电力电缆故障探测技术.docx

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电力电缆故障探测技术

电力电缆故障探测技术

目录

摘要1

关键词：

1

引言2

一、电缆故障的原因3

（1）机械损伤3

（2）绝缘受潮3

（3）绝缘老化变质4

（4）过电压4

（5）设计和制作工艺不良4

（6）材料缺陷4

（7）护层的腐蚀4

二、电缆故障的性质与分类5

三、电缆故障探测的步骤6

（1）电缆故障性质的诊断6

（2）电缆故障测距7

（3）电缆故障定点10

结束语12

参考文献13

致谢14

摘要

电力电缆供电以其安全、可靠、有利于美化矿区及城市布局等优点，获得了越来越广泛的应用。

电力电缆的运行质量及在故障情况下电力电缆的故障定位及探测技术已经成为电力系统运行的一项重要技术。

本文首先分析了电力电缆故障常见的原因,并在此基础上介绍了电力电缆常用的故障检测步骤及探测技术。

关键词：

电缆故障探测技术

引言

随着我国经济的发展和社会现代化建设步伐的加快，工农业生产及人民生活的用电量日益增加，对电力的需求量越来越大，对电网的运行安全要求也越来越高。

而作为连接各种电气设备、传输和分配电能的电力电缆，以其安全、维护工作量少，稳定性高，有利于提高电能的质量并且美化城市等优点，已经得到越来越广泛的应用。

目前，电力电缆所产生的故障在所有供电故障中占了相当大的比重。

如何快速、准确地确定故障点位置和判断出故障类型已成为电力电缆使用和运行过程中十分关键的技术之一。

电力电缆故障探测技术

一、电缆故障的原因

了解电缆故障的原因，对于减少电缆的损坏，快速地判定出故障点是十分重要的。

电缆故障的原因大致可归纳为以下几类：

（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。

有些机械损伤很轻微，当时并没有造成故障，但在几个月甚至几年后损伤部位才发展成故障。

造成电缆机械损伤的主要有以下几种原因：

1.1安装时损伤：

在安装时不小心碰伤电缆，机械牵引力过大而拉伤电缆，或电缆过度弯曲而损伤电缆；

1.2直接受外力损坏：

在安装后电缆路径上或电缆附近进行城建施工，使电缆受到直接的外力损伤；

1.3行驶车辆的震动或冲击性负荷会造成地下电缆的铅（铝）包裂损；

1.4因自然现象造成的损伤：

如中间接头或终端头内绝缘胶膨胀而胀裂外壳或电缆护套；因电缆自然行程使装在管口或支架上的电缆外皮擦伤；因土地沉降引起过大拉力，拉断中间接头或导体。

（2）绝缘受潮

绝缘受潮后引起故障。

造成电缆受潮的主要原因有：

2.1因接头盒或终端盒结构不密封或安装不良而导致进水；

2.2电缆制造不良，金属护套有小孔或裂缝；

2.3金属护套因被外物刺伤或腐蚀穿孔；

（3）绝缘老化变质

电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生游离使绝缘下降。

当绝缘介质电离时，气隙中产生臭氧、硝酸等化学生成物，腐蚀绝缘；绝缘中的水分使绝缘纤维产生水解，造成绝缘下降。

过热会引起绝缘老化变质。

电缆内部气隙产生电游离造成局部过热，使绝缘碳化。

电缆过负荷是电缆过热很重要的因素。

安装于电缆密集地区、电缆沟及电缆隧

道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆以及电缆与热力管道接近的部分等都会因本身过热而使绝缘加速损坏。

（4）过电压

大气与内部过电压作用，使电缆绝缘击穿，形成故障，击穿点一般是存在缺陷。

（5）设计和制作工艺不良

中间接头和终端头的防水、电场分布设计不周密，材料选用不当，工艺不良、不按规程要求制作会造成电缆头故障。

（6）材料缺陷

材料缺陷主要表现在三个方面。

一是电缆制造的问题，铅（铝）护层留下的缺陷；在包缠绝缘过程中，纸绝缘上出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷；二是电缆附件制造上的缺陷，如铸铁件有砂眼，瓷件的机械强度不够，其它零件不符合规格或组装时不密封等；三是对绝缘材料的维护管理不善，造成电缆绝缘受潮、脏污和老化。

（7）护层的腐蚀

7.1由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆铅包外皮受腐蚀出现麻点、开裂或穿孔，造成故障。

