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摘要：
在电力系统中, 电能的传送是通过导线来完成的, 导线主要有架空线和电缆两种形式。以下本文结合笔者工作经验，从五个方面对输电线路中电缆的故障分类、原因、性质、电缆预定位方法及电缆故障点精确定位与电缆识别方法进行了分析，希望能和同行技术人员共同学习、进步。
关键词：电力系统输电线路定位故障原理分析
1电缆故障分类
电缆故障从形式上可分为串联与并联故障。串联故障是指电缆一个或多个导体(包括铅、铝外皮)断开。通常在电缆至少一个导体断路之前,串联故障是不容易发现的,并联故障是指导体对外皮或导体之间的绝缘下降,不能承受正常运行电压。实际的故障组合形式是很多的, 几种可能性较大的几种故障形式是一相对地、两相对地和一相断线并接地。根据故障电阻与击穿间隙情况, 电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障。
1.开路故障。电缆的各芯绝缘良好,但有一芯或数芯导体断开或虽未断开但工作电压不能传输到终端, 或虽然终端有电压但负载能力较差。
2.低阻故障。电缆的一芯或数芯对地的绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常阻值较多,电阻值低于10Zc(Zc 为电缆线路波阻抗)而芯线连接良好的。一般常见的这类故障有单相接地、两相或三相短路或接地。
3.高阻与闪络性故障。电缆的一芯或数芯对地的绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常阻值较多,但高于10Zc 而芯线连接良好。若故障点没有形成电阻通道,只有放电间隙或闪络性表面,此时故障即为闪络性故障,据统计,这两类故障约占整个电缆故障的90%。
2电缆线路故障原因
电力电缆线路故障率和多数电力设备一样, 投入运行初期(1～5 年内)容易发生运行故障,主要原因是电缆及附件产品质量和电缆敷设安装质量问题;运行中期(5～25 年内),电缆本体和附件基本进入稳定时期,线路运行故障率较低,故障主要原因是电缆本体绝缘树枝状老化击穿和附件呼吸效应进潮而发生沿面放电;运行后期(25 年后),电缆本体绝缘树枝老化、电- 热老化以及附件材料老化加剧,电力电缆运行故障率大幅上升。随着运行时间的不断增长，机械损伤、护层的腐蚀、过电压、材料缺陷以及设计制作工艺的问题等导致故障时有发生。
3电缆故障性质的判断
所谓故障的性质, 就是确定: 故障电缆电阻是高阻还是低阻; 是闪络还是封闭性故障; 是接地、短路、断线, 是单相、两相, 还是三相故障。根据电缆故障性质的判断, 我们可以采取相应的试验手段以便于快速、准确地测定电缆故障点，若电缆故障为低阻故障, 我们则采用脉冲法。若电缆故障为高阻故障,我们则采用冲击高压闪络法。
1.运行中的电缆发生故障时, 预报警并显示则有可能是电缆短路或接地故障, 此类故障有可能由于短路接地电流大而造成断线故障。
2.预防性试验中发现的故障多为高阻故障。
3.对故障电缆进行绝缘电阻测定及导通试验。
用2500V 兆欧表测量电缆芯线对地和相间的绝缘电阻来判断电缆故障是对地还是相间, 是高阻还是低阻故障, 如绝缘电阻较低时, 则可用500V—1000V 兆欧表测量。导通试验时, 将电缆芯线之间在一端短接起来, 在另一端用万用表测量电缆芯线间的电阻, 来判断电缆是否断线故障。电缆故障确定后, 首先选择最简便、快速、准确的寻测方法。
4电缆预定位方法
