害或其他灾害等原因，地下电缆输电线路停电事故屡见不鲜，造成社会与各企业重大停电损失。论文中从实务和理论方式探讨故障点查寻方法，期能将此技术，提供电力公司现场维护人员参考与分享，提升地下电力电缆运转可靠度，确保供电系统质量稳定与安全。

关键词：故障 探测技术 事故原因 故障的类型

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0069-02

1 研究背景与动机

我国电力建设的迅猛发展，给地下电缆的工程带来的数量的剧增，也成为了电力质量好坏的重要因素，然而地下电缆有着长时间运转的特性，由于使用时间周期长也就相应产生了常见故障现象。并且因为电缆埋于地下，如果一旦发生故障，会使检测员很难直接的观测到。一旦电缆在地下产生了故障现象，如果没有很快的发现故障的具体位置并解决故障影响，停电是直接的后果，而这样会产生巨大的经济损失。所以，需要快速又精准的确定所产生的故障的性质，以便于找到故障具体位置，能够迅速解决故障所带来的影响，减少停电所带来的经济损失，是电力公司管理者与现场维护技术人员共同关注和需要解决的问题，也是本论文研究动机。地下电缆在运行中，各种各样的故障类型经常会发生，有一些故障的类型、原因以及故障位置可以很快的发现，而有的却很难发现。

2 电缆故障

2.1 地下输电电缆事故原因

事故原因主要为民众过失、设备不良、施工不良、蚁害、设备劣化及工作不慎等六大项。

从以往的生活经验和各地所发生的电缆事故得到总结：一般情况下，地下电缆最容易发生故障的位置都在电缆的接续匣、终端匣以及避雷器附近。上述电缆的接续匣、终端匣、避雷器和外力破坏事故等因设备和施工不良所发生故障的事故点，查修人员容易藉由肉眼直接观察搜寻获得，无需仪器设备测试查寻，就能迅速准确的找出事故原因，从而解决问题，消除不利影响，争取将各种损失降到最低。然而，发生频率次于前述原因的蚁害所造成事故，却无法由肉眼直接观察判断故障点。必须藉助仪器设备测试查寻，方可查出故障区间确实故障点，亦即是本论文探讨如何迅速做到准确地查修故障点的技术方法与经验分享。

故障率是地下电力电缆建设发展所需考虑的主要因素，故障产生分为三个阶段，第一阶段（1～5年）容易产生运行故障，电缆本体与其附属设备以及电缆安装施工时的质量问题是导致其故障发生的最重要的原因。运行第二阶段（5～25年），就是电缆本体与其附属设备运行的稳定阶段，电缆线路运行时所发生的故障率比较低，而产生故障的原因主要是因为电缆本体的绝缘层老化以及其附属设备绝缘层受潮后质量劣化。运行第三阶段（25年后），故障产生的主要原因是电缆本体绝缘层与其附属设备材料的老化情况加剧，导致电缆运行时所产生的故障率也随之上升。

2.2 电力电缆故障的类型

电力电缆的故障类型分为5类，如下所述。

（1）低电阻接地或短路故障：当绝缘电阻低于100kΩ时，电缆线路相导体对地或数相导体之间产生的故障。

（2）高电阻接地或短路故障：与低电阻接地或短路故障类似，其区别在于接地或短路故障所用的电阻高于100kΩ。

（3）断线故障：在电缆各相导体绝缘正常的情况下，其中有一相或者是数相导体处于断线状态。

常见的断线故障类型分为3類：单相断线、二相断线、三相断线。

（4）闪络性故障：在低电压的条件下，电缆绝缘正常，一旦电压升至一定值或某一较高值时，电压维持一段时间后，绝缘会产生击穿的现象，常见的类型分为3类：单相闪络、二相闪络、三相闪络。

（5）复合型故障：发生这种故障的电缆线路具有2种或者2种以上故障特性，例如：接地断线、断线闪络、断线短路等。

2.3 电力电缆故障探测方法

有关电力电缆故障查寻探测技术主要方法，分述如下。

（1）电桥法：在电桥平衡的条件下，对应桥臂电阻的乘积相等，电缆的长度和电阻成正比。将被测电缆故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相，调节电桥两臂上的一个可调电阻器，使电桥平衡，利用比例关系和已知的电缆长度就能得出故障距离。

利用电桥法操作简单，精确度高，但是它的适用范围小，比较适用于短路（接地）。若电阻在100kΩ以上的故障，因为其故障的电阻相对较大，电桥回路中的电流又很小，一般电桥检流计灵敏度较低而不易探测。此外，电桥法不能测量三相短路的故障，因为必须要求有完好的相做比较。并且，若电缆线路中含有由导体材料或截面不同的电缆组成的情况下，需另外换算。

（2）低压脉冲反射法：也称时域反射法。

通过传输线的电波会产生反射现象这一原理，可以计量出故障点反射脉冲与发射脉冲之间的时间差，从而测距。在此测试中需要注入一低压脉冲到电缆中，此脉冲沿着电缆传播到阻抗不匹配点，则会出现反射现象，例如短路点、断路点、故障点、中间接续点、T型接头以及终端接续匣等，利用计量出的故障点反射脉冲与发射脉冲之间的时差方可测距。若需判别故障的性质，根据波形的极性即可，例如：断路故障的反射脉冲与发射脉冲的极性一样，短路故障的反射脉冲与发射脉冲的极性不同，所以此方法比较适用于交联电缆的短路、断路以及低阻故障的测量，不适用于高阻和闪络性故障的测量。

