高压XLPE电缆主绝缘故障性质诊断与测距研究

李文泉

(国网泉州供电公司，福建 泉州 362000)

1 引言

随着城市化进程的不断发展，架空输电线路缆化入地成为城市电网发展的主流选择[1-2]。在高压XLPE电缆生产、运输、敷设、试验和运行过程中，因各种原因导致电缆主绝缘产生各类显性或隐性的隐患或缺陷，并最终导致故障而产生跳闸事件。

电缆故障产生后，如何进行快速进行故障性质判断与测距定位成为电缆运检部门的首要工作。因每年产生的故障跳闸事件较少，生产部门人员经验欠缺，无法快速对故障进行诊断分析，不利于故障快速消缺与恢复送电工作，影响电网安全性与稳定性。

针对以上问题，本文总结常见单芯XLPE电缆主绝缘故障原因，分析电缆故障模型和性质，提出电缆故障性质诊断与测距的流程，研究常见故障波形图特征与故障点光标定位方法。

2 电缆故障原因分析

电力电缆产生故障的原因是多种多样的，常见故障原因可分为外力破坏、附件质量、敷设质量和本体质量。

(1)外力破坏

外力破坏是电缆运行过程中发生故障的主要原因，具体表现为以下两个方面：

一是市政工程建设过程中，施工单位在未经全面勘测和与相关管线单位沟通的基础上盲目施工，大型机械破路开挖，造成电缆外护套损伤或者直接伤及电缆线芯造成故障跳闸。

二是电缆浅埋段长期受到车辆、重物冲击，造成电缆土建设施下沉、电缆护套开裂、本体拉伤断裂。

(2)附件质量

附件制作质量不良是电缆故障的次要原因，具体表现为：

①终端头、中间接头制作过程中，未严格遵守规程中关于现场温度、湿度和清洁度的规定，未采取保证现场温湿度合格的相关措施。

②附件制作人员未严格按照附件装配图纸和施工工艺流程进行施工，导致尺寸偏差过大、制作工艺不良。

③附件带材使用错误，绝缘材料与半导电材料混用，导致电场分布产生畸变。

④附件密封工艺不良，有潮气水分进入，水树枝导致绝缘受损进而产生局部放电。

(3)敷设质量

敷设施工质量不良也是电缆发生故障的原因之一，具体表现为：

①施工单位未按照施工方案和相关规程要求施工。

②牵引机械布置间距过大、转弯半径过小等原因，导致牵引力过大，超过规定限值导致电缆护套机械损伤。

③长电缆线路，电缆分段不均匀，交叉互联箱接线错误，导致电缆金属护套感应电压超过规程规定，电缆接地电流过大导致电缆发热严重，最终导致电缆故障。

(4)本体质量

因本体原因引发的电缆故障概率较低，具体表现为：

①电缆制造工艺不良，线芯绞合不紧密，或导体屏蔽层、主绝缘层、绝缘屏蔽层三层共挤工艺不良，导致电缆各层存在气隙，引发局部放电导致电缆故障。

②电缆绝缘老化，运行年限较久的电缆，因绝缘层长期运行在高电压高场强工况下，导致绝缘性能下降[3]。

3 电缆故障性质分类

电缆故障可用一个等效电路来表示，如图1所示。其中，表示故障点的绝缘电阻，表示电缆分布电容。为了表示故障点击穿电压情况，用一个放电间隙表示。

电缆故障可用一个RC等效电路来表示，如图1所示。其中，R表示故障点的绝缘电阻，C表示电缆分布电容。为了表示故障点击穿电压情况，用一个放电间隙G表示。

图1 电缆故障等效电路

(1)开路故障

开路故障是指电缆线芯或金属护套发生开断的故障。开路故障发生的概率极低，一般伴随有电缆的接地故障。

(2)低阻(短路)故障

低阻(短路)故障是指芯线对地或线芯之间的绝缘电阻小于几百欧姆的故障，一般小于10倍电缆波阻抗Z0。

(3)泄漏性高阻故障

泄漏性高阻故障是指芯线对地或线芯之间的绝缘电阻大于几百欧姆的故障，一般大于10倍电缆波阻抗Z0。

(4)闪络性高阻故障

闪络性高阻故障是指电缆线芯对地或线芯之间的绝缘电阻值极高，但进行直流耐压试验时，当电压达到某一数值时，电缆绝缘被击穿，而当电压下降后，绝缘恢复的故障。

4 电缆故障性质诊断与测距

当电缆运检部门接到电缆故障信息后，如果是电缆终端或中间接头的开放性故障，一般通过对电缆全长进行故障特巡即可发现故障点。如果电缆是封闭性故障，此时需要进行故障测距。正常情况下，可以按照图2所示流程进行。

