（苏州电力建设工程有限公司 苏州 215004）
摘要：随着现代化建设的发展和科学技术的不断进步，电力电缆的运用更加广泛，数量成倍增长。在这样庞大而复杂的电缆网络中，由于电缆的生产质量、施工不当、运行维护不善等诸多原因，都将造成电缆故障。因此，及时准确地诊断出电缆故障点并加以修复，迅速恢复供电，是电力部门必须面对的一个课题。
本文通过对各种电缆故障及其适用仪器的介绍，并具体针对苏州供电公司近几年发生的几种典型电缆故障案例进行了较为详细的描述与分析，总结成功经验、研究失败对策，并初步提出了加强电力电缆专业化管理的设想，从而保证电缆系统安全可靠运行。
关键词：电力电缆 故障诊断
1.前言
人类社会发展到17世纪初发明了电，从那时起，人类就与电结下了不解之缘，从生存到发展无不与电有着日益密切的联系。电能的传输如同自来水系统中，水要通过管道才能供给人们使用一样，电是通过电线、电缆传输给用户的。因此，电力架空线、电力电缆是实现电气化不可缺少的，而且是大量使用的器材。
由于电力电缆具有以下主要优点而被广泛采用：
1）不易受周围环境和污染的影响，送电可靠性高；
2）线间绝缘距离小，占地少，无干扰电波；
3）地下敷设时，不占地面与空间，既安全可靠又不易暴露目标。
自改革开放以来，苏州市作为沿海经济高速发展的代表，其招商引资、城市建设等各方面都取得了惊人的成绩，由此也带来了用电量的急剧攀升。江苏省每年近四分之一的电力建设投资用在了苏州地区，苏州全市的用电量也超过了江苏全省用电量的四分之一，去年的用电量已超越北京、深圳而跃居全国第二位，仅次于上海。用电量的激增，使得作为传输和分配电能的电力电缆使用量增长迅速，至2018年一季度，仅市区范围10kV及以上的运行电缆的线路长度已超过13000公里，而这一数量仍将不断地被快速更新。正是由于大量的电缆不断投入运行，其故障诊断、查寻、修复的工作量也在不断加大，如何对电力电缆故障点进行快速查找定位、提高查寻故障点的效率，从而有效缩短抢修时间，尽快恢复供电提出了更高的要求。
2.电缆故障诊断的手段
2.1电缆故障点分类
电力电缆故障点可分为击穿（短路）故障及断路故障两大类，其中击穿故障从测试角度看可细分为下述几类：
1）低阻击穿：
或称金属性短路，通常由线芯及金属屏蔽层连接引起的。按波反射法分，接地电阻在100Ω以下才能称低阻短路可使用低压脉冲法进行粗测定位。若按传统电桥法分，接地电阻在20kΩ以下称低阻短路。对于这类故障诊断查寻的难点在于精测定点，特别是在电阻很小的极端情况（俗称“死接地”）下，脉冲引起的声音很小，难以探测。此时可采用护套定位的跨步电压定点法，音频巡测法作为辅助手段 。
2）高阻击穿：
可变型高阻击穿：涵盖大部分电缆击穿点，击穿点处于常温或低电压测量时，电阻较大，由几十kΩ到几百MΩ。但随着电压上升,电流急增,等效电阻下降很快。对于此类故障高压电桥法、稳定电弧法都是可靠的定位方法。精确定点使用脉冲声测法,不难解决。
线性高阻击穿：比较少见,但很棘手。如电缆终端或中间接头内部进水,三芯低压电缆其中两芯在相邻位置破损,其导电通道被水或水蒸汽充满。相当于相间或相对地串有水电阻,随着电压升高电流呈线性上升,电阻几乎不下降,甚至发现过0.4kV电缆受外力破坏形成此类故障而长期运行（绝缘电阻低于标准要求）的情况。这类故障的定位只能用高压电桥,定点往往也比较容易，只要在电缆附件位置重点查找即可。若发生在电缆本体上则需要高压烧穿源将之变为可变高阻击穿后进行。
闪络型击穿：电缆故障后，故障点的绝缘电阻很高，尚能承受相当高的电压，这类故障往往发生在电缆耐压试验中。使用高压电桥或稳定电弧波反射法能顺利找到该类故障。这类故障往往发生在电缆附件部位，查找较为方便，而且在脉冲作用下，声音很大，精确定点不难。