（3）脉冲电压法：脉冲电压法是测量高阻泄漏与闪络性故障的方法，对故障电缆加上直流高压或脉冲高压，使电缆故障点在高压下发生击穿放电现象，利用仪器计量出电压脉冲在测量点到放电点之间往返一次的时间进行测距。脉冲电压法的优点：高阻和闪络性故障不会被击穿，因其利用故障击穿现象产生的瞬间脉冲信号，测量速度比较快。缺点：安全性相对较差，仪器与高压回路之间会产生电气耦合的现象，这一现象会导致高压信号窜入，直接损坏仪器，带来经济损失。

（4）脉冲电流法：脉冲电流法采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行进波信号，故障点在高压下击穿时，使用仪器采集并记录下击穿故障点所产生的电流行进波信号，通过分析判断电流行进波信号在测量端与故障点往返一次所需时间来计算故障距离。此方法与脉冲电压法相比，此方法使用线性电流耦合器，由于信号来自低压回路，输出的脉冲电流波型与高压回路无直接电气连接，电流脉冲信号较易分辨，对试验仪器和试验人员相对比较安全。

（5）直流高压闪络法：比较适用于测量高阻闪络击穿性故障，用高压试验设备把电压升至一定值时就会产生闪络击穿现象。利用高压试验变压器和调压器对电容器进行充电，再将电容器串一个电阻与电缆连接起来形成回路；因需要检测信号，所以需另外采用线性电流耦合器与该回路耦合。当电容器的电压增至一定值时，高压会把电缆故障点击穿，此时短路电弧形成，故障点的电压值即刻接近零，同时一个突波电压和突波电流会产生，传播方向为沿故障点向两端。要获得故障距离则需要在电缆的一端检测电流脉冲在测量端和故障点之间往返一次的时间即可。

（6）声音测寻法：在测寻电缆故障的过程中，有故障的电缆在加上一个幅度足够高的冲击电压的情况下，故障点会产生闪络放电，还会有巨大的放电声产生，而这种声音能够传达到地球表面，通过这个现象来定点以致测寻到故障点。此方法所用的定位仪采用高灵敏度的声电转换器，先将地面微弱的地振波转变成电信号，然后利用电晶体放大器将所接收到的电信号进行一定的放大，再利用耳机还原成声音。由于环境噪声的干扰，在实际测寻时增加了辨别的困难。在故障点放电的情况下，会产生声波以及高频电磁波。声磁同步法是声音测寻法的改进，当故障放电时，利用电磁波和声波的接收是否同步可以判断。若能检测到故障点放电电磁波，又能听到地震波，则放电声波正在工作，在地振波信号和电磁波同步的条件下，且地振波信号和电磁波同步，证明所听到的地震波是可靠的，即可以确定故障点的具体位置。

（7）音频法：音频法的发展的原理是电缆多芯线里流动的电流所产生的磁通相位差与故障点前后的磁通变化。利用此法来判断电缆各种类别的短路故障时，高灵敏度的音频接收机和耳机、探测线圈、匹配变压器以及音频信号发生器等设备是必须要具备的。当故障电压低于100kΩ时，利用此方法，一般可以测寻到故障的具体位置。由于合成电磁场的相角、幅度与故障电阻的大小、所采用的信号频率、故障点前后的电缆长度有关，且电缆实际出现两芯线间纯短路概率很小，所以在现场应用此方法感应接收定点也不太容易。

声音测寻法与音频法的原理都是依靠判断电磁波或声波信号是否最强来判断故障具体位置，但在实际测寻的过程中，两者的信号哪一个最强并不是很明显就能判别的，例如，在电缆外被覆未完全击穿的情况下，由于声波发射在整条电缆的介质中，所以在很大范围内所接收到的信号强度区别不明显。当管路中产生电缆故障时，可以判别声音信号最强的位置是管路口，而不是故障点。

3 结语

依据上述探讨可知，对电力电缆故障测距有很多方法，除因外界破坏因素而引起的故障易查寻外，其它的故障的具体位置不易查寻，必须依靠仪器测寻，一旦测寻人员操作仪器的经验不足，测寻方法不妥，造成故障点误判或者是长时间找不到故障点，故障维修的时间延迟所造成的经济损失和社会成本难以估计。

现代微电子技术的不断发展与创新应用于各种在线监测，新方法有很多，例：应用小波变换分析法、GPS电缆双端故障测距法、实时专家系统、人工神经网络系统、应用光纤复合电缆传感技术、分布式光纤温度传感器等监测地下电力电缆故障点，具有高测量精度、高自动化、结合因特网和云端科技的在线监测及全自动测距电缆故障探测，能够满足精度要求。由于我国在电缆故障测距方面的应用还不太成熟，并且不是实时动态的。所以将电缆的地理讯息系统和全球定位系统联合运用于电缆状态及运行时所发生的故障的自动定位测距，以达到实时动态的全自动监测测距，这也是现代电缆故障测距的发展趋势。有助于在确保安全的前提下，事先检测诊断电力电缆供电设备，对故障进行预测，降低电缆故障产生的概率，减少供电事故发生率，缩短事故的停电时间，提升供电的电压质量。

展望未来国内外科研技术人员实现实时动态在线监测，在电缆线路故障前事先检测发现弱点，减少电缆故障发生机率，全自动监测运转时方便、快速及准确地找出电力电缆发生故障的自动定位测距，减少因故障停电而恢复供电的时间、经济损失，提高供电的可靠性与供电电压的质量。

参考文献

[1] 胡文堂.电线电缆[M].北京：中国电力出版社，2003.

[2] 陕西省电力公司，于占统.电力电缆安装、运行与检修[M].北京：中国电力出版社，2003.

[3] 于景丰，赵锋.电力电缆实用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[4] 史传卿.电力电缆安装运行技术问答[M].北京：中国电力出版社，2002.

[5] 成永紅.电力设备绝缘检测与诊断[M].北京：中国电力出版社，2001.

[6] 冯慈璋，马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社，2000.