图2 电缆故障测距流程

4.1 发现故障

电缆发生故障跳闸后，电缆运检部门将收到调度部门发送的故障测距信息，包含有故障具体时间、变电站线路距离保护动作情况、重合闸动作情况、故障测距长度、故障相别、故障相一次电流等信息。

一般地，对于混缆线路，当重合闸不成功时，即可判定为电缆故障。对于变电站距离保护测得的故障距离仅是一个大概值，用于指导电缆运检部门初步定位故障点。

4.2 准备仪器工具

确认电缆发生故障后，需要进行仪器仪表和工器具的准备。

(1)试验仪器仪表

①电力电缆故障测距仪：电缆故障测距的主要仪器，用于故障波形的采集、显示与分析。

②电缆测试高压发生器(含电容器)：针对高阻故障和闪络故障，通过电容器储能，再通过放电间隙放电，使故障点击穿发出故障电流行波。

③二次脉冲信号耦合器：二次脉冲法中用于保持故障点电弧状态的仪器。

④绝缘电阻测试仪：测量电缆绝缘电阻，用于辅助判断电缆完好、断线、泄漏性高阻和闪络性故障。

⑤绝缘电阻测试仪：测量电缆直流电阻值，用于辅助判断电缆连续性、短路和低阻故障。

(2)安全工器具

①验电器：用于判断电缆是否带电/停电。

②工频信号发生器：模拟带电信号以判断验电器是否正常工作。

③接地线：高压试验时，非测试相应保持接地状态，以防止感应电伤人。

④放电棒：高压试验前后，对电缆进行充分放电，防止电缆积累空间电荷。

⑤绝缘垫：操作高压仪器时，操作人员应站立于绝缘垫上，确保人身安全。

4.3 布置安全措施

电缆故障测试时应使用安全围栏、围网将现场进行隔离，确保与过往人员、车辆保持足够的安全距离。在测试入口处，悬挂“从此进入”标志牌，限定工作人员出入口；在围栏中部向外悬挂“高压危险”标志牌，提醒过往人员保持距离；在被测电缆上悬挂“在此工作”标志牌，确定工作范围。故障测试前，两侧电缆终端均应装设接地线，同时应设专人监护。

4.4 故障性质诊断

(1)核相试验

为了防止在测试过程中，首末端相序不一致导致误判，或是升压过程中误接线，产生触电危险，故需要进行核相试验。利用万用表，在一侧终端处测量相对地直流电阻值，另一侧利用试验短接线对地导通/断开，对比万用表读数，可判断出三相相序。在核相过程中，通过读数也可初步判断电缆低阻故障情况。

(2)导通试验

导通试验用于判断电缆是否存在断线故障，将电缆末端三相短接不接地，在电缆首端测量AB、BC、CA相间直流电阻值。

①当相间直流电阻值为正常值时(一般在几欧之内)，三相不存在断线(开路故障)。

②当相间直流电阻值存在两次无穷大值时，说明存在单相断线(开路故障)。

③当相间直流电阻值存在三次无穷大值时，说明存在两相断线(开路故障)。

(3)绝缘电阻测试

利用绝缘电阻测试仪分别测量相对地、相间绝缘电阻，用于判断是否为完好相、泄漏性高阻、闪络性高阻故障或相间短路故障(一般情况下，单芯输电电缆不会发生相间短路故障)。

①当绝缘电阻值在几或几时，一般可判定为泄漏性高阻故障。

②当绝缘电阻值在几百或几时或更大值时，一般可判定为完好相或闪络性高阻故障。通过直流加压试验，观察电压表指针是否周期性摆动，可判定为闪络性高阻故障，否则为完好相。

(4)直流电阻测试

当绝缘电阻测试中，示数为0时，需要利用万用表进一步判断电缆故障性质，此时万用表读数即为电缆低阻故障值或短路故障值。

综上，通过以上步骤，即可判断出电缆开路故障、低阻(短路)故障、泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障性质。