而对于断线故障，电力电缆截面较大，此类故障较为少见，往往同时伴随短路故障，波反射法是首选，定点则可用脉冲声测法，音频探测法。
2.2故障定位基本方法
电缆故障定位一般分为四个步骤：确定故障性质、粗测定位（又称预定位）、探测电缆路径和精测定点（又称精确定位）。
确定故障性质：即了解故障电缆的有关情况以确定故障性质。如，是何种类型的故障、故障相别、接地电阻情况等，只有确定了故障性质才可以选择适当的测试方法对电缆故障进行具体的诊断。
粗测定位：当确定了故障电缆的故障性质以后，根据故障的性质选择适当的测试方法测出故障点到测试端或末端的距离。这项工作是电缆故障测试过程中最重要的一步，决定着电缆故障测试整个过程的效率和准确性。常用的方法有电桥法和脉冲反射法。
路径探测：这部分工作主要是依据运行图纸和现场的电缆标示找出电缆线路的实际走向，但在电缆走向不清的情况下，则需要借助于仪器进行路径探测或鉴别电缆。通常是向故障电缆的完好线芯加一个音频电流信号，然后用探测线圈沿电缆可能的走向去接收此音频信号，从而找出电缆路径或鉴别电缆。
精测定点：这是电缆故障测试工作的最后一步，也是致关重要的步骤。在粗测出故障距离并确定了故障电缆的路径以后，由于测出的故障距离有一定的误差，而且实地丈量的距离同样也存在误差，因此在精测定点前只能判断出故障点所在的大概位置，要想准确地定出故障点所在的具体位置，必须经过精测定点。精测定点一般采用在故障相上施加一个高压使其对故障点放电，然后在粗测距离附近使用仪器通过声测法确定故障点的位置。目前经常使用的定点仪器是声磁同步探测仪，其基本原理是利用故障点放电时声波和电磁波传播速度的差异，通过分析接受到的时间差来确定故障点的具体位置，准确性较高，但对于金属性接地则效果不明显，需要用感应法定点。
3.现状分析
上世纪八十年代中期，苏州地区开始较大规模使用中、高压电缆。从那时起，电力电缆的故障诊断也开始起步。当时粗测定位的手段就是高压电桥，对高阻故障往往采用烧穿法将故障点烧至低阻后再用电桥进行测定。而精测定位使用的手段，则是笨重的高压电容器与球隙组合形成高压放电装置对故障电缆持续放电，然后在粗测距离附近用探针和耳机进行听测，俗称“工兵探地雷”。由于电缆路径附近环境嘈杂，为提高探测效果，经常是深夜开始工作。这种方式虽然有效，但仅靠人的听觉来判别故障点，定点误差大、耗时长、效率低。之后也使用低压脉冲法，但效果仍不理想。
2015年开始，我公司配备了运用二次脉冲法进行粗测定位、声磁同步法进行精测定位在当时较为先进的电缆故障诊断装置，经不断摸索积累了不少经验，大大提高了电缆故障点定位的速度，但同时也遇到了一些新问题。
3.1实测案例一 391#新热线
2016年7月20日晨，220kV宝带变因台风造成多起35kV、110kV线路跳闸，35kV系统单相接地故障频发，最终导致391#新热线电缆C相接地。
1）故障确认：经绝缘测试，故障相为C相，绝缘电阻10KΩ（万用表），A，B相绝缘电阻为80000MΩ（5000V摇表）。
2）路径确认：故障电缆图纸完整，现场路径标志清晰。
3）粗测定位：经测试，电缆全长为1810米，故障点距宝带变931米处（波速为84m/μs）。
4）精测定位：以试验电压32kV，间隔7s方式对其进行精确定位。用声磁同步探测仪找到疑似故障点位置，经过分析并结合图纸，判定为在距宝带变931米处电缆中间接头故障。打开电缆沟盖板，故障点清晰可见。
5）小结：这是一次成功的电缆故障诊断案例，粗测定位图形清楚，精测定位准确。
3.2实测案例二 1131葑南线竹辉支线
2017年2月26日凌晨3点， 1131葑南线发生单相接地故障，开关跳闸，重合不成。
