关键词：电力电缆，故障探测，定位方法
1.引言
随着我国经济快速发展，城市化水平不断提高，架空线路缆化入地项目不断推进，电力电缆以其安全、可靠、隐蔽性好等优点在城市建设中得到广泛应用。电缆作为城市中传输电能的重要载体，已然成为结构复杂、线路众多的庞大体系。然而由于绝缘老化、制作工艺、通道环境、外力破坏等因素影响，在运中的电缆可能发生各类故障，如何快速、准确、经济地测寻电缆故障，缩短用户停电时间，减少故障修复费用及停电损失是电力行业十分关注的问题[1-3]。
本文总结常用10kV电缆故障测试技术及探寻方法，可为电缆运检部门及供电企业快速、准确查找故障提供实际指导意义。
2.电缆故障探测技术及方法
电缆故障发生后，需按照一定的测试步骤寻找电缆故障点：故障性质诊断、故障距离粗测、电缆路径寻踪、故障精确定点。
图1 电缆故障测试流程
2.1故障性质诊断
故障性质诊断主要通过测量电缆的导电性能和绝缘性能，检测电缆是否故障，分辨故障电缆芯线，初步确定故障性质，根据不同故障类型选择不同的故障测距和定点方法[4]。故障性质诊断常用的方法有绝缘电阻试验、线芯导通试验和耐压试验。
表1 不同故障性质对应的测距和定点方法
（1）绝缘电阻试验
绝缘电阻试验是检查电缆绝缘是否受潮、脏污或存在局部缺陷最基本的方法。利用兆欧表测量电缆相对地、相间绝缘电阻，0.6/1kV电缆采用500V兆欧表、6kV以上电缆采用2500V以上兆欧表；若电缆阻值过低，兆欧表显示基本为零时，再采用万用表测量故障相对地和相间故障电阻。
图2 绝缘电阻试验测试接线
若电缆受潮或有局部缺陷，电缆绝缘电阻将显著降低。一般定义电缆的一芯或数芯对地电阻或两线芯之间电阻低于10Ω的故障称为死接地故障，低于200Ω的故障称为低阻故障，低于正常数值但高于200Ω的故障称为高阻故障。
（2）线芯导通试验
电缆末端三相开路，用万用表测量三相线芯均为无穷；电缆末端三相短路接地，测量三相线芯均为导通时，则判定电缆没有断线。
（3）耐压试验
当绝缘电阻试验和线芯导通试验检测均无故障时，应对电缆进行耐压试验，判断是否有闪络性故障。闪络性故障电缆具有较高的故障电阻，当试验电压升到某一值时，泄漏电流突然升高，出现对地击穿现象，当电压下降时此现象消失，表明电缆存在故障，但该故障尚未形成放电通道，只存在放电间隙或表面闪络。
2.2故障距离粗测
故障距离粗测是在故障电缆芯线施加测试信号，在线测量、分析故障信息，初步确定故障距离，为精确定点提供数据支撑[4-5]。目前主流的电缆故障粗测方法有低压脉冲法、脉冲电流法、弧反射法和电桥法。
（1）低压脉冲法
低压脉冲法又称雷达法，主要用于测量电缆全长、低阻短路故障和开路故障。从测试端向电缆发射一个低压脉冲信号，该脉冲信号沿着电缆传播，当遇到电缆中阻抗不匹配点时，例如开路点、短路点、低阻故障点和中间接头会产生折反射，利用仪器记录下发射脉冲与反射脉冲的时间差，则不匹配点距离：L=1/2VΔt[6-7]。
式中：L为测试端到不匹配点的距离；V为脉冲信号在电缆中的传播速度(交联聚乙烯绝缘电缆172m/us)；Δt为脉冲信号在不匹配点与测试端往返一次的时间。
图3 低压脉冲法接线图
使用脉冲电流法测量距离时，首先调节信号增益，设置测试距离略大于两倍的台账电缆全长，根据电缆的绝缘介质选择波速度。电缆末端（开路）的反射脉冲波形与发射脉冲波形极性相同，都为明显向上的脉冲波形。而低阻故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反，为明显向下的脉冲波形。
（2）脉冲电流法
脉冲电流法利用高压发生器将电缆的故障点击穿放电，通过线性电流耦合器采集击穿后产生的电流行波信号，根据电流行波信号在测量端与故障点往返一次1/2的时间测量故障距离[7]。
图4 脉冲电流
法测试原理
脉冲电流法通过电流互感器耦合脉冲电流信号，由于线芯绝缘介质损耗引起的行波信号衰减及中间接头反射和其他干扰因素，导致一些脉冲电流波形较为复杂，不易准确辨识故障距离，需要较为丰富的电缆故障测寻经验。
（3）弧反射法
利用高电压将电缆故障点对地击穿产生电弧，将起弧期间发射的低压脉冲波形与电阻状态下的脉冲波形叠加比较，波形上开始有明显差异的点即是故障点。
图5 弧反射法测试原理
（4）电桥法
电桥法是最为简单、方便的经典故障测距方法。运用电缆直流电阻与长度成正比例关系原理，将被测电缆故障相与非故障相短接，电桥两臂分别连接故障相与非故障相，调节电阻器使电桥保持平衡,利用比例关系K=R1/R2，就可得出故障距离LX=2L0/（1+K）。
图6 电桥法接线原理图
2.3电缆路径寻踪
