电力电缆典型故障分析处理探讨

引言

电力电缆供电安全、可靠，有利于美化城市和厂房布局等优点，获得越来越广泛的应用，由于电力电缆多埋于地下，个别运行单位的运行资料不完善以及测试设备的局限性等原因，使电缆故障的查找非常困难，如何合理选择故障测试设备，准确、快速查找电缆故障，缩短故障停电时间，成为电缆运检人员关注的问题。一般电缆故障检测步骤：用兆欧表，万用表测量时间、相对地的绝缘电阻、判断故障性质；根据故障类型、性质选择适当的故障测距检测方法，对故障点进行预定位；根据粗测结果，利用故障定点方法沿电缆线进行精确定位；发现故障点后，挖开进行处理。

一、 电缆故障原因和故障性质分类

1、 电缆故障原因

（1） 机械损伤。机械损伤引起的电缆

故障占电缆事故很大的比例。造成机械损伤的主要原因有安装时损伤、直接受外力损伤、行驶车辆碾压损伤、土地沉降造成的电缆接头和导体损伤。

（2） 绝缘受潮。绝缘受潮后会引起故障，造成电缆受潮的主要原因是密封不严进水、电缆制造不良、金属护套受外力或腐蚀破损。

（3） 绝缘老化变质。受运行中的电、热、化学、环境等因素的影响，电缆的绝缘都会发生不同程度的老化。

（4） 过电压。大气与内部过电压作用，使电缆绝缘层击穿，形成故障。

（5） 材料缺陷。电缆制造问题，电缆附件制造上的缺陷，对绝缘材料的维护管理不善。

2、 电缆故障性质分类（见表1）

寻测电缆故障点，首先要判明故障的性质，以采取相应的探测方法。电缆故障性质分类见表1：

故障性质 绝缘电阻 故障击穿情况

开路 ∞ 在直流或高压脉冲下击穿

低阻 <10Zo 绝缘电阻不是太低时，可用高压脉冲击穿

高阻 >10Zo 高压脉冲击穿

闪络 ∞ 直流或高压脉冲下击穿

注：表中Zo为电缆的波阻抗值，电力电缆波阻抗值一般为10~40Ω之间。

 电缆故障大致分为：

（1） 因相间或相对外皮间的绝缘介质损伤，形成短路、接地或闪络击穿，表现为低阻、泄漏性高阻和闪络性高阻三种情况；

（2） 电缆芯线的连接性受到破坏，形成断线和不完全断线的开路故障；

（3） 兼有以上类型的混合型故障。本步骤有时易被疏忽，这将导致判断故障性质不全面。

二、 电缆故障的测试程序

电缆故障测试仪查找埋地电力电缆故障一般要经过以下步骤：

（1） 分析电缆故障性质，了解故障电缆的类型不同性质的电缆故障要用不同的方法测试，不同介质的电缆有不同的测试速度，不同耐压等级的电缆则有不同的耐压要求。而被测试电缆的接头位置及最近是否在电缆上方施过工，这些在测试前都必须做到心中有数。

（2） 选择合适的测试方法，用电缆故障测试仪进行电缆故障粗测对不同电缆故障要用不同的方法，低阻故障（开路、短路等）要用低压脉冲法测试；而高阻故障（泄漏、闪络等）则要用闪络法测试。选定方法后测出电缆故障的大致位置，选择合适的测试方法，对电缆进行故障距离粗测。

（3） 用路径仪探测埋地电缆的走向

定点前首先必须知道电缆的路径，了解电缆走向图纸。

（4） 用定点仪对故障点精确定位

接好高压放电设备，根据电缆的性质及电缆的耐压等级来决定升压程度。对电缆故障点进行精测。如果故障点在距测试端很近时，特别是在电缆的测试端头时，采用仪器进行定位时，因球隙放电声音比故障点放电声音还大，很难区分真假声音，在这种情况下课将高压设备移至另一端放电定位。

（5） 对电缆故障测试结果进行误差分析，做好测试完的记录；此步工作对以后的电缆维护及管理师非常重要和必须的。

三、 常用的电缆故障测距检测方法

1、 低压脉冲反射法

低压脉冲法的测试范围为电缆等饿开路、相对地或相间低阻故障，也可测量电缆全长（相当于开路）及显示电缆中间接头位置。测试原理是：将电缆视为一均匀传输线，电磁波在电缆中传播遇到波阻抗变化点（如分支、接头、故障点或中断）会发生反射波。根据电磁波在电缆张的传播速度，可测出故障点到测试端的距离。聚氯乙烯塑料电力电缆v=184m/μs，交联电力电缆v=172/μs，油浸纸电力电缆v=160/μs。传播速度v也可用仪器直接测量（前提条件电缆条件电缆长度一度要准确）。

