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摘要：随着我国经济建设的高速发展，越来越多的电力电缆将会运用于电力系统。由于电力电缆具有供电可靠性高、不受地面、空间建筑物的影响、不受恶劣气候侵害、安全隐蔽耐用等特点，因而获得了越来越广泛的应用。但同时也由于电力电缆的固有缺点，电缆故障难以避免。电缆故障发生后，如何迅速、准确、经济地对电缆故障定位，尽快恢复供电，减少故障修复费用及停电损失是电力部门十分关注的问题。下面就电力电缆的常见故障的原因、故障类型和检测办法进行如下探讨。
关键词：电力电缆故障分析检测方法；
1 电缆故障性质与分类
电缆故障性质的正确判断对于快速检测出故障点是十分重要的。根据目前的故障检测技术及故障点绝缘电阻值大小，可将电缆故障分为以下几种类型。其电缆故障情况示意图如图1所示。
图1 电缆故障情况示意图
1)开路故障
若电缆相间或相对地的绝缘电阻值达到所要求的规定值，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，这类故障称为开路故障。如图1所示，若H点电阻R k=∞，则表明H点存在断线故障，为开路故障的特殊情况。
2)低阻故障
若电缆相间或相对地的绝缘受损，其绝缘电阻将减小。当绝缘电阻小于10倍电缆特性阻抗时，称为低阻故障。低阻故障可用低压脉冲反射法进行测量。如图1所示，若M点绝缘电阻Rd=0，则表明M点存在短路故障，为低阻故障的特殊情况。
3)高阻故障
若电缆相间或相对地的绝缘电阻低于正常值较多，但大于10倍电缆特性阻抗时，称为高阻故障。高阻故障不能采用低压脉冲反射法进行测量。根据故障性质，高阻故障可分为泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障。
在对电缆进行预防性试验时，泄漏电流随试验电压的升高逐渐增大。当试验电压升高至额定电压(有时还远远达不到额定值)时，泄漏电流超过允许值，这种故障为泄漏性高阻故障。当试验电压升高到一定值时，泄漏电流突然增大且呈现闪络性波动的特点；当电压稍下降时，此现象消失，这种故障为闪络性高阻故障。如图1所示，若N点在较高电压作用下，Rg=0；试验电压降低后，Rg=∞，则表明N点存在闪络性高阻故障。随着交联聚乙烯(XLPE)电缆大量应用，闪络性高阻故障在电缆故障中占有较高比例，此类故障查找比较困难。
2 电缆故障的产生原因
造成电缆故障的原因有很多。了解电缆故障产生的具体原因，对于故障检测方法的选择，快速检测出故障点十分重要。通过对各种类型电缆故障的剖析，可将故障原因归纳为以下几类。
1)机械损伤
机械损伤包括电缆敷设过程中因拉力过大或弯曲过度而导致绝缘和护层的损坏，及施工和交通运输中直接受外力作用而造成的误损伤等。
2)过负荷运行
当电缆长期过负荷运行时，会使电缆产生过热现象，使电缆温度升高，过高的温度会加速电缆绝缘老化，致使绝缘薄弱部位击穿。
3)电缆头故障
电缆中间连接头、终端头是故障较常发生的部位。电缆头故障主要表现在以下两个方面：(1)由于制作工艺不良，电缆头内部含有杂质、气隙等，在电缆投入运行后，在强电场作用下，内部杂质会发生游离，产生树枝放电现象；(2)电缆终端接头或中间接头的金属屏蔽接地不良，造成接地电阻值超过规定值，产生较高的感应过电压，进而导致电缆的部分绝缘击穿。
4)绝缘受潮
绝缘受潮是造成电缆故障的主要原因之一，通常表现为绝缘电阻低，泄漏电流大。造成绝缘受潮的原因有以下几方面：
(1)电缆中间接头、终端接头的密封失效，导致潮气侵入，破坏绝缘性能。
(2)电缆本身存在质量问题，制造电缆包铅(铝)时留下砂眼和裂纹等缺陷。
(3)电缆护套被异物刺穿，或被化学腐蚀，或电解腐蚀，导致保护层失效。
3 电缆故障检测方法
电缆发生故障后，快速、准确地判断电缆故障的性质、状态和类别，是电缆运行维护的关键技术，对于减小故障损失具有重要意义。目前，主要有以下几种电缆故障检测方法。
1)电桥法
