局部放电测量技术在电缆故障预定位中的应用

顾朝敏，贾伯岩，潘 瑾，范雪峰，庞先海

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.北京兴迪仪器有限责任公司，北京 100085)

局部放电测量技术在电缆故障预定位中的应用

顾朝敏1，贾伯岩1，潘 瑾1，范雪峰2，庞先海1

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.北京兴迪仪器有限责任公司，北京 100085)

针对传统的电缆高绝缘电阻故障定位技术在应用中可能存在因故障点无法击穿或燃弧时间过短，进而导致电缆故障无法有效定位的问题，结合局部放电脉冲行波法定位技术，提出将局部放电脉冲电流法测量技术应用于电缆故障定位的新方法。对于35 kV及以下电压等级中压电缆线路，提出基于脉冲电流法的局部放电脉冲定位技术；对于110 kV及以上电压等级的高压、超高压电缆线路，提出采用多个中间接头分布式局部放电测量技术的新型高阻故障定位方法。针对部分不同电压等级的电缆高阻故障，进行了现场实际定位测量，准确的完成了故障部位的定位。在现场电缆高阻故障定位中的成功应用表明，该技术具有良好的应用前景。

电力电缆；故障预定位；局放测量技术；脉冲电流法；分布式检测

1 概述

近年来，随着交联聚乙烯等电缆线路的增多及早期电缆运行时间的增长，电缆运行故障呈上升趋势，同时，电缆在运行过程中，一旦发生绝缘故障，故障点的查找相对于架空线路也更为困难。根据传统电缆定位方法，在进行故障预定位时，首先需要根据故障电缆的绝缘电阻大小初步判断故障的性质，再根据故障的断线、低阻、高阻等性质选择合适的预定位方法[1-3]。据统计，电缆在主绝缘故障中，75%为高绝缘电阻，60%的绝缘电阻为兆欧级，闪络性故障电缆的绝缘电阻90%也在兆欧级以上[4]。同时，电缆主绝缘故障预定位的难点也主要在于高阻故障、闪络性故障及高电压等级、大长度电缆故障查找。对高绝缘电阻故障采用二次(多次)脉冲法、冲闪法等进行预定位时，经常遇到下述问题，导致无法定位故障点。

a. 故障点无法击穿。目前采用传统主绝缘故障预定位仪器的最大冲击电压为32 kV，在对部分高绝缘电阻故障电缆进行故障点预定位查找时，即使使用最大冲击电压也无法击穿电缆高阻故障点。

b. 故障点燃弧时间过短。被试电缆电容量越大，所需要的冲击能量(W=CU2)越大，才能保证故障点燃弧时间足够长，以满足二次(多次)脉冲法或冲闪法等的测试要求。对于较长的电缆线路，即使利用定位装置的最大冲击能量，也往往无法解决由于故障点燃弧时间过短导致不能得到较好的测试波形的问题。

针对上述情况，研究将脉冲电流法局放测量应用于电缆故障查找的新型定位技术，且针对不同电压等级的电缆研究相应的故障预定位方法，能够有效的弥补传统电缆故障定位方法的局限性，完成故障预定位，提升检修效率。

2 局部放电测量技术应用于故障预定位

局部放电(简称“局放”)测量能够有效的发现电缆绝缘缺陷及其位置，并可以应用到电缆的故障位置查找上[5]。对于主绝缘电阻较大(如部分高阻故障、闪络性故障)的故障电缆，电缆的主绝缘仍可承受一定的外施电压，并在故障部位发生局放。通过查找局放的部位，可以据此实现故障点的定位。

2.1 标准脉冲电流法

对于35 kV及以下电压等级中压电缆线路，可以采用符合IEC 60270标准的脉冲电流法进行主绝缘故障定位查找。标准测量回路如图1所示[6]，其中Ca为试品电缆，Ck为耦合电容，CD为检测阻抗，MI为局放检测仪。

图1 IEC 60270标准测量回路

通过外施电源对故障电缆进行加压，在施加电压由零缓慢增加的过程中，高阻故障部位的局放被激发，利用图1所示的脉冲电流法测量回路进行局放检测，通过耦合电容和检测阻抗提取放电信号。再利用行波法进行局放部位(故障点)定位查找[7]。

高阻故障点产生局放后，信号沿着电缆向电缆的两端传输。局放脉冲信号依图2所示的反射路径依次形成由检测终端接收的3个脉冲。

图2所示故障点距离近端的距离为L1，距离远端的距离为L2，三次信号传输到近端的时间分别设为t1、t2及t3，信号的传输速度设为v，电缆长度为L。则：

图2 放电点(故障点)行波法定位

(1)