1） 低压脉冲测量法应用范围

用低压脉冲法可以直观地看到低阻、短路故障及短路故障。据统计这类故障约占电缆故障的10%。低压脉冲法还可以测量电缆的长度，电磁波在电缆中传播速度，还可以区分电缆的中间接头，终端头。对于判断结构较为复杂的电缆线路往往具有相当重要的参考价值。

2） 工作原理

测试时，按照（1）接线方式：在电缆故障相上加上低压脉冲，改脉冲沿电缆传播直到阻抗失配的地方，如中间接头、短路点、断路点和终端头等等，在这些点上都会引起电波的反射，反射脉冲回到电缆测试端时被故障测试仪接收，可以适时显示这一变化过程。

根据电缆的测试波形可以判断故障的性质，当发生脉冲与反射脉冲同相时，表示是断路故障或终端头开路。当发射脉冲与反射脉冲反相时，则是短路接地或低阻故障。凡是电缆故障点绝缘电阻下降到该电缆的特性阻抗，甚至电流电阻为零的故障均称为低阻故障或短路故障。（注：这个概念是从采用低压脉冲反射法的角度，考虑到阻抗不同对反射脉冲的极性变化的影响而定义的）。

图1  低压脉冲法接线示意图

3） 对低压脉冲波形的理解

（1） 中间接头波形；在完好的电缆相上接入低压脉冲；由于在接头部分存在阻抗不匹配点，会出现一个小的反射波形；其幅值与接头的阻抗性质有关，一般幅值很小。如图（2）所示。 图2中间接头波形

（2） 断路故障波形；脉冲在断路点产生全反射，反射脉冲与发送脉冲同极性。图3给出了断路故障反射波形；波形上第一个故障点反射脉冲之后，还有若干相距故障距离的反射脉冲，这是由于脉冲在测量端与故障点之间多次反射的结果；由于脉冲在电缆中传输存在损耗脉冲幅值逐渐减小，并且波头上升变得愈来愈缓慢，实际上有用是第一个反射脉冲，不要把后续反射脉冲误认为其它故障点的反射脉冲。 图3断路故障脉冲反射波形

（3） 短路故障波形；脉冲在短路点产生全反射，反射脉冲与发送脉冲极性相反；图4给出了短路故障反射波形。波形上第一个故障点反射脉冲之后的脉冲极性出现一正一负的交替变化，这是由于在故障点反射系数为-1而在测量端反射为正的缘故。

 图4短路故障脉冲反射波形

2．直流高压闪络测量法

   对于高阻故障，由于故障点电阻较大，用低压脉冲法测量时，故障点反射脉冲很小或不存在反射波，因而无法采用低压脉冲法探测高阻故障。常用直流高压闪络法，它分为直闪法和冲闪法，是一种无需烧穿故障点的方法，可大大缩短测量时间，从而得到了广泛使用。测量时，在电缆故障相上加一直流高压或冲击高压，使故障点闪络放电。故障点瞬间被电弧短路产生一跃变电压波在测试端到故障点间来回反射，用故障测试仪测出两次反射波的时间，其基本原理与低压脉冲法一样。

  两种测试方法的不同之处是：（1）直闪法是高压变压器输出的交流电压经硅堆整流后直接加于电缆故障相，由于受到高压电源输出功率的限制，仅用于测试闪络性高阻故障；（2）冲闪法首先由直流高压给储能电容器充电，当电容器上的电压达到一定幅值时，球隙被击穿放电，负高压加于电缆故障相上，用于测量泄漏性高阻和闪络性高阻故障。冲闪法波形为一衰减的余弦震荡波，其测量接线如图5所示。

图5 冲闪法测量接线图

注：QS为低压电源隔离开关；T1为调压器（容量3KVA，调压范围0~250V）；T2为升压变压器（容量3KVA,变比1/500）；VD为硅堆；R为保护电阻；C为电容器（容量4μF）；J为球形放电间隙。

1） 冲闪法的应用范围

在故障点电阻不很高时，因直流泄漏电流较大，电压几乎全降到了高压试验设备的内阻上了，电缆上电压很小故障点形不成闪络，必须使用冲击高压闪络测试法，冲闪法亦适用于测试大部分闪络性故障。

2） 冲闪波形的理解

（1）故障点不击穿的脉冲电流波形

电容器电压达到一定值时球间隙间击穿放电，但由于故障点绝缘电阻过大未能使故障点击穿放电，这是球间隙放电后即被子电弧短路，储能电容相当于直流电源，对高频行波信号呈短路状态电流波反射系数为-1，当球间隙击穿在电缆上产生一个向前运动的电流波，在电缆的远端产生一个负的反射波，返回测量端，远端反射波在测量端产生正的反射运动到远端后对被倒相反射回来，电流波将如此来回反射直到能量全部消耗掉。其波形如图6可见故障点未击穿时脉冲电流波形是交替变化极性的脉冲，相邻脉冲之间的距离对应电缆长度。