4.5 电缆全长测量

电缆故障性质判断完毕后，需要进行电缆全长测量，以便为标定电缆故障距离限定一个范围，防止故障距离误判。

选择电缆完好相，通过电力电缆故障测距仪低压脉冲法，发送一个低压脉冲，初始极性为正极性，到达电缆末端时，脉冲产生全反射，到达仪器后采集到电压波，全长距离l为波速度v与脉冲波形往返一次时间Δt乘积的1/2[4]。

图3 电缆全长波形

假设线路波阻抗为Z0，故障点等效阻抗为Zg，则电压反射系数为：

对于开断故障(完好相末端视为开路)，Zg>>Z0，此时ku=1，因此入射波与反射波极性相同。

4.6 故障距离测量

(1)断线故障测距

断线故障测距方法与全长测量方法一致，采用低压脉冲法，将实光标定位于最左侧，虚光标定位于首个同极性反射脉冲上升沿拐点处即为断线故障处距离。

图4 断线故障波形

(2)低阻(短路)故障测距

对于低阻(短路)故障，最简便的方法是采用低压脉冲法进行测距。此时，故障点等效阻抗为Zg=0，此时电压反射系数ku=-1，因此，入射波与反射波极性相反。

图5 低阻(短路)故障波形

(3)高阻故障测距

对于高阻故障(泄漏性或闪络性)，均可采用脉冲电流法或二次脉冲法进行测距。

当采用脉冲电流法(直闪法或冲闪法)时，由电缆测试高压发生器对故障点施加电压，故障点到达电压临界点后击穿(直闪法)，或通过储能电容器对故障点泄放能量后故障点击穿(冲闪法)。故障点击穿后产生电流行波，初始极性为负极性，在接地线处被线性电流耦合器采集到故障波形[5]。

假设线路波阻抗为Z0，故障点等效阻抗为Zg，入射电压为Ui，反射电压为Uo，则电流反射系数为：

由上式可见，故障点的电流反射系数与电压反射系数大小相等，符号相反。对于高阻故障，故障点放电脉冲与反射脉冲极性相同，均为负极性，如图6、图7所示。图中，第一个负脉冲为放电脉冲，第二个负脉冲为反射脉冲，随着时间推移，脉冲多次反射，能量损耗直至幅值归零。

图6 泄漏性高阻故障波形(脉冲电流法)

图7 闪络性高阻故障波形(脉冲电流法)

图中将实线标定至第一个反射脉冲的起始点，虚线标定至第一个反射脉冲末端与一小正脉冲的拐点处，即为故障点距离值。正脉冲的产生是由于储能电容器与测试用导线存在的杂散电感引起。

当采用二次脉冲法进行高阻故障测距时，由储能电容器向故障点泄放能量，故障点击穿。在击穿瞬间，利用延弧器使故障点保持电弧状态，此时故障点等效于短路状态，由仪器发射一个低压脉冲波形，得到一个等同于低阻故障的波形。然后，电弧熄灭后，仪器再发送一个低压脉冲，此时电缆等同于完好状态，得到一个无故障波形。两个波形相比较，在负极性波形与完好波形的差异点处，即得到电缆故障点的距离值。如图8、图9所示，虚线标定处即为故障点距离。

图8 泄漏性高阻故障波形(二次脉冲法)

图9 闪络性高阻故障波形(二次脉冲法)

4.7 结束工作

测得故障点距离后，应恢复设备接线状态，拆除接地线，撤除安全围栏，确保终端塔上工作人员已撤离，杆塔上无遗留物，才可宣布故障测距工作结束。

5 总结

(1)高压XLPE输电电缆主绝缘故障的主要原因根据占比由大到小分别是外力破坏、附件质量、敷设质量和本体质量，对电缆运检人员确保电缆安全稳定运行指明了工作重点和方向。

(2)高压XLPE输电电缆主绝缘故障根据线芯状态和绝缘电阻值大小可分为开路故障、低阻(短路)故障、泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障，故障的多样性给故障性质诊断带来了一定的挑战。

(3)高压XLPE输电电缆主绝缘故障测距应根据故障性质合理选择测距方法，有效区分低压脉冲法的电压行波与脉冲电流法的电流行波是故障测距波形标定的关键。