由于电力电缆产品在发展过程中不断采用新的绝缘材料, 因而电缆的绝缘电阻也不断增高, 过去使用的一些探测方法已经不能满足需要, 因为使用以往的故障探测法, 对于高阻故障, 必须经过“烧穿”才能进行探测, 电缆故障点的烧穿, 要花费大量的时间、电力、设备和人力, 这在故障探测中, 是花时间最多, 最难进步的一步, 目前广泛采用的是脉冲反射法, 即闪测法, (利用故障点闪络进行测距的仪器, 简称为闪测仪)进行故障测寻, 从而使故障可不经烧穿就能直接进行粗测。这种方法的优点是: 探测快、精度高、适应性强, 所用仪器轻便, 即可节省时间, 又可节省人力, 我们多利用脉冲反射法, 和冲闪法能够准确的寻找到各种类型的电缆故障, 下面就电缆故障的性质和寻测方法进行一下分析:
若电缆故障为低阻故障, 我们则采用脉冲法。若电缆故障为高阻故障,我们则采用冲击高压闪络法。
4.1 脉冲法
用脉冲法测寻低阻电缆故障脉冲法是电缆测试中最简便和直观的寻测方法。其准确度很高。它可直观从闪测仪中观察出故障点是短路还是开路故障。并且可以从示波器标准距离刻度上直接推算出故障点距测量端的距离。脉冲法接线如下图
方, 如: 故障点、电缆终端。在该点处被反射回去。测量发送脉冲和反射脉冲的时间差就可以确定故障点的位置。故障点的距离:
利用公式L=1/2VT …… (1) 求出
T—为标准波时间差
V—电波在电缆中的传播速度
由于电缆的绝缘材料不同, 电波在其中的传播速度也不同, 可参照表一。
故障的性质类型, 由反射脉冲极性快定。如发射正脉冲短路故障将产生负反射; 开路故障(包括电缆终端)将产生正反射。如果发送的脉冲为一个正脉冲, 脉冲法测定短路故障及开路故障波形如下图。
4.2 电感冲闪法
用冲闪法测寻高阻电缆故障根据我厂多年来电缆在运行中及预防性试验中所发生的电缆故障情况看来。电缆故障的70%以上是高阻故障, 特别是在预防性试验时发生击穿的故障90% 以上是高阻故障。冲击高压闪络法更适合任何类型的高阻故障。并且试验方法简便、准确、快速。
⑴电感冲闪法：
冲击高压闪络法根据在测试时, 分为电感冲闪法和电阻冲闪法。不同之处只是與球形间隙相串联的电感线圈L 可改为电阻。两种方法其原理相似, 但电感冲闪法使用更加广泛。在高阻电缆故障寻测时多使用此方法。下面仅对电感冲闪法的原理进行一下简单分析。
⑵工作原理:
电源接通后, 电流通过调压器、变压器整流对电容器充电, 当充电电压达到一定数值时, 球间隙JS 波击穿, 电容器C 的电压通过球间隙的短路电弧和一小电感L 直接加到电缆的测量端。这个冲击电压波沿电缆向故障点传播。只要电压的峰值足够大, 故障点就会因电离而放电, 故障点放电所产生的短路电弧便沿电缆送出的电压波反射回来。其故障点的理想波形如图四, 只要测出波形的第一个上突跳拐点T1 和下一个下突跳点T2 间的时间间隔, 便可以利用L=1/2VT 算出故障点距测试端的距离。
如: 电缆为油浸电缆, 电波在油浸纸绝缘电缆中传播速度
V=160m/μs 其故障点距离
L=1/2VT=80×4=320 米
以上的脉冲法和闪络法的分析都是一些标准电缆所测的波形都是理想波形。在实际中, 由于电缆的长短, 故障点的不同。尤其是电缆的绝缘材料不同。实测的波形都不是一些理想波形。这就要求我们在测量时应根据一些具体情况, 将一些参数进行调整使其波形接近理想波形, 以便准确无误确定故障点的位置。
5电力电缆故障点精确定位与电缆识别方法
5.1 声测法
声测法是电缆故障定点的主要方法，多用于测试高阻、闪络性故障和分部低阻故障。使用的设备与冲闪法相同，对于电缆护层烧穿的故障，可以直接听到故障点的发电，对于未烧穿的故障，采用声电转换器将很小的震动波转换成电信号，进行放大处理，用耳机来倾听，听测出最响点即位故障点位置。
5.2声磁同步法
在实际测试中，环境噪声的干扰增加了声测法准确辨别的难度。由于故障点放电时，除了产生电声外，还会产生高频电磁波向地面传播。通过同时接收声波和电磁波方法来判断当前的声波是否由故障点放电引起。这就是声磁同步法，它是对声测试方法的改进，提高抗干扰能力。