(2)

在上列的计算式中，v取值范围已知约为168～172 m/μs[8]，t2-t1及t3-t2可通过测试计算得出，进而计算出故障点离近端与远端的距离，实现故障位置定位。

然而，由于Alpha稳定分布的概率密度函数没有闭合解，故一个服从Alpha稳定分布的随机变量X可用其特征函数描述为

2.2 分布式局放检测法

对于110 kV及以上电压等级的高压、超高压电缆线路，相较于标准测量回路中的耦合电容，电缆自身电容要大得多，参照IEC 60270中标准测量回路及灵敏度曲线图(如图3所示)，Ck和Ca分别为偶合电容和试品电容，qs和qm分别为局放信号和背景噪声。此时采用标准测量回路，局放测量的灵敏度将非常低，信号很容易被淹没在背景噪声中。

图3 IEC 60270局放测量灵敏度曲线

另一方面，相对于中压电缆，高压、超高压电缆线路长度普遍更长，当故障点离局放的检测点较远时，由于放电信号在沿电缆的传输中会产生指数型的衰减，故障点被激发的局放信号衰减过大，导致在检测点已经无法有效地耦合到此信号，从而无法完成故障点的定位工作。因此，采用符合IEC 60270标准的脉冲电流法无法适用于高压、超高压电缆的主绝缘故障预定位。

针对于上述情况，可以采用分布式局放检测技术进行高压、超高压电缆线路的主绝缘故障预定位。

分布式局放检测时，在电缆的所有接头的接地线上安装高频传感器进行局放信号的同步耦合采集[9]，检测的信号汇总到检测主机进行数据处理。此时，根据放电信号在电缆中的衰减特性(信号幅值呈指数衰减，信号中高频部分衰减大于低频部分)，先通过比较各传感器检测到局放信号幅值及最高检测频带对放电点进行初步定位，并判断局放信号在电缆中的传播方向。

采用分布式局放检测技术进行故障预定位时，由于所有局放采集装置之间的同步时间为纳秒级，由同步时间引起的时间误差较小，因此可以通过测量局放信号传播到所有接头上的时间差，进行放电点定位。

如图4所示，假设故障点在电缆的位置为O，这段电缆相邻的两个接头分别为A与B，O到接头A的距离记为x1,到接头B的距离记为x2,已知局部信号在电缆中的传播速度为v，该段电缆的长度为L。故障点距两端接头的距离x1，x2，计算得出。

图4 故障点位于两个检测接头之间

(3)

(4)

在上列的公式中，v与L为已知值，信号到达2个局放采集装置的时间差t2-t1通过仪器可以得知，进而可以求出x1与x2的数值。

对于故障点位置位于相邻2个局放检测点同一侧，如图5所示，信号到达这2个局放装置的时间差可由公式(5)计算得出：

(5)

图5 故障点位于2个检测接头的同一侧

如果单段电缆长度相同，信号到达这两个局放采集装置的时间差为一定值。

对于检测到故障点放电信号的接头，比较相邻2组接头检测到该信号的时间差，如果时间差均相等，则故障点位于放电幅值最大的接头上；如果时间差不同，则故障点位于时间差最小的相邻的两组接头之间，距离接头的位置可以由公式(4)及(5)计算得出。

3 现场应用实例

3.1 脉冲电流法应用实例

某10 kV(三芯)电缆在退出运行多年后重新准备投入运行，运行前预试发现，V相对地绝缘电阻只有28 MΩ。线路投入运行后，约3分钟左右发生跳闸，经测试，V相的绝缘电阻下降到5 MΩ，且泄漏电流较大。现场采用最大冲击电压16 kV的电缆故障定位装置，进行多次脉冲法故障预定位，在冲击电压达到最大值16 kV的情况下，故障点仍未击穿。

在此情况下，使用符合 IEC 60270标准的脉冲电流法对该电缆进行故障预定位，外施电源对故障电缆进行加压，当加压到3.5 kV时，检测到局放信号，为了取得更好的放电谱图及测量效果，继续加压到3.8 kV，检测到的放电信号在相位图上具有明显的局放相位特征，此时放电量约为200 pC。