 图6故障点不击穿时的脉冲电流波

（2）直接击穿的脉冲电流波形；

在高压设备通过球间隙加到电缆上的高信号幅值大于故障点的临界击穿电压时，电压波穿过故障点电离击穿放电这种情况叫高压脉冲直接击穿。如图7给出直接击穿波形，脉冲电流波形的第一个脉冲式球间隙击穿时电容对电缆放电引起的第二个脉冲则是故障点传来的故障点放电脉以及测量点反射脉冲迭加的结果，以后的脉冲则是电流波形在故障点与测量点之间来回反射造成的，第二个脉冲与第三个脉冲之间对应测量点与故障点之间的距离，不要把第一个脉冲与第二个脉冲之间的时间误认脉冲在测量点与故障点往返一次的时间，因为它比测量点与故障点往返时间多一个放电延时时间，而这个放电延时时间是不确定的它与施加到故障点上的电压，故障点破坏程度电缆绝缘材料等因素有关。

图7直接击穿的脉冲电流波形

（3远端反射电压击穿的脉冲电流波形

   在球间隙击穿施加到电缆上的电压小于故障点临界击穿电压时，电压波穿过故障点运动到电缆的开路远端，由于电压反射系数为+1产生极性相同的电压波向测量端回送，反射电压波所到之处出现电压幅值加倍如超过故障点临界击穿电压，在远端反射电压波穿过故障点后，故障点电离一定时间延时后击穿，这种情况称为远端反射电压击穿；图（8）给出了一个远端反射电压击穿的脉冲电流波形；从波形上分析可看出第一个正脉冲与第二个正脉冲对应脉冲在电缆远端与测试端往返一次的时间而第二个正脉冲与第三个正脉冲对应故障点电离后脉冲在故障点与测试端往返一次的时间。

图8 远端反射电压击穿的脉冲电流波形

四、 常用的电缆故障定点方法

1、 声测定点法

声测定点法师电缆故障的主要定点方法，主要用于测量高阻与闪络性故障，测量时使用高压设备使故障点击穿放电，故障间隙放电时产生的机械振动，传到地面，便听到“啪、啪”的声音，利用这种现象可以十分准确地对电缆故障进行定点，缺点是受外界干扰较大。

2、 声磁法

在向电缆加冲击高压信号使故障点放电时，会在电缆的外皮与大地形成的回路中感应出环流来，这一环流在电缆周围产生脉冲磁场，在监听到声音信号的同时，接受到脉冲磁场信号，即可判断该声音是由故障点放电产生的，故障点就在附近。

3、 音频感应法

音频感应法一般用于探测故障电阻小于10Ω的低阻故障，探测时，用1kHz的音频信号发生器向待测电缆通音频电流。发出电磁波；然后在地面上用探头沿被测电缆路径接收电磁场信号，并将之送人放大器进行放大，将放大后的信号送人耳机或指示仪表。根据耳机中声响的强弱或指示仪表的指示值大小而定出故障点的位置，当探头从故障点前移1~2m时，音频信号中断，则音频信号最强处为故障点。

五、 电缆故障检测应注意的问题

1、 高阻抗、低阻抗并没有绝对区分，实际操作中可以多尝试几种方法进行比较，综合判断。35KV电缆情况比较复杂，H接头，中间头比较多，接头故障波形不易分辨，如判断是接头故障，则应采取使故障点充分放电的措施，以获得正确的测距效果。

2、 若从电缆一端测试放电不充分，或采集不到波形，可以从另一端升压测试。无论使用哪种方法测试波形，若故障点距离测试端太近，均会产生盲区，使得波形难以判断识别，此时可尝试到电缆的另一端进行测试。

3、 在精确定点时，设备应在距故障点近的一端，这样能量沿电缆衰减较小，便于声磁同步法的定点，快速查出故障点。使用声磁同步法时，要在粗测点的5%范围内反复进行查找，侦听耳机中声音，要仔细分辨故障点处声音与金属屏蔽层上传输声音的差别。

4、 定点仪可以探测到的距离放电声音大小、泥土的湿度和松散情况有关。放电声越大，泥土越干燥、越结实，可以探测到的距离越远。施工时的原始资料保存完好,电缆路径明确，所有接头处在现场都有标志桩，可缩短查找电缆故障的时间，同时在做试验时提前准备好柴油或汽油发电机作为试验仪器的电源。

六、 结束语

在电力电缆故障检测中，应认真、冷静的分析故障的类型和性质，正确应用查找方法和仪器，多积累故障查找经验。目前，电力电缆故障检测的方法中还存在着一些局限性，国内外的电力电缆故障诊断仪器和技术还有一定的差距，随着科技的进步，电力电缆故障诊断技术正在不断提高。