电力电缆绝缘故障测寻方法探讨

王宇斌

（广东电网有限责任公司东莞供电局）

1 电力电缆绝缘故障测寻的意义

在电力工程项目中电力电缆是常见的一种材料，其绝缘层通常用塑料、PVC等化工材料制作而成，电缆制作的首要原则就是“绝缘”这种功能属性，然而，城市土地资源非常有限，使用成本非常高。同时，传统的大容量架空输电方式在建筑整洁美观方面已不能满足现代城市的需要，电力电缆以其传输容量大、安装方便、环境友好等优点在城市建设中得到了广泛的应用［1］。

在电缆的运行过程中，其绝缘层受到同时或连续的电、热、机械和环境应力。这些应力有助于某些XLPE降解过程的启动和发展，导致绝缘的物理和化学性能发生一些不可逆的劣化。图1为电缆多重应力图。根据电缆老化过程中受不同应力的影响，常见主要分为热老化、空间电荷注入、电老化、水树老化等。电缆处于实际运行情况下，其最高工作温度可大90℃，但当电缆发生故障情况时，会导致运行温度高于实际工作温度，如中低压电缆短路或过载时，电缆的绝缘温度可在短时间内达到150℃，而当高压电缆发生短路故障时，电缆绝缘温度甚至高达250℃。研究电缆绝缘的老化机理、影响因素以及空间电荷分布的特征关系，对于延缓绝缘老化、监测电缆运行状态、保证电网安全运行、提高电缆绝缘的可靠性具有重要意义。

图1 老化压力源和多应力老化

目前现场实际中，高压电力电缆通常隐藏敷设在地下，运行中的电缆如果发生故障，不易直观发现，是否能够快速测出故障位置的精准位置对于能否及时排除故障恢复送电至关重要，许多企业用户的专线是采用全线电缆从变电站敷设到工厂，城市繁华地带由于地面空间有限，有时候采用电缆敷设用于连接变电站之间的电网关系，可见如果电缆发生故障通常会导致许多企业用户停电停产。所以，快速查找到电缆故障位置，及时完成抢修恢复供电十分重要。在电力系统日常运行中，快速有效准确地测寻到电力电缆绝缘故障对于电力设施稳定运行、保障供电企业停电时户数指标、保障地区工商业用户供电可靠性、提升电力获得感、优化营商环境意义重大。

2 当前电力电缆绝缘故障现状

用等效图研究当前电缆绝缘故障，如图2所示。经调查统计，按照电气理论当前主要存在：低阻、高阻、开路等输配电电力电缆绝缘故障，如表1所示。

图2 电缆故障等效电路图

表1 电力电缆绝缘故障种类

3 电力电缆绝缘故障测寻现状

3.1 电力电缆故障测寻原理

目前关于电力电缆绝缘状态的检测方法传统的方式主要采用耐压检测和局部放电等试验，从电缆故障的原理考虑，目前工作中电缆绝缘故障测寻的原理有两种：阻抗原理和行波原理，如表2所示。

表2 电力电缆故障测寻原理表

3.2 电力电缆故障测寻的基本步骤

对于一次电力电缆故障的测寻通常分为以下几个步骤：

第一步是初步分析大概定位，找到故障的种类：俗话说谋定而后动，这个步骤是进行寻找电力电缆绝缘故障之前至关重要的一步，只有当确定了故障是哪一个种类后方可针对这个种类采用最合适的方法进行快速测寻。目前工作中往往采用检测故障电缆相对地绝缘电阻值和直流耐压测试来初步分析确定。

第二步是对故障进行预定位：大概确定故障的种类后，检修人员就要采用直流电桥法、低压脉冲法、二次脉冲法等各种适合的方法对故障电缆进行粗测计量，测量后计算出故障位置距故障电缆测试端的大概距离。

直流电桥法是最常见的方法，靠Murray电桥电流值也可以观察到明显的变化，对故障位置定位精准又便利。

比如电缆A相接地后，可采用如图3所示的直流电桥法进行故障位置的预定位。

图3 直流电桥法测试接线原理图

在图中，将电桥的检测端子其中一个接电缆故障缆芯A相另一个接正常运行的无故障缆芯，把他们的另一端用跨接线短接，当电桥平衡时，则有：

式中，S为从检测端到故障位置的距离，m；L为电缆长度，m；R1，R2为桥臂电阻，Ω。

工作人员连接过程中可采用焊接、压接等方式，计算得到的数值需要将小数点后面的数值全部保留，以确保计算数据的准确程度，避免在查找过程中出现误差［6］，对于高电压等级比较危险，这个因素限制了高压电桥法的应用范围。