1）故障确认：由于该线路共有4路电缆支线，分别为南门支线8#杆至南门变电缆、葑南线11#杆至12#杆电缆、葑门变至葑南线1#杆电缆、葑南线11#杆至竹辉变电缆，我们对四路电缆逐次进行了排查及主绝缘测试。最后确定是葑南线11#杆至竹辉变的竹辉支线电缆故障，5000V摇表测试，A、B相分别为20000 MΩ、25000 MΩ；C相为0 MΩ，500V摇表的测试结果为55 MΩ。由此确定发生故障的为1131葑南线11#至竹辉变的竹辉支线的C相电缆。
2）路径确认：故障电缆图纸完整，现场路径标志清晰。
3）粗测定位：使用电缆故障诊断系统进行测试，该段电缆全长3710米，故障点位于距11#塔2300米处（波速为89米/μs）。
4）精测定位：精确定位查出故障点位于南园路（南园桥西侧160米处），经核对图纸判定为电缆本体故障。至2月27日凌晨3点，经开挖路面并剖开电缆管，故障部位暴露出来，故障击穿点朝下，故障点左右几十米内电缆下侧均有不同程度的外护套烧伤，特别是在PVC管接口处烧伤情况特别严重。
5）原因分析：故障点位于一段完整的护套交叉换位段内，经检查发现交叉换位箱、直接接地箱内连接铜排被盗。当时该电缆护层连接情况和偷盗情况如下图：
说明：0点是葑谊街1131葑南线11#杆直接接地箱、1点是扬枝塘路交叉互联箱、2点是觅渡桥东交叉互联箱、3点是觅渡桥西直接接地箱、4点南园桥东交叉互联箱、5点是南园桥西交叉互联箱、6点南园小学门口直接接地箱、7点养蚕里1#保护接地箱、8点养蚕里1#保护接地箱、9点是竹辉变1#主变GIS直接接地端（蓝色虚线表示被盗，黑色表示存在，红色为故障点）
根据该电缆的护层连接图与故障现场表象进行分析，4#与5#换位箱C相连接排被盗，造成该段C相护层悬空，产生较高的悬浮电位，在长期的运行过程中护层持续放电、发热，且位于管道内部该部分散热不佳，导致热量积累，造成主绝缘逐步损坏，直至击穿。
6）小结：就电缆故障诊断而言，这是一次较为成功的案例，故障点查找迅速、定位准确。但同时也对电缆的运行、维护人员提出了警示：单芯电缆的护层接地系统的损坏将直接导致电缆线路的故障，护层接地系统必须纳入电缆的日常巡检工作中。
3.3实测案例三 1186葑石线
2016年7月8日晚9点，1186葑石线发生单相接地故障，故障相为C相。 该线路为全线电缆，全长6400米，其中葑门变至干将变一段电缆为3600米，干将变至石路变一段电缆为2800米。故障录波器显示故障点距葑门变2400米处。1186葑石线的现场条件十分复杂，电缆由葑门变至干将变GIS高压配电装置，然后经过GIS内部T接后再供至石路变GIS高压配电装置。全线电缆的护层交叉互联箱埋设于地下，这给故障测试工作带来极大的困难。
1）故障确认：经5000V摇表测试，A、B相分别为22000 MΩ、20000 MΩ；C相为1 MΩ，500V摇表的测试结果为100 MΩ。
2）路径确认：故障电缆图纸完整，现场路径标志清晰。
3）粗测定位：使用电缆故障诊断系统进行测试，该段电缆全长6400米，至干将变沿线中间接头、电缆GIS终端头的回波清晰（波速为89米/μs），但GIS内部连接排长，接头多，对脉冲法测量十分不利，从干将变向石路变的波形明显杂乱无章，无法判断。
4）精测定位：由于粗测定位无法判定，直接用精测定位的方法对故障电缆进行放电，沿路用声磁同步探测仪进行探寻。由于电缆终端头不宜拆下，只能从接地刀闸的引出端子加压，但GIS配电装置的绝缘盆子耐压水平有限，因此施加电压较低（不能超过8000V），导致沿线放电声音很低，根本无法定位。