故障距离粗测之后，需根据电缆路径走向找到故障点的大体方位，然后进行精确定位。但有时因电缆直埋、道路施工、路径资料不全等因素，导致电缆路径走向不明，需要对电缆路径进行探测。
音频电流法是最常用的电缆路径寻踪方法。使用耦合或直连方式，在目标电缆上施加特定频率的音频电流信号，利用接收线圈在地面接收磁场信号，通过移动线圈位置，改变线圈中产生的感应电动势，选择增益最强、电流最大、埋深合适的位置作为电缆路径。音频电流法可分为音谷法和音峰法。
1）音谷法 2）音峰法
图7 电缆路径探测原理
2.4故障精确定点
在明确故障距离和电缆路径后，需用滚距尺沿着电缆路径走向，找到电缆故障点的大致位置。由于电缆在地下并非笔直敷设，使得滚距尺测得的故障距离与实际故障点位置可能存在一定偏差，则需进行故障精确定点，常用的定点方法有声磁同步法、音频电流法和跨步电压法。
（1）声磁同步法
通过分辨传感器接收到的放电时产生的声音和磁场信号的时间差来探寻电缆故障点的方法，简称声磁同步法，该方法可探测除金属性短路接地外的所有电缆故障。
当向故障电缆施加高压脉冲信号使故障点放电时，故障点处直接产生声音信号，而放电电流会在电缆周围产生脉冲磁场信号，通过感应线圈和振动传感器测量放电时的声音信号和脉冲磁场信号。由于磁场信号是电磁波，传播速度极快，从故障点传播到传感器的时间可忽略不计，而声波的传播速度相对较慢（毫秒级），同一个放电脉冲产生的声音和磁场信号传到传感器时将产生一个时间差，即为声磁同步时间差，声磁同步时间差越小，距离故障点越近，声磁同步时间差最小的点，下方即为故障点。
图8 声磁同步法精确定点
（2）音频电流法
当电缆接地电阻较低时，故障点放电声音微弱，声磁同步法精确定点较为困难，此时则需使用音频电流法。音频电流法一般用于探测故障电阻小于10Ω的低阻故障。
音频电流法精确定点的基本原理与探测电缆路径相同。向故障电缆加入音频电流信号，当传感器沿着电缆路径移动时，将会检测到规律变化的磁场信号，寻找磁场信号最强的点，下方即为故障点。
图9 音频电流法探寻电缆故障原理
（3）跨步电压法
跨步电压法适用于直埋电缆的低阻短路接地故障。在故障电缆中加入直流高压信号，当直流电流经故障点对大地产生泄漏时，会在地面产生由强到弱的电场梯度（跨步电压），通过两根接地铁钎插入地面，对比故障点周围的跨步电压幅值和极性。靠近故障点时，跨步电压逐步增加；越过故障后，跨步电压逐步减小，并且极性发生变化；检流计指针平衡的下方即为电缆故障点。
图10 跨步电压电位分布图
3.结语
目前，电缆故障测试技术发展已经较为成熟。测寻电缆故障时要在保证安全的前提下，充分发挥运检人员的主观能动性，按照故障性质诊断、故障距离粗测、电缆路径寻踪、故障精确定点、目标电缆识别、开断及修复试验步骤，正确判断故障性质，选用合适的测距方法，准确分析故障波形及检测数据，结合理论知识、实践经验及综合分析判断能力，高效、准确地查找电缆故障，为快速复电提供有力的支撑和保障。
参 考 文 献
［1］徐丙垠,李胜祥,陈宗.电力电缆故障探测技术［M］.北京:机械工业出版社,1999.
［2］张栋国.电缆故障分析与测试［M］.北京:中国电力出版社,2005.
［3］杨孝志,陆巍,吴少雷等. 电力电缆故障定位技术与方法［J］.电力设备,2007,08(11):22-24.
［4］鹿洪刚,覃剑,陈祥训等.电力电缆故障测距综述[J].电网技术,2004,28(20):58-63.
［5］Kuan K K．Real-time expert system for fault location on high voltage underground distribution cables[J]．IEEE Proceedings C,1992,139(3):235-240．
［6］白晓斌.低压脉冲法和冲闪法对电缆故障定位的分析[J].电线电缆,2008,02:41-44.
［7］Takagi T,Yamakoshi Y,Yamaura M，et al．Development of a new fault locator using the one-terminal voltage and current data[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1982, 101(8): 2892-2897．
论文作者:粘凯昕,
论文发表刊物:《中国电业》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/11
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