7.2电缆的绝缘物流失油浸纸绝缘电缆敷设时地沟凸凹不平，或处在电杆上的户外头，由于起伏、高低落差悬殊，高处的绝缘油流向低处而使高处电缆绝缘性能下降，导致故障发生。

二、电缆故障的性质与分类

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，几种可能性较大的故障形式是：

一相对地、两相对地和一相断线并接地。

电缆故障定义为：

无损坏故障、开路故障、短路故障。

而电缆故障分为:

开路故障、低阻故障和高阻故障三种类型。

下面对这一分类法作一简单介绍。

（1）开路故障。

若电缆相间或相对地绝缘电阻达到所要求的规范值，但工作电压不能传输到终端；或虽终端有电压，但负载能力较差。

当绝缘电阻=∞，即为断线故障。

（2）低阻故障。

电缆相间或相对地绝缘受损，其绝缘电阻小到能用低压脉冲法测量的一类故障。

当绝缘电阻<10kΩ时，为短路故障。

（3）高阻故障。

电缆相间或相对地绝缘损坏，其绝缘电阻较大，当绝缘电阻>100kΩ，不能用低压脉冲法测量的一类故障，它是相对于低阻故障而言的。

包括泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障二种类型。

这样分类的目的也是为了选择测试方法的方便，根据目前流行的故障测距技术，开路与低阻故障可用低压脉冲反射法，高阻故障要用冲击闪络法，而闪络性故障可用直流闪络法测试。

三、电缆故障探测的步骤

电缆故障的探测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤。

电缆故障性质的诊断，即确定故障的类型与严重程度，以便于测试人员对症下药，选择适当的电缆故障测距与定点方法。

电缆故障测距又叫粗测，在电缆的一端使用仪器确定故障距离。

电缆故障定点又叫精测，即按照故障测距结果，根据电缆的路径走向，找出故障点的大体方位来，在一个很小的范围内，利用放电声测法或其它方法确定故障点的准确位置。

（1）电缆故障性质的诊断

所谓诊断电缆故障的性质，就是指确定：

故障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，还是它们的混合；是单相、两相，还是三相故障。

可以根据故障发生时出现的现象，初步判断故障的性质。

例如，运行中的电缆发生故障时，若只是给了接地信号，则有可能是单相接地的故障。

继电保护过流继电器动作，出现跳闸现象，则此时可能发生了电缆两相或三相短路或接地故障，或者是发生了短路与接地混合故障。

发生这些故障时，短路或接地电流烧断电缆将形成断线故障。

但通过上述判断不能完全将故障的性质确定下来，还必须测量绝缘电阻和进行“导通试验”。

测量绝缘电阻时，使用兆欧表（1千伏以下的电缆，用1000伏的兆欧表；1千伏以上的电缆，用2500伏的兆欧表）来测量电缆线芯之间和线芯对地的绝缘电阻；进行“导通试验”时，将电缆的末端三相短接，用万用表在电缆的首端测量芯线之间的电阻。

（2）电缆故障测距

长期以来，涌现出了许多测量方法与仪器，这些方法与仪器适用于不同故障情况，各有优缺点，这里就故障测距与定点仪器简单地做一下评价和比较。

2.1故障测距

2.1.1电桥法

电桥法是一种经典测试方法。

电桥法优点是简单、方便、精确度高，但它的重要缺点是不适用于高阻与闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥里电流很小，一般灵敏度的仪表，很难探测，实际上电缆故障大部分属于高阻与闪络性故障。

在用电桥法测量故障距离之前，需用高压设备将故障点烧穿，使其故障电阻值降到可以用电桥法进行测量的范围，而故障点烧穿是件十分困难的工作，往往要花费数小时，甚至几天的时间，十分不方便，有时会出现故障点烧断，故障电阻反而升高的现象，或是故障电阻烧得太低，呈永久短路，以至不能用放电声测法进行最后定点。

电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原始技术资料，当一条电缆线路内是由导体材料或截面不同的电缆组成时，还要进行换算，电桥法还不能测量三相短路或断路故障。

