电力电缆故障测试及原因分析
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摘 要：随着电力电缆在城乡电力建设改造中的广泛应用，保障电缆线路的安全运行成为对供电系统运行的基本要求之一。电力电缆发生故障时，迅速找到故障点，就可以减少停电时间，提高用电质量。综述了电力电缆的故障探测步骤、方法，提出了电力电缆故障和局部放电定点检测的方法，对电缆存在的问题和故障原因进行了分析研究。
0 引言
目前，随着城乡电力建设改造力度的不断加大，塑料绝缘电力电缆特别是交联电力电缆得到了越来越广泛的应用，电缆线路故障也时有发生。对电缆故障测试定位是实际工程中经常遇到的问题，现有电缆故障测试系统有两类，断路测试和短路测试。断路测试是测量发生故障电缆的电容，此种方法由于受周围环境及绝缘材料的密度、湿度等因素影响，其测试误差较大。短路测试一般测量发生故障电缆电阻，经计算公式得出短路的位置，由于受电缆材料密度、截面不均的影响，误差很大。
以上两类方法仪器检测能力差，难以现场使用。因此实际检测中常采用“开皮”的方法查找，这样常使电缆有多处外伤甚至报废，造成大量经济损失。基于上述原因，新的电缆故障测试系统及方法不断出现，并采用全新的工作原理，可对电缆故障进行检测，具有精度高，操作简便等优点。
1 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。
（1）电缆故障性质诊断
电缆故障性质的诊断，即确定故障的类型与严重程度，所谓电缆故障的类型，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。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。
（2）电缆故障测距
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。
（3）电缆故障定点
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。
2 电缆故障测距的方法
电缆故障测距的方法主要有以下四种：
2.1电桥法：该方法比较简单，但需要事先知道电缆线长度等数据，且只适用于低阻及短路故障。但是，在实际运行中，故障常常为高阻及闪络性故障，因故障电阻很高造成电桥电流很小，因此一般的灵敏度仪表很难探测。
2.2脉冲回波法：针对低阻与断路类型的故障，利用低压脉冲反射方法来测电缆故障比起上面的电桥法简单直接，只需通过观察故障点反射与发射脉冲的时间差来测距。测试时将一低压脉冲注入电缆，当脉冲传播到故障点时会发生反射，脉冲被反射送回到测量点。利用仪器记录发射和反射脉冲的时间差，只需知道脉冲传播速度就可计算出故障发生点的距离。该方法简单直观，不需知道电缆长度等原始数据，还可根据反射波形识别电缆接头与分支点的位置。
2.3脉冲电压法。该方法可用于测量高阻与闪络故障。首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距。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时脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化。但缺点是：①仪器通过一个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人，造成仪器损坏，故安全性较差；②在利用闪测法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串一个电阻或电感以产生电压信号，增加了接线复杂性，使故障点不容易击穿；③在故障放电时，特别在冲闪时，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：该方法安全、可靠、接线简单。其方法是将电缆故障点用高压击穿，使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号，根据电流行波信号在测量端与故障点往返一趟的时间来计算故障距离。该方法用互感器将脉冲电流耦合出来，波形较简单，较安全。这种方法也包括直闪法及冲闪法两种。与脉冲电压法使用电阻、电容分压器进行电压取样不同，脉冲电流法使用线性电流耦合器平行地放置在低压测地线旁，与高压回路无直接电器连接，对记录仪器与操作人员来说，特别安全、方便。所以人们一般使用此方法。
3 电缆故障定点的方法
3.1声磁同步法