电桥法的接线原理如图2所示。首先将电缆的故障相与一非故障相在电缆终端处短接；在电缆始端，用单臂电桥连接故障相及被短接的非故障相。然后，测量非故障相电阻加上故障相故障点之后电阻之和(RL0+RL1)与故障相故障点之前电阻(RLx)之比，结合电缆长度数据即可计算出故障点的具体位置。
图2 电桥法接线原理图
电桥法的优点是简单、方便、精确度高。其缺点是不适用于检测高阻与闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥的电流很小，一般灵敏度的仪表很难探测的。此外，电桥法检测时，需要知道电缆的准确长度等原始资料，当电缆线路由不同截面的电缆组成时，还需要进行换算，电桥法也不能测量三相短路或断路故障。
2)低压脉冲反射法
低压脉冲法的接线原理如图3所示。将低压脉冲注入电缆故障。由于故障点为阻抗不匹配点，当低压脉冲沿电缆传播至故障点时，会产生反射脉冲。根据发射脉冲与反射脉冲的往返时间差，以及脉冲传播速度，可计算出故障点的位置。
图3 低压脉冲反射法接线原理图
低压脉冲反射法的局限性在于，通常电缆故障测量仪采用的电压脉冲都是矩形脉冲，如果在脉冲宽度时间内得到的反射脉冲与发射脉冲相重叠，便无法区分出来，不能测出故障点的距离。因此，低压脉冲反射法存在检测盲区。
3)脉冲电压法
脉冲电压法包括直流高压闪络法，接线原理如图4所示，与冲击高压闪络法，接线原理如图5所示。图中，T1为调压器，T2为试验变压器，D为硅堆，R为保护电阻，C为储能电容，L为线性电流耦合器，G为球隙。脉冲电压法的基本原理是，利用直流(或冲击)高压信号击穿电缆的故障点，记录放电电压脉冲在测试点与故障点间的往返时间，依此计算故障点的位置。
图4 直流高压闪络法接线原理图
图5 冲击高压闪络法接线原理图
脉冲电压法的优点在于由于是直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度较快。其缺点在于在故障放电时，尤其是冲击闪络测试时，通过电容(电阻)分压器测量电压脉冲信号，分压器耦合的电压波形难以分辨。
4)脉冲电流法
脉冲电流法的基本原理是，将电缆的故障点击穿，测量击穿时产生的电流行波信号，根据电流行波在测试点与故障点间的往返时间来计算故障点的位置。脉冲电流法的局限性在于它是用互感器将脉冲电流耦合出来，其波形比较复杂，不易辨识故障点位置，由于线芯绝缘介质损耗引起的行波信号衰减及中间接头等的反射和其他干扰因素，故障波形往往误差很大。
4 电缆故障的防范对策
针对常见电缆故障类型和形成原因，本着提高绝缘强度和加强绝缘监测的原则，可采用以下技术措施和方法来防止电缆故障的发生，提高电缆运行的可靠性。
1)在线监测电缆负荷电流，防止过负荷运行。电缆超负荷运行，会导致温升增加，加快电缆绝缘老化，易使电缆绝缘薄弱处(如接头)发生击穿事故，大大降低电缆寿命。因此，应根据电缆敷设方式、运行条件、环境温度、并列条数对电缆长期允许载流量进行校核并作出规定。运行中，对电缆载流量进行测量实时监测，确保其不超过规定值，避免长期过负荷运行造成的电缆故障。
2)实时监测电缆温度，防止电缆过热。电缆故障发生常伴随着局部温度的升高。安装温度监测装置，实时反映电缆的温度状况，有利于了解电缆的运行状况，防止电缆过热，及时发现电缆隐患，避免故障发生。
3)防止电缆化学腐蚀。尽量选用符合使用环境的电缆，选择敷设路径时，充分对土壤资料进行化学分析，判断土壤和地下水的侵蚀程度，如侵蚀严重则应增加外层防护，再将电缆穿入耐蚀的管道中，对已埋设的电缆，应了解电缆的腐蚀程度，必要时掘开泥土检查。
4)选择质量可靠的电缆。与传统的油纸绝缘电缆相比，交联聚乙烯(XLPE)电缆允许温升比油纸绝缘电缆的高，其允许工作场强和允许长期载流量也比油纸绝缘电缆高很多，而且其敷设不受高落差限制。因此，可优先选用XLPE电缆。
5)提高电缆敷设工艺。敷设电缆时，应根据实际地面建筑情况及周围环境，采用隧道敷设、电缆沟敷设、排管敷设或直埋敷设，并要严格按标准要求敷设，避免电缆受外力损伤。
结束语