5.3音频感应法
当电缆发生相间短路、相地短路及三相对地短路时，由于电缆故障点电阻等于零，放电间隙被短路，采用声测法和声磁同步法测试时，故障点放电声音微弱，无法进行定位。而音频感应法采用向导体通1KHZ左右的音频电流，在地面上用音频线圈探头沿被测电缆方向接收电磁场信号，并将之送入放大器，再将信号送入耳机或仪表。相间短路或相间短路并接地故障测试时，接收线圈垂直或平行放置于电缆接收信号，当线圈沿电缆上方移动时，会听到声响有规则的变化，在故障出时声响会增强，过来故障点时，声响会明显变弱或中断。但是，对于单相接地故障，采用一般的电感线圈在电缆的全长上接收到的信号基本没有变化，可以通过差动线圈接收的方法，两个线圈的信号相减，抵消从地流过电流产生的磁场，接收器收到的信号只反映导体与金属护套之间流动的电流产生的磁场，在故障点前接收器能收到一个沿电缆变化的信号，而在故障点后，由于没有导体电流，所以接收器接收到的信号为零
5.4电缆识别方法
对于多条电缆并排敷设的情况，在寻找和排除电缆故障点时，需要区分出哪条是要寻找的电缆。由于通电导体周围的磁场强度与导体的距离成反比，并且电缆的某一相导体不在电缆的轴线上，所以可以通过在电缆的导体对地或两异体之间入音频电流信号，利用探测仪接收电缆周围磁场的变化，来判断所要寻找的电缆。
6结束语
电缆主要敷设于地下, 对人身安全比较有利。由于其具有占地面积小、不受建筑物限制,运行状况不易受雷击。对地电容为同级架空线的十倍以上, 因而对提高电力系统的功率因数有利。为保证电缆的正常运行，施工制作电缆头、中间头过程中，应严格把控好制作方式方法，对密封工艺过程应做到细致认真，电力施工技术人员应努力学习，不断地接受新工艺新技术，积累工作经验，为电力电缆的安全运行提供保障。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
在电力系统中, 电能的传送是通过导线来完成的, 导线主要有架空线和电缆两种形式。以下本文结合笔者工作经验，从五个方面对输电线路中电缆的故障分类、原因、性质、电缆预定位方法及电缆故障点精确定位与电缆识别方法进行了分析，希望能和同行技术人员共同学习、进步。
关键词：电力系统输电线路定位故障原理分析
1电缆故障分类
电缆故障从形式上可分为串联与并联故障。串联故障是指电缆一个或多个导体(包括铅、铝外皮)断开。通常在电缆至少一个导体断路之前,串联故障是不容易发现的,并联故障是指导体对外皮或导体之间的绝缘下降,不能承受正常运行电压。实际的故障组合形式是很多的, 几种可能性较大的几种故障形式是一相对地、两相对地和一相断线并接地。根据故障电阻与击穿间隙情况, 电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障。
1.开路故障。电缆的各芯绝缘良好,但有一芯或数芯导体断开或虽未断开但工作电压不能传输到终端, 或虽然终端有电压但负载能力较差。
2.低阻故障。电缆的一芯或数芯对地的绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常阻值较多,电阻值低于10Zc(Zc 为电缆线路波阻抗)而芯线连接良好的。一般常见的这类故障有单相接地、两相或三相短路或接地。
3.高阻与闪络性故障。电缆的一芯或数芯对地的绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常阻值较多,但高于10Zc 而芯线连接良好。若故障点没有形成电阻通道,只有放电间隙或闪络性表面,此时故障即为闪络性故障,据统计,这两类故障约占整个电缆故障的90%。
2电缆线路故障原因