5）特殊方法定位：由于GIS终端头不宜拆卸，而GIS配电装置内部回路对脉冲法测量影响太大，因此最后由公司领导决定，恢复电缆线路接线方式、拆除所有安全措施，进行强送电。送电前，在干将变至石路变的电缆上套装电流互感器，根据故障电流的情况来判定故障电缆的区段。经强送电，认定为干将变至石路变电缆故障。而且，经冲击后，再用脉冲法进行测试，将波形图与冲击前进行比较，发现在杂乱的波形中有一个并不太明显的向下脉冲的振幅有所增加，由此认定该位置极有可能是故障点。经开挖确认，电缆故障点终于暴露。该处电缆保护盖板上打了一个洞，电缆本体有半圆形伤口，主绝缘部分缺失，因此造成电缆本体击穿。据回忆，一年前某地质勘探队在此进行过轻轨建设前的地质勘探工作，估计是在打样洞时伤及电缆，但由于没有打到电缆线芯，当时故障并没有立即爆发。
6）小结：对电缆故障诊断而言，这次的测试工作基本属于失败。对使用GIS终端头的电缆故障点的定位，需要使用更为先进的方法。
3.4实测案例四 314新宁线
2018年6月25日上午6：45分，314新宁线发生A相接地。在对该线路（架空、电缆混合线路）进行了故障特巡后，未发现异常情况。9：32分向调度申请314新宁线改线路检修，进行进一步的故障点查找。
1）故障确认：该段电缆从35kV新宁水厂变电所至314新宁线52#塔，将电缆与架空线解开后，在新宁水厂变电所侧用5000V绝缘电阻表对电缆进行测试：A相绝缘电阻为0MΩ，用万用表测试，绝缘电阻为115Ω；B相绝缘电阻为10MΩ，偏低；C相绝缘电阻为10000MΩ，正常。确定为电缆低阻故障。
2）路径确认：故障电缆无运行图纸，但现场路径标志清晰，电缆走向明确。
3）粗测定位：使用电缆测试车测定（波速取89m/μs）：电缆全长1085m，A相故障点位于距新宁水厂变电所687米处。
4）精测定位：由于该电缆投运时间较长，且曾经发生过故障，为避免高压试验的冲击电压造成故障的扩大，没有尝试以B相电缆作为测试对象。但A相电缆是低阻接地（金属性短路），精确定位时的放电声音很轻，使用声磁同步法，故障点的确定十分困难。
5）特殊方法定位：该线路电缆规格为YJV22-26/35 3×120，2013年2月投运。在2015年7月曾发生过故障，经询问当事人，当时为两路供自来水厂的电缆同时故障，故障点均为中间头，虽是大雨天气，但因为已造成供水中断，为尽快恢复供电、供水，在不得已的情况下只好搭了个工棚冒雨抢修。修复时采用两套冷缩中间接头（另一路采用两套绕包中间接头）当中嵌一段电缆的方式。根据这一情况，考虑到当时的天气因素，中间接头是故障的第一怀疑对象，而且预定位点也在中间接头附近，因此在经过电缆识别并做好安全措施的情况下，切除了这两套中间接头。经绝缘测试，故障点并不在中间接头，而是在切断点靠变电所端约32米处。当晚23：00，通过开挖并在32米处将电缆开断，故障点消除（B相绝缘电阻也恢复正常），因此确定为电缆本体故障。故障电缆暴露后，外表无明显损伤、无击穿点。26日凌晨3：30分，故障电缆修复完毕。
6）故障分析：故障发生后，在对水厂变电所的查看时发现，其主变35kV真空开关（手车）的下桩头侧装有“过电压吸收装置”（RC吸收器），且A相电阻器已烧毁（见下图）。从现场情况看，电阻器的烧毁是因为长时间流过较大电流所致，如果是电缆先发生单相接地故障，则作为负荷端的RC吸收器上不会流过故障电流。因此，极有可能是因为电容器损坏导致一个较大的电容电流形成，将电阻器烧毁，在电阻烧断的瞬间产生一个过电压，将电缆本体上的薄弱点击穿而导致电缆故障的发生。
7月2日，对故障电缆进行了解剖。电缆外护层上未发现明显破损点，剥开外护套和钢带后，才在距离切断位置约27米处的内护层上发现一个烧穿的小洞；剥开内护层，故障点暴露，约有10cm长的绝缘层被烧坏，导线未断股，且铜芯烧熔现象不明显，整段铜芯呈灯笼装膨胀。结合线芯内有明显水分和铜屏蔽变色的情况分析，认为是线芯内水分因受热引起了铜芯膨胀。在解剖前辨别故障相时发现，除了故障相的绝缘电阻为0MΩ以外，还有一相的绝缘电阻仅有0.3MΩ（即B相）。因此，我们对这一相电缆也进行了解剖：内护套、铜屏蔽上均无损伤痕迹；剥除铜屏蔽后，才在外半导体屏蔽层上找到了一个如绿豆粒般的小孔；剥除半导体，在绝缘层上发现一个比绿豆稍大、呈三角形状的小孔，其深度已达导体屏蔽层，但小孔处未形成明显的放电通道。分析认为，这是一个因电压升高而即将形成电缆绝缘贯穿性故障的临界状态的情形。7月8日，在某电缆专业单位实验室对314新宁线故障电缆的样品做了进一步的检查：绝缘层的螺旋切片和绝缘层透明检查。结果在非故障相段（B相电缆）发现有明显的“水树”和杂质存在的现象，在故障相也同样找到了“水树”的存在。