综合上面所述，本文簡要分析了电缆典型故障的性质、类型及电缆故障的形成原因，分析比较了各种电力电缆故障检测方法，并提出了防止电缆故障的应对技术措施和方法。只有不断提高电缆绝缘强度和加强绝缘监测，才能保证电缆的安全运行。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：电力电缆故障分析检测方法；
1 电缆故障性质与分类
电缆故障性质的正确判断对于快速检测出故障点是十分重要的。根据目前的故障检测技术及故障点绝缘电阻值大小，可将电缆故障分为以下几种类型。其电缆故障情况示意图如图1所示。
图1 电缆故障情况示意图
1)开路故障
若电缆相间或相对地的绝缘电阻值达到所要求的规定值，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，这类故障称为开路故障。如图1所示，若H点电阻R k=∞，则表明H点存在断线故障，为开路故障的特殊情况。
2)低阻故障
若电缆相间或相对地的绝缘受损，其绝缘电阻将减小。当绝缘电阻小于10倍电缆特性阻抗时，称为低阻故障。低阻故障可用低压脉冲反射法进行测量。如图1所示，若M点绝缘电阻Rd=0，则表明M点存在短路故障，为低阻故障的特殊情况。
3)高阻故障
若电缆相间或相对地的绝缘电阻低于正常值较多，但大于10倍电缆特性阻抗时，称为高阻故障。高阻故障不能采用低压脉冲反射法进行测量。根据故障性质，高阻故障可分为泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障。
在对电缆进行预防性试验时，泄漏电流随试验电压的升高逐渐增大。当试验电压升高至额定电压(有时还远远达不到额定值)时，泄漏电流超过允许值，这种故障为泄漏性高阻故障。当试验电压升高到一定值时，泄漏电流突然增大且呈现闪络性波动的特点；当电压稍下降时，此现象消失，这种故障为闪络性高阻故障。如图1所示，若N点在较高电压作用下，Rg=0；试验电压降低后，Rg=∞，则表明N点存在闪络性高阻故障。随着交联聚乙烯(XLPE)电缆大量应用，闪络性高阻故障在电缆故障中占有较高比例，此类故障查找比较困难。
2 电缆故障的产生原因
造成电缆故障的原因有很多。了解电缆故障产生的具体原因，对于故障检测方法的选择，快速检测出故障点十分重要。通过对各种类型电缆故障的剖析，可将故障原因归纳为以下几类。
1)机械损伤
机械损伤包括电缆敷设过程中因拉力过大或弯曲过度而导致绝缘和护层的损坏，及施工和交通运输中直接受外力作用而造成的误损伤等。
2)过负荷运行
当电缆长期过负荷运行时，会使电缆产生过热现象，使电缆温度升高，过高的温度会加速电缆绝缘老化，致使绝缘薄弱部位击穿。
3)电缆头故障
电缆中间连接头、终端头是故障较常发生的部位。电缆头故障主要表现在以下两个方面：(1)由于制作工艺不良，电缆头内部含有杂质、气隙等，在电缆投入运行后，在强电场作用下，内部杂质会发生游离，产生树枝放电现象；(2)电缆终端接头或中间接头的金属屏蔽接地不良，造成接地电阻值超过规定值，产生较高的感应过电压，进而导致电缆的部分绝缘击穿。
4)绝缘受潮
绝缘受潮是造成电缆故障的主要原因之一，通常表现为绝缘电阻低，泄漏电流大。造成绝缘受潮的原因有以下几方面：
(1)电缆中间接头、终端接头的密封失效，导致潮气侵入，破坏绝缘性能。
(2)电缆本身存在质量问题，制造电缆包铅(铝)时留下砂眼和裂纹等缺陷。
(3)电缆护套被异物刺穿，或被化学腐蚀，或电解腐蚀，导致保护层失效。
3 电缆故障检测方法
电缆发生故障后，快速、准确地判断电缆故障的性质、状态和类别，是电缆运行维护的关键技术，对于减小故障损失具有重要意义。目前，主要有以下几种电缆故障检测方法。
1)电桥法
电桥法的接线原理如图2所示。首先将电缆的故障相与一非故障相在电缆终端处短接；在电缆始端，用单臂电桥连接故障相及被短接的非故障相。然后，测量非故障相电阻加上故障相故障点之后电阻之和(RL0+RL1)与故障相故障点之前电阻(RLx)之比，结合电缆长度数据即可计算出故障点的具体位置。
图2 电桥法接线原理图