现在现场上电桥法用的越来越少了，不过一些测试人员，尤其是老的测试人员，仍然习惯于使用该方法。

特别是对一些特殊的故障没有明显的低压脉冲反射，但又不容易用高压击穿，如故障电阻不是太高的话，使用电桥法往往可以解决问题。

2.2低压脉冲反射法

低压脉冲反射法，又叫雷达法，低压脉冲反射法用于测量电缆的低阻、短路与断路故障。

它通过观察故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差测距。

低压脉冲反射法的优点是简单、直观、不需要知道电缆的准确长度等原始技术资料。

根据脉冲反射波形还可以容易地识别电缆接头与分支点的位置。

低压脉冲反射法的缺点是不能适用于测量高阻与闪络性故障。

低压脉冲反射法工作原理：

测试时向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，回送到测量点被仪器记录下来，通过识别反射脉冲的极性，可以判定故障的性质。

断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同，而短路故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反。

2.3脉冲电压法

脉冲电压法，又称闪测法，是六十年代发展起来的一种高阻与闪络性故障测试方法。

首先使电缆故障在直流高压或脉冲高压信号的作用下击穿，然后，通过观察放电电压脉冲在观察点与故障点之间往返一次的时间测距。

脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是电缆故障测试技术的重大进步。

脉冲电压法的缺点如下：

2.3.1安全性差，仪器通过一电容电阻分压器分压测量电压脉冲信号，仪器与高压回路有电耦合，很容易发生高压信号串入，造成仪器损坏。

2.3.2在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串一电阻或电感以产生电压信号，增加了接线的复杂性，且降低了电容放电时加在故障电缆上的电压，使故障点不容易击穿。

2.3.3在故障放电时，特别是进行冲闪测试时，分压器耦合的电压波形变化不尖锐，难以分辨。

2.4脉冲电流法

脉冲电流法是八十年代初发展起来的一种测试方法，以安全、可靠、接线简单等优点显示了强大的生命力。

脉冲电流法与脉冲电压法的区别在于：

前者通过一线性电流耦合器测量电缆故障击穿时产生的电流脉冲信号，成功地实现了仪器与高压回路的电耦合，省去了电容与电缆之间的串联电阻与电感，简化了接线，传感器耦合出的脉冲电流波形亦比较容易分辨。

脉冲电流分直流高压闪络与冲击高压闪络两种测试方法。

直流高压闪络测试法的应用范围：

直流高压闪络测试法用于测量闪络击穿性故障，即故障点电阻极高，在用高压试验设备把电压升到一定值时就产生闪络击穿的故障。

据统计，能用直闪法测量的电缆故障，约占电缆故障总数的20%，在预防性试验中出现的电缆故障多属于该类故障。

直流高压闪络测试法获得的波形简单、容易理解。

而一些故障点在几次闪络放电之后，往往造成故障点电阻下降，以致不能再用直闪法测试，故实际工作中应珍惜能够进行直流高压闪络测试法测试的机会。

冲击高压闪络测试法的应用范围：

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去了，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。

冲击高压闪络测试法亦适用于测试大部分闪络性故障，当然，由于直流高压闪络测试法波形相对简单，容易获得较准确的结果，应尽量使用直流高压闪络测试法测试。

2.5对测距方法与仪器选择的建议

目前，普遍采用行波测距法。

低阻与断路故障采用低压脉冲反射法，它比电桥法简单直接；测量高阻与闪络性故障采用脉冲电流法；两者都是通过脉冲信号在故障点与测量点之间往返一次时间测距，但前者是主动向电缆发射探测电压脉冲，后者是被动记录故障击穿产生的瞬间脉冲电流信号；信号的记录与处理显示可由同一个电路完成，故可方便地使仪器同时实现两个功能。

（3）电缆故障定点

电缆故障的精确定点是故障探测的关键。

目前，比较常用的方法是冲击放电声测法及主要用于低阻故障定点的音频感应法。

实际应用中，往往因电缆故障点环境困素复杂，如振动噪声过大、电缆埋设深度过深等，造成定点困难，成为快速找到故障点的主要矛盾。

电缆故障精确定点的方法。

3.1声测定点法

3.1.1声测法应用范围：

声测法是电缆故障主要的定点方法，主要用于测量高阻与闪络性故障，对于低阻故障（金属性短路除外），也可使用该方法。

3.1.2声测定点主要是利用故障点的放电声音定点，使用可调压的高压设备，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。