利用行波法进行定位，局放仪检测到的相邻3个局放信号脉冲图如图6所示，第2个脉冲与第1个脉冲时间差t2-t1为715.27 ns，第3个脉冲与第2个脉冲的时间差t3-t2为1.12 μs，放电信号在该电缆中的传播速度约为172 m/μs。由公式(1)与(2)，计算得出故障点距离近端L1为96.32 m，距离远端L2为61.51 m。

图6 放电点定位计算示意

根据定位结果，最终在距测量点约96 m的某接头处发现了电缆故障点。

3.2 分布式局放测量法定位实例

某110 kV电缆U相在做耐压试验时发生了闪络性故障，现场采用分布式局放检测技术对该电缆U相进行了故障预定位。电缆线路长约5 km，共有9组中间接头，2组终端接头。在整个U相故障定位过程中，在3号-7号共5个接头上检测到局放信号。

5组接头检测到的局放量与设置的最高检测频带如表1所示，其中5号接头部位所检测到的局放信号幅值最大(约650 pC)，且最高检测频带最高(10 MHz)，如图7所示，据此可初步判断该电缆的放电点(故障点)距离5号接头最近。

表1 5组接头最高检测频带

序号检测位置最高检测频带/MHz局放信号幅值/pC13号中间接头34.624号中间接头6187.8635号中间接头10650.1346号中间接头473.7457号中间接头22.18

图7 5号中间接头实测局放谱

各传感器测得相邻电缆接头间的放电信号时间差如表2所示。

表2 相邻接头检测到信号的时间差

序号相邻接头时间差/μs13号中间接头、4号中间接头2.9124号中间接头、5号中间接头2.5635号中间接头、6号中间接头2.9146号中间接头、7号中间接头2.90

从表2中可以得知，4号接头与5号接头检测到放电信号的时间差最短。因此故障点(放电点)的位置位于4号接头与5号接头之间的电缆段上。选择4号接头与5号接头检测到的放电脉冲进行研究，如图9所示。

图8中第1个波形为5号接头检测到的放电脉冲，第2个波形为4号接头检测到的放电脉冲。4号接头与5号接头检测到放电信号的时间差为2.56 μs，放电信号在该型号电缆中的传播速度v约为172 m/μs，单段电缆L长约500 m，由公式(3)与公式(4)，可计算出故障点(放电点)到4号接头距离x1为470.16 m，到5号接头距离x2为29.84 m。

图8 放电点定位计算示意

4 结束语

采用局放检测技术进行电缆主绝缘故障预定位，可以作为传统故障定位方法的有效补充。该技术方法的提出为部分高绝缘电阻故障电缆的定位提供了一种行之有效的方法。标准脉冲电流法可在10 kV(6 kV)、35 kV中压电缆高绝缘电阻故障定位中得到有效应用。对于高压、超高压电缆部分主绝缘故障，结合分布式局放测量技术，能够实现对故障点定位，并在现场故障电缆中得到了成功应用。

[1] 崔江静，梁芝培，孙廷玺.电力电缆故障测试技术及应用的概述[J].高电压技术，2001，27(增):40-41，43.

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[4] 郑秀玉，李晓明，丁坚勇.电力电缆故障定位综述[J].电气应用，2009，28(22):82-85.

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[7] 徐丙垠.利用暂态行波的输电线路故障测距技术[M].西安:西安交通大学出版社，1991.

[8] 潘祖连.交联电缆端部故障定位的影响因素及对策[J]．高电压技术，2001，27(6)：72.

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本文责任编辑：靳书海

Application of Partial Discharge Measurement in Cable Fault Pre-locating

Gu Chaomin1，Jia Boyan1，Pan Jin1，Fan Xuefeng2，Pang Xianhai1

(1. State Grid Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021，China；2. Sindia Instruments Company Limited，Beijing 100085，China)

When using the conventional methods for high insulation resistance fault location of cable, it could not be effective location for the cable fault, because the fault position can't be brokendown or the arcing time is not enough. This paper puts forward a new method to locate the fault position of a cable which is using Partial Discharge Measurement, and puts forward concrete measurement method according to different voltage grade. That is the partial discharge measurement with pulse current method for medium voltage cable, and distributed detection of partial discharge for high-voltage cable. The successful application in cable fault location for high insulation resistance shows that this method has a good application prospect.

power cable；fault pre-locating；partial discharge measurement；pulse current method；distributed detection

TM835

：B

：1001-9898(2017)04-0035-04

2016-12-05

顾朝敏(1985-)，男，工程师，主要从事高压试验、电力设备局部放电测试技术研究工作。