电桥法的优点是简单、方便、精确度高。其缺点是不适用于检测高阻与闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥的电流很小，一般灵敏度的仪表很难探测的。此外，电桥法检测时，需要知道电缆的准确长度等原始资料，当电缆线路由不同截面的电缆组成时，还需要进行换算，电桥法也不能测量三相短路或断路故障。
2)低压脉冲反射法
低压脉冲法的接线原理如图3所示。将低压脉冲注入电缆故障。由于故障点为阻抗不匹配点，当低压脉冲沿电缆传播至故障点时，会产生反射脉冲。根据发射脉冲与反射脉冲的往返时间差，以及脉冲传播速度，可计算出故障点的位置。
图3 低压脉冲反射法接线原理图
低压脉冲反射法的局限性在于，通常电缆故障测量仪采用的电压脉冲都是矩形脉冲，如果在脉冲宽度时间内得到的反射脉冲与发射脉冲相重叠，便无法区分出来，不能测出故障点的距离。因此，低压脉冲反射法存在检测盲区。
3)脉冲电压法
脉冲电压法包括直流高压闪络法，接线原理如图4所示，与冲击高压闪络法，接线原理如图5所示。图中，T1为调压器，T2为试验变压器，D为硅堆，R为保护电阻，C为储能电容，L为线性电流耦合器，G为球隙。脉冲电压法的基本原理是，利用直流(或冲击)高压信号击穿电缆的故障点，记录放电电压脉冲在测试点与故障点间的往返时间，依此计算故障点的位置。
图4 直流高压闪络法接线原理图
图5 冲击高压闪络法接线原理图
脉冲电压法的优点在于由于是直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度较快。其缺点在于在故障放电时，尤其是冲击闪络测试时，通过电容(电阻)分压器测量电压脉冲信号，分压器耦合的电压波形难以分辨。
4)脉冲电流法
脉冲电流法的基本原理是，将电缆的故障点击穿，测量击穿时产生的电流行波信号，根据电流行波在测试点与故障点间的往返时间来计算故障点的位置。脉冲电流法的局限性在于它是用互感器将脉冲电流耦合出来，其波形比较复杂，不易辨识故障点位置，由于线芯绝缘介质损耗引起的行波信号衰减及中间接头等的反射和其他干扰因素，故障波形往往误差很大。
4 电缆故障的防范对策
针对常见电缆故障类型和形成原因，本着提高绝缘强度和加强绝缘监测的原则，可采用以下技术措施和方法来防止电缆故障的发生，提高电缆运行的可靠性。
1)在线监测电缆负荷电流，防止过负荷运行。电缆超负荷运行，会导致温升增加，加快电缆绝缘老化，易使电缆绝缘薄弱处(如接头)发生击穿事故，大大降低电缆寿命。因此，应根据电缆敷设方式、运行条件、环境温度、并列条数对电缆长期允许载流量进行校核并作出规定。运行中，对电缆载流量进行测量实时监测，确保其不超过规定值，避免长期过负荷运行造成的电缆故障。
2)实时监测电缆温度，防止电缆过热。电缆故障发生常伴随着局部温度的升高。安装温度监测装置，实时反映电缆的温度状况，有利于了解电缆的运行状况，防止电缆过热，及时发现电缆隐患，避免故障发生。
3)防止电缆化学腐蚀。尽量选用符合使用环境的电缆，选择敷设路径时，充分对土壤资料进行化学分析，判断土壤和地下水的侵蚀程度，如侵蚀严重则应增加外层防护，再将电缆穿入耐蚀的管道中，对已埋设的电缆，应了解电缆的腐蚀程度，必要时掘开泥土检查。
4)选择质量可靠的电缆。与传统的油纸绝缘电缆相比，交联聚乙烯(XLPE)电缆允许温升比油纸绝缘电缆的高，其允许工作场强和允许长期载流量也比油纸绝缘电缆高很多，而且其敷设不受高落差限制。因此，可优先选用XLPE电缆。
5)提高电缆敷设工艺。敷设电缆时，应根据实际地面建筑情况及周围环境，采用隧道敷设、电缆沟敷设、排管敷设或直埋敷设，并要严格按标准要求敷设，避免电缆受外力损伤。
结束语
综合上面所述，本文簡要分析了电缆典型故障的性质、类型及电缆故障的形成原因，分析比较了各种电力电缆故障检测方法，并提出了防止电缆故障的应对技术措施和方法。只有不断提高电缆绝缘强度和加强绝缘监测，才能保证电缆的安全运行。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。