对于电缆护层已被烧穿的故障，往往可在地面上用人耳直接听到故障点放电声。

对于护层未烧穿的电缆故障或电缆埋设较深时，地面上能听到的放电声太小，则要使用耳机来监听判断进行定点。

3.2音频感应法

3.2.1音频感应法应用范围：

音频感应法一般用于探测故障电阻小于10欧的低阻故障。

在电缆接地电阻较低时，故障点放电声音微弱，用声测法进行定点比较困难，特别是金属性接地故障的故障点根本无放电声音而无法定点。

这时，便需要用音频感应法进行特殊测量。

用音频感应法对两相短路并接地故障，以及三相短路或三相短路并接地故障进行测试，都能获得满意的效果，一般测寻所得的故障点位置之绝对误差为1～2米。

其它类型故障，如一相或两相断线、单相接地等故障位置，若采用特殊探头，也能用音频感应法准确地测出来。

3.2.2定音频感应法点的基本原理：

音频感应法定点的基本原理，与用音频感应法探测埋地电缆路径的原理一样。

探测时，用1千赫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，并将之送入放大器进行放大；而后，再将放大后的信号送入耳机或指示仪表，根据耳机中声响的强弱或指示仪表指示值的大小而定出故障点的位置。

3.3裸露电缆故障的特殊定点方法

电缆沟和隧道中的电缆以及从地下挖出来的电缆等，都属于裸露电缆。

这些电缆发生故障时，有时用声测法寻找故障点，耳机中听不到放电声（如故障电阻为零的金属性接地故障）。

在上述情况下，用特殊方法对电缆故障进行定点比较简单、直观与方便。

下面介绍几种特殊的定点方法。

3.3.1局部过热法，在粗测故障点位置后，再向故障点施加冲击高压或用直流高压击穿故障点，这样，故障点处便通过一定的电流。

因故障点处有一定的电阻，所以电流通过时便产生热效应。

此时，用手触摸故障电缆，过热处即为故障点。

用局部过热法，可以较准确地确定故障点的位置，特别适用于寻找在电缆或电缆头上便于用手触摸处的故障点。

使用这种方法时，必须注意安全，因为测寻时故障电缆上加了高压，故必须先去掉高压并在此电缆的三相导体挂上地线，然后才可用手触摸。

3.3.2偏芯磁场法：

偏芯磁场法适用于金属性单相接地故障的定点。

在故障相与地之间通入音频电流，当电流到达故障点后，流入铅皮并继而分两路从两个相反的方向同时向电缆的两个终端流去，使全电缆线路都有音频信号电流。

在故障点以前，电缆周围的磁场是由通电导体及金属外皮的回路电流产生的，由于通电导体偏离电缆的中心轴线，故它所产生的磁场也是偏离电缆中心轴线，称此磁场为偏芯磁场。

使接收线圈围绕电缆圆周表面旋转一周，线圈中接收到的磁场信号将会有强弱的变化；而在故障点之后，只有沿电缆铅皮均匀分布的电流，而无芯线电流，此时，接收线圈环绕电缆圆周表面旋转一周，线圈中接收到的磁场信号亦无强弱变化。

据此便可以测寻出故障点。

结束语

电力电缆在电力系统中作为传输和分配电能，以及连接各种电气设备等，起着不可估量的作用，迅速、准确地确定电力电缆的故障点，不仅能提高供电可靠性，还可以减少故障修复费用及停电损失。

电力电缆故障探测方法及技术，除上面所述的几种主要方法外，还有高压电桥法、电容法及跨步电压法。

笔者认为在探测电缆故障时选择合适的测试方法是非常必要的，可以大大减少故障探测时间，同时总结为：

1.当故障点电阻等于无穷大时，用低压脉冲法测量容易找到断路故障，一般来说，纯粹性断路故障不常见到，通常断路故障为相对地或相间高阻故障或者相对地或相间低阻故障并存。

2.当故障点电阻等于零时，用低压脉冲法测量短路故障容易找到，但实际工作中遇到这种故障很少。

3.当故障点电阻大于零小于100Ω时，用低压脉冲法测量容易找到低阻故障。

4.闪络故障可用直闪法测量，这种故障一般存在于接头内部，故障点电阻大于100Ω，但数值变化较大，每次测量不确定。

5.高阻故障可用冲闪法测量，故障点电阻大于100Ω且数值确定。

一般当测试电流大于15mA，测试波形具有重复性以及可以相重叠，同时一个波形有一个发射、三个反射且脉冲幅度逐渐减弱时，所测的距离为故障点到电缆测试端的距离；否则为故障点到电缆测试对端的距离。

参考文献：

李海帆《电力电缆工程设计、安装、运行、检修技术实用手册》当代中国音像出版社2004年版。

致谢：

本论文是在……老师的悉心指导下完成的。

……向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！