电力电缆线路故障率和多数电力设备一样, 投入运行初期(1～5 年内)容易发生运行故障,主要原因是电缆及附件产品质量和电缆敷设安装质量问题;运行中期(5～25 年内),电缆本体和附件基本进入稳定时期,线路运行故障率较低,故障主要原因是电缆本体绝缘树枝状老化击穿和附件呼吸效应进潮而发生沿面放电;运行后期(25 年后),电缆本体绝缘树枝老化、电- 热老化以及附件材料老化加剧,电力电缆运行故障率大幅上升。随着运行时间的不断增长，机械损伤、护层的腐蚀、过电压、材料缺陷以及设计制作工艺的问题等导致故障时有发生。
3电缆故障性质的判断
所谓故障的性质, 就是确定: 故障电缆电阻是高阻还是低阻; 是闪络还是封闭性故障; 是接地、短路、断线, 是单相、两相, 还是三相故障。根据电缆故障性质的判断, 我们可以采取相应的试验手段以便于快速、准确地测定电缆故障点，若电缆故障为低阻故障, 我们则采用脉冲法。若电缆故障为高阻故障,我们则采用冲击高压闪络法。
1.运行中的电缆发生故障时, 预报警并显示则有可能是电缆短路或接地故障, 此类故障有可能由于短路接地电流大而造成断线故障。
2.预防性试验中发现的故障多为高阻故障。
3.对故障电缆进行绝缘电阻测定及导通试验。
用2500V 兆欧表测量电缆芯线对地和相间的绝缘电阻来判断电缆故障是对地还是相间, 是高阻还是低阻故障, 如绝缘电阻较低时, 则可用500V—1000V 兆欧表测量。导通试验时, 将电缆芯线之间在一端短接起来, 在另一端用万用表测量电缆芯线间的电阻, 来判断电缆是否断线故障。电缆故障确定后, 首先选择最简便、快速、准确的寻测方法。
4电缆预定位方法
由于电力电缆产品在发展过程中不断采用新的绝缘材料, 因而电缆的绝缘电阻也不断增高, 过去使用的一些探测方法已经不能满足需要, 因为使用以往的故障探测法, 对于高阻故障, 必须经过“烧穿”才能进行探测, 电缆故障点的烧穿, 要花费大量的时间、电力、设备和人力, 这在故障探测中, 是花时间最多, 最难进步的一步, 目前广泛采用的是脉冲反射法, 即闪测法, (利用故障点闪络进行测距的仪器, 简称为闪测仪)进行故障测寻, 从而使故障可不经烧穿就能直接进行粗测。这种方法的优点是: 探测快、精度高、适应性强, 所用仪器轻便, 即可节省时间, 又可节省人力, 我们多利用脉冲反射法, 和冲闪法能够准确的寻找到各种类型的电缆故障, 下面就电缆故障的性质和寻测方法进行一下分析:
若电缆故障为低阻故障, 我们则采用脉冲法。若电缆故障为高阻故障,我们则采用冲击高压闪络法。
4.1 脉冲法
用脉冲法测寻低阻电缆故障脉冲法是电缆测试中最简便和直观的寻测方法。其准确度很高。它可直观从闪测仪中观察出故障点是短路还是开路故障。并且可以从示波器标准距离刻度上直接推算出故障点距测量端的距离。脉冲法接线如下图
方, 如: 故障点、电缆终端。在该点处被反射回去。测量发送脉冲和反射脉冲的时间差就可以确定故障点的位置。故障点的距离:
利用公式L=1/2VT …… (1) 求出
T—为标准波时间差
V—电波在电缆中的传播速度
由于电缆的绝缘材料不同, 电波在其中的传播速度也不同, 可参照表一。
故障的性质类型, 由反射脉冲极性快定。如发射正脉冲短路故障将产生负反射; 开路故障(包括电缆终端)将产生正反射。如果发送的脉冲为一个正脉冲, 脉冲法测定短路故障及开路故障波形如下图。
4.2 电感冲闪法
用冲闪法测寻高阻电缆故障根据我厂多年来电缆在运行中及预防性试验中所发生的电缆故障情况看来。电缆故障的70%以上是高阻故障, 特别是在预防性试验时发生击穿的故障90% 以上是高阻故障。冲击高压闪络法更适合任何类型的高阻故障。并且试验方法简便、准确、快速。
⑴电感冲闪法：