7）小结：对电缆故障诊断而言，这次的测试工作也不成功。对于电缆金属性短路故障，单靠声磁同步法进行精测定位是难以达到理想的效果的，应使用跨步电压定点法或音频巡测法作为辅助手段。
4.总结和建议
随着电力电缆的大量使用和电缆投运时间的增加，电缆故障的次数将呈现一个明显的上升趋势。如何将有限的人力、物力资源有效地投入到故障电缆诊断工作中去，尽可能地提高诊断效率，是我们电缆专业人员必须认真思考的问题。本文所举的几个案例是从众多实际案例中选取的、具有一定代表性的事件，其中既有成功的经验，也有失败的教训。对于电缆故障而言，由于受到电缆本身、附件、敷设、安装以及外部环境的影响，每一次故障的情况都有其特殊性，但是共性的问题仍然是故障诊断的关键。
1）加强电缆图纸的管理。苏州地区经济建设发展较快，相应的电力建设规模也较大，在人手相对不足的情况下，电缆图纸缺失的现象较为突出。这给现场实际的测试工作带来了不应有的麻烦，大大影响了故障精测定位效率。因此，必须严格电缆的竣工验收制度，细化电缆竣工图纸的各种参数，并在此基础上开发专业的电缆管理平台，实时维护更新数据库，力求资源共享。
2）提高电缆通道的管理水平。电缆通道上的标志是电缆线路的一种重要的辅助设施，但受市政建设、环境整治过程的影响，电缆标志物缺失严重。由于现场电缆路径不清，而不得不进行路径探测的情况时有发生，严重迟滞了电缆故障查找和恢复送电的时间。因此加强与市政管理部门的沟通和宣传力度、增强电缆通道的运行巡视力量，从而保证电缆通道标志物的清晰、完整十分必要。同时，完整清晰的电缆标志物还有助于防止电缆线路外力破坏事件的发生。
3）注重对电缆历史资料的收集。详细的历史资料，是对电缆线路信息的完善，是电缆专业化管理的重要组成部分，同时也是故障诊断的重要依据。故障电缆以前哪里受过伤、哪里改过道、通道的地理环境如何、是否发现过受潮情况等等，这些看似不相干的陈年往事，很可能对电缆故障的诊断起到意想不到的作用。
4）努力提高电缆故障诊断的技术水平。电缆故障诊断是一项技术含量很高的工作，不仅要求工作人员具备较高的专业素质，而且还要具有熟练掌握测试技术的能力和丰富的实践经验。因此，在熟练运用现有技术的前提下，不断学习新技术、分析总结实践经验，是电缆故障诊断人员必须具备的能力。
5）更新和优化测试设备。从经典的电桥法到现在广泛使用的二次脉冲法，从单纯的声测法到先进的声磁同步法，科学技术的进步和新设备的不断开发使用，使得我们的工作效率大幅度提高，故障诊断的时间从以前的三五天缩短到现在的一天，甚至是几个小时，这些惊喜都来自于新技术、新设备的使用。但是，金属性短路故障、单芯电缆外护层故障的精测定位仍然是一项困难的事情，这方面已经有针对性的仪器设备投放市场，专业化设备的补充将势在必行。
从更高层面上讲，提高电缆故障诊断水平的意义不仅仅在于快速测寻故障、缩短停电时间，以达到提高供电可靠性的要求，更应该通过电力电缆专业化管理的角度去认识电缆故障诊断工作，以提高故障诊断水平来促进电缆专业化管理的水平。
论文作者:陆嬿
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/19
标签：电缆论文; 故障论文; 电阻论文; 新宁论文; 测试论文; 故障诊断论文; 脉冲论文; 《电力设备》2018年第28期论文;