低压脉冲法是靠分析反射脉冲和发射脉冲的时间差Δt来寻找故障位置的距离，电波在电缆中传播，它的传播速度只和绝缘介质有关，加低压脉冲信号到电缆内，依据式（2）对故障位置具体位置予以判断：

式中，L为从检测端到故障位置的距离，m；V为电波传播速度，m／s；Δt为发射脉冲波和反射脉冲波的时间间隔，s。低压脉冲法主要合适于测试电缆断路故障和低电阻短路或接地故障。

由于低压脉冲在电缆中传输可以直接跳过高阻或闪络故障位置，因此对于高阻故障和闪络故障检测，其预定位则采用二次脉冲法（也称弧反射法）。

第三步：对故障进行精准定点：很显然，工作人员完成预定位工作以后，所检测到的故障距离和电缆实际敷设的距离难免有一些偏差，工作人员需要依据电缆运行资料现场环境确定故障的大概位置，此外如果有必要还需依据故障种类的不同，分别再采用大功率音频定位法、声磁时间差Δt法等对故障进行精准定点，也可采用冲击放电声测法，原理如图4所示。

图4 冲击放电声测法原理图

在图中，高压发生器对电容C充电，当充电电压高到一定数值时，球间隙被击穿，这个冲击电压顺着电缆向故障位置传播。只要冲击高压的幅度足够高，电缆故障位置就会发生闪络放电，同时还会产生相当大的“啪、啪”放电声，声音传到地面，这样就能够十分准确地将故障位置寻测出来，并且误差很小。

但是如果设备长时间地加高电压“击穿”风险太大，则能够采用冲击闪络法进行预定位，用声磁同步法来精确故障位置。

下面介绍冲击闪络法，它的思路如下：首先检修人员把试验直流负高电压加在电缆一端，到了故障位置会发生电弧，电流增大电压减小，发生短路反射，反射波传到做试验的那一端，之后在首段又会发生开路反射，新的反射波又传到故障点循环往复，这样的反射过程会在检测端和故障位置之间持续下去，唯一的区别就是振荡的幅度越来越小。

为防止检测端并联的大电容C将反射波短路，需要在电缆和球隙之间串接电感线圈L组成微分电路。电感L对突眺电压U有较大的阻抗R，检测设备就可记录电波在检测端第一次反射至第二次反射的时间T，并考虑到这是电波在线芯上往返一次的时间，则有：

式中，X为从检测端到故障位置的距离，m；T为电波在检测端第一次反射至第二次反射的时间，s；V为电波传播速度，m／s；

当发生闪络性高阻故障和泄漏性高阻故障时通常用冲击闪络法检测。

而声磁同步法是对声测法进行优化。首先检修人员把试验直流负高电压加在电缆一端，故障位置既发生闪络放电也会释放出声音信号和电磁信号，众所周知电磁信号的传播速度和光速差不多，瞬间就可以到达故障位置，声音信号和磁场信号传播速度不同是声磁同步法的依据，计数的开始时间是仪器探头检测到电磁信号那一刻，这个工作一直持续到检测到声音信号结束，并顺着电缆寻找数字最小之处即为故障位置。

通过以上步骤综合分析方可精准测寻到电缆故障的位置，可见并不简单。尤其是预定位这一步至关重要，如果出现较大偏差，则事倍功半，针对断路故障、接地故障、低阻故障和高阻故障不同种类故障的预定位应当采取不同思路。

4 结束语

电力电缆是电力传输的载体，电力电缆发生绝缘故障后，分情况来说如果是电缆直接短路或短路点电阻值小于1Ω的故障则采用电桥法。如果是电缆故障预定位和精确定位方面则采用冲击闪络法、声磁同步法。这些方法相对比较成熟，但设备价格较高［6］。所以在电力工作一线现场，电力电缆绝缘故障的测寻需要依据不同的电缆故障性质和电缆的运行环境，选择不同的测定方法。并且结合资料数据共同分析，从而达到尽快测定故障位置的目的，消除缺陷恢复送电，提升地区供电可靠性，只有这样才能凸显电力自动化的优势，才能让电力电缆在越加庞大的电力系统和更加复杂的电网结构中稳定地发挥其作用，保证电力运行的安全性和可靠性，为我国的电力用户提供稳定的电力供应。