冲击高压闪络法根据在测试时, 分为电感冲闪法和电阻冲闪法。不同之处只是與球形间隙相串联的电感线圈L 可改为电阻。两种方法其原理相似, 但电感冲闪法使用更加广泛。在高阻电缆故障寻测时多使用此方法。下面仅对电感冲闪法的原理进行一下简单分析。
⑵工作原理:
电源接通后, 电流通过调压器、变压器整流对电容器充电, 当充电电压达到一定数值时, 球间隙JS 波击穿, 电容器C 的电压通过球间隙的短路电弧和一小电感L 直接加到电缆的测量端。这个冲击电压波沿电缆向故障点传播。只要电压的峰值足够大, 故障点就会因电离而放电, 故障点放电所产生的短路电弧便沿电缆送出的电压波反射回来。其故障点的理想波形如图四, 只要测出波形的第一个上突跳拐点T1 和下一个下突跳点T2 间的时间间隔, 便可以利用L=1/2VT 算出故障点距测试端的距离。
如: 电缆为油浸电缆, 电波在油浸纸绝缘电缆中传播速度
V=160m/μs 其故障点距离
L=1/2VT=80×4=320 米
以上的脉冲法和闪络法的分析都是一些标准电缆所测的波形都是理想波形。在实际中, 由于电缆的长短, 故障点的不同。尤其是电缆的绝缘材料不同。实测的波形都不是一些理想波形。这就要求我们在测量时应根据一些具体情况, 将一些参数进行调整使其波形接近理想波形, 以便准确无误确定故障点的位置。
5电力电缆故障点精确定位与电缆识别方法
5.1 声测法
声测法是电缆故障定点的主要方法，多用于测试高阻、闪络性故障和分部低阻故障。使用的设备与冲闪法相同，对于电缆护层烧穿的故障，可以直接听到故障点的发电，对于未烧穿的故障，采用声电转换器将很小的震动波转换成电信号，进行放大处理，用耳机来倾听，听测出最响点即位故障点位置。
5.2声磁同步法
在实际测试中，环境噪声的干扰增加了声测法准确辨别的难度。由于故障点放电时，除了产生电声外，还会产生高频电磁波向地面传播。通过同时接收声波和电磁波方法来判断当前的声波是否由故障点放电引起。这就是声磁同步法，它是对声测试方法的改进，提高抗干扰能力。
5.3音频感应法
当电缆发生相间短路、相地短路及三相对地短路时，由于电缆故障点电阻等于零，放电间隙被短路，采用声测法和声磁同步法测试时，故障点放电声音微弱，无法进行定位。而音频感应法采用向导体通1KHZ左右的音频电流，在地面上用音频线圈探头沿被测电缆方向接收电磁场信号，并将之送入放大器，再将信号送入耳机或仪表。相间短路或相间短路并接地故障测试时，接收线圈垂直或平行放置于电缆接收信号，当线圈沿电缆上方移动时，会听到声响有规则的变化，在故障出时声响会增强，过来故障点时，声响会明显变弱或中断。但是，对于单相接地故障，采用一般的电感线圈在电缆的全长上接收到的信号基本没有变化，可以通过差动线圈接收的方法，两个线圈的信号相减，抵消从地流过电流产生的磁场，接收器收到的信号只反映导体与金属护套之间流动的电流产生的磁场，在故障点前接收器能收到一个沿电缆变化的信号，而在故障点后，由于没有导体电流，所以接收器接收到的信号为零
5.4电缆识别方法
对于多条电缆并排敷设的情况，在寻找和排除电缆故障点时，需要区分出哪条是要寻找的电缆。由于通电导体周围的磁场强度与导体的距离成反比，并且电缆的某一相导体不在电缆的轴线上，所以可以通过在电缆的导体对地或两异体之间入音频电流信号，利用探测仪接收电缆周围磁场的变化，来判断所要寻找的电缆。
6结束语
电缆主要敷设于地下, 对人身安全比较有利。由于其具有占地面积小、不受建筑物限制,运行状况不易受雷击。对地电容为同级架空线的十倍以上, 因而对提高电力系统的功率因数有利。为保证电缆的正常运行，施工制作电缆头、中间头过程中，应严格把控好制作方式方法，对密封工艺过程应做到细致认真，电力施工技术人员应努力学习，不断地接受新工艺新技术，积累工作经验，为电力电缆的安全运行提供保障。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。