该方法使用高压设备使电缆故障点击穿放电，利用接收器记录放电声音，并用磁场信号对其进行同步，通过分析声音波形及测试人员通过耳机听声进行故障定点。此方法是目前常用的电力电缆定点的方法，但该方法只能获得距离故障点附近2～3m左右距离的声音信号，且对现场操作人员的技术素质要求较高。
3.2交联电缆局部放电定点方法
交联电力电缆局部放电不合格是电缆制造、安装过程中的一个“隐性”缺陷，在局部放电试验的过程中一旦发生超过标准的放电量，必须找出放电点并作相应处置。电缆局部放电点的定位测量，其测量定位方法精度高低，可决定工时的多少、电缆可利用率的大小。
电缆故障点的定位测量方法有很多种，但对于故障点是放电量大的电缆做定位测试的原理大多是采用行波原理进行故障定位的。通过得到脉冲在电缆的行波速度υ和二个行波脉冲之间的时间差t，就能准确地将故障点找到。由于υ的不准确，最终长度l也就不准确，再由于示波器的时间测量的分辨率和测量精度，也会影响故障点X测量的准确。
为此，我们在做电缆局部放电试验时，每次都进行行波速度的测试操作，以便积累脉冲在电缆的行波速度。为了能准确地定位，我们在做大量的数据积累，同时发现要准确地测出脉冲在电缆的行波速度，就要准确地测出电缆的长度和脉冲在电缆反射的时间，即使得到了准确的数据，但是每个电缆的脉冲在电缆的行波速度都有些差异，为了能更准确地定位，就应该忽略脉冲在电缆的行波速度产生的差异。
因为脉冲在电缆的行波速度是每个电缆所特有的，那是不是在电缆发生了放电后还可以测试呢？这样，还是假定在距离远端X的地方有一个放电点，此放电点将向两端同时发出两个脉冲，脉冲1和脉冲2。当2号脉冲到达远端时，1号脉冲到达距离远端2X的地方，然后2号脉冲在远端发生反射，与1号脉冲相差2X的距离共同向近端（测量端）运行，在定位示波器上，首先收到的是1号脉冲信号，随后，2号脉冲也被接收到。当1号脉冲到达近端后发生反射，我们称为3号脉冲，3号脉冲又在电缆上运行了两倍电缆长度2L后又回到近端，被定位示波器再次接收到。利用前三个波形的时间差之比，就可以得到故障点距离远端的距离，设定1号脉冲到达近端被示波器测到的时间为T1，2号为T2，3号为T3。则X为：
式中：X—故障点距远端的距离，m；
T1—1号脉冲波形在示波器上的时间，μs；
T2—2号脉冲波形在示波器上的时间，μs；
T3—3号脉冲波形在示波器上的时间，μs；
L—电缆的总长度，m。
由此可见，此方法在实际应用中是可行的，定位精度得到很大提高。
4 电缆故障原因分析
为了减少损失，通过对电缆进行定位测试，找出故障点，查明故障原因，有效控制电缆故障频繁发生的现象。据珠三角地区2009年1月至2011年9月期间10kV电缆故障及其原因统计表明，引起电缆故障的第一大原因是外力破坏，约占60%；第二大原因是电缆附件缺陷，占约21%；第三大原因是电缆本体缺陷，占14%。电缆在制造、运输、敷设、电缆终端及中间接头的安装与制作过程中，均可能因某种原因形成缺陷。
电力电缆主要由导体、绝缘层、屏蔽层、保护层等部分组成。电力电缆长期敷设在地下、水下等条件较复杂的环境中，其长期安全传输电能靠得就是绝缘层、屏蔽层和保护层。电缆的各组成部分共同保证了电缆的正常使用，无论哪一部分损坏，均能引起电缆长期使用过程中损坏。其中绝缘层的好坏成为电缆击穿或短路故障的主要原因。目前，电力电缆主要采用热塑性、热固性材料挤包或绕包绝缘纸带后浸渍绝缘剂作为绝缘层。6kV以上电缆的绝缘层厚度，主要取决于绝缘材料承受的电压、工艺上允许的最小厚度，以及承受的机械力。电缆在电力系统中不仅要承受工频电压，还要承受脉冲大气过电压和内部过电压。电缆本体缺陷主要有以下几种情况：绝缘偏心、最薄处厚度不够、导体有缝隙、导体和绝缘屏蔽表面不平整、绝缘材料中有气泡、杂质、绝缘交联度不够等原因。因此，在电缆制造、安装、使用过程中，如何保证电缆绝缘层质量（材料绝缘电阻、气泡、杂质等）、绝缘厚度及均匀性、导体和绝缘屏蔽性能、各组成部分免受机械损伤及接头附件安装工艺质量等，成为减少电缆运行故障的主要原因。
5 结束语
对电缆故障进行测试定位是电力工程中经常遇到的问题，通过对电缆故障测试原理分析改进，找出更加准确高效的测距定位方法，解决了目前电缆局放定位所存在的误差较大问题。通过电缆故障统计剖析，分析故障产生原因及控制办法，进一步提高了产品质量，减少电缆运行故障率。■
参考文献
[1] 陈化钢，电力设备预防性试验方法及诊断技术[J].北京：中国科学技术出版社，2010：469.
[2] 陈茂荣，杨忠，牛海清.中压电缆缺陷原因及其状态检测技术现状[J].电线电缆，2013（5）：39-42.