XLPE高压单芯电缆外护套的故障处理
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摘 要：本文详细介绍了一起xlpe高压单芯电缆外护套的故障处理全过程，分析了电缆外护套发生故障的原因，并针对现场具体情况，通过对比分析，总结出能够简单、快捷、准确、方便地查找单芯电缆外护套故障的对策，同时提出了电缆施工及运行过程中电缆金属铠甲层接地故障及防范措施。
关键词：XLPE；单芯；外护套；故障；对策
XLPE电缆以其优越的电气性能、良好的热性能和机械性能及便于敷设等优点得到了广泛的应用。而我局所维护站内的电缆用量及电压等级也在逐年增加，因此电力电缆的安全稳定运行关系着其他变电设备及电网的安全稳定运行。
一、单芯电缆外护套故障危害及原因
单芯电缆的导体与金属金属铠甲层的关系，可以看作是一个变压器的初级绕组与次级绕组。当电缆导体通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线与金属金属铠甲层交链，使金属金属铠甲层产生感应电压，其感应电压的大小与导体中的电流大小、电缆的排列和电缆长度有关。从单芯电缆的结构可看出，如图1，外护套是防止水分进入主绝缘的第一道关。而外护套一旦破损，一方面会使电缆金属套（或金属屏蔽层）形成两点接地回路，在单芯电缆通流时产生环流，从而使电缆金属套发热，降低电缆输送容量，影响电缆的安全稳定运行；另一方面由于破损处空气及水分的侵入，会加速电缆金属套腐蚀，而腐蚀处产生的电场集中，易于产生局部放电和引发电树枝，造成电缆安全运行的重大隐患。
图1 高压单芯电缆截面图
二、XLPE单芯电缆外护套故障的发现及处理
1、电缆故障的发现
该XLPE单芯电缆为融冰电缆，电缆型号为YJV62 ，额定电压为8.7/10kV，截面为1X500mm2，总长度为48m，制造厂家为江苏长峰。该电缆一端处于室外，屏蔽层外引接地，另一端处于阀厅内，屏蔽层未外引接地，电缆的绝大部分是敷设在电缆沟中的，自2008年安装后一直未运行。2011年10月20日，变电检修中心电气试验一班在对融冰间隔进行例行试验时，发现该电缆的屏蔽层（金属铠甲层）绝缘电阻仅为53k%R（测量时采用1000V电子式兆欧表）。用万用表测量其绝缘电阻时，调换表笔重复测量，调换前后的绝缘电阻值有明显差异。之后用直流发生器装置试加直流电压至2kV时，直流发生器装置过电流保护自动跳闸。根据我国电力行业标准《输变电设备状态检修试验规程》（Q/GDW 168-2008）中5.15.1.5条规定，电力电缆外护套及内衬层绝缘电阻采用1000V绝缘电阻表测量。电缆外护套或内衬层的绝缘电阻（M%R）与被测电缆长度（km）的乘积值不应低于0.5M%R；5.15.1.6条规定，在金属屏蔽或金属套与地之间施加直流电压5kV，加压时间1min，不应击穿。不符以上标准的外护套即存在外护套故障。综上，可判断该电缆存在外护套绝缘故障。
2、电缆故障的处理
当日下午，通知厂家相关人员到现场协同处理，破开电缆接头后发现该电缆头处的金属屏蔽层与金属铠甲层是短接共用一根外引线接地的，把金属屏蔽层与金属铠甲层完全分离后再进行绝缘电阻的测量工作，测量发现该电缆的金属屏蔽层的绝缘电阻达80M%R，而金属铠甲层的绝缘电阻仅为55 k%R，因此判断该电缆仅存在外护套绝缘故障。
下一步进行该电缆外护套故障点位置的查找工作。现场试验人员首先进行电缆外观检查，并未发现明显的故障点。考虑到测试接线的接触电阻的影响，现场试验人员采用了更简便的方法--直流电阻法。如图3所示，先在对端将故障电缆的金属铠甲层与芯线（仅用作测试辅助线）短接，再用直流高压设备向金属铠甲层注入直流电流（直流电由3kVA的试验变压器和100kV/200mA的二极管（硅堆）提供，电压一般在5kV左右即可）。测量芯线与金属铠甲层之间的电压以及注入的电流，两者相除即得测试点到故障点这一段的金属铠甲层电阻值。将该电阻值与单位长度的金属铠甲层电阻值比较，就能得出故障点的距离。这种方法成功地避免了测试接线的接触电阻以及对端短接线电阻的影响，同时采用同相的芯线和金属铠甲层相当于同轴电缆结构，有助于减少现场电磁干扰对测量结果的影响。但是由于电缆芯线电阻以及单位长度的金属铠甲层电阻值的误差影响，结果还是未能准确找出故障点的位置。
图2 直流电阻法测试外护套故障
接下来，现场试验人员借用株洲电业局城西局的FCL-2008智能型多次脉冲电缆故障测试仪进行故障点的查找。而此仪器的工作原理是利用主绝缘故障的回波反射法原理进行定位。在电缆主绝缘故障回波反射法预定位中，一极接线芯，另一极接金属护套，由于金属护套的波阻是均匀的，因此可根据反射波形计算出电缆主绝缘故障点的距离。但在电缆外护套预定位中，由于一极是石墨或土壤，其波阻不均匀，用回波反射法测外护套故障的反射波形将是不规律和发散的，因此不能根据反射波形来计算故障点距离。测试结果显示故障距离为48.16米，而整根故障电缆全长仅48米，还是未能找到外护套故障点的位置，可知利用回波反射法预定位原理不适用于电缆外护套故障预定位。
作为电缆外绝缘故障查找的常用方法之一跨步电压法的原理是：在故障电缆的金属铠甲层上注入直流电流，经故障点后由大地流回，从而在地面产生跨步电压；在预定位处的故障距离附近用一对探头沿电缆走向检测不同位置的跨步电压值，根据其大小、极性，就可以确定故障点的位置。但实际情况中由于故障电缆不是直埋在地里，而是绝大部分架空敷设在电缆沟中的，所以跨步电压法是不适用的。而现场试验人员也正是注意到这一实际情况，施用了"钳型电流表计法"，原理如图5，其具体做法是：在故障电缆一端（a）的金属铠甲层注入直流电流，电缆另一端（b）悬空，其电流走向是经故障点由大地流回，故障点至电缆悬空端这一段电流几乎为零。这时，从电缆施加电流端（a）开始沿着另一端（b）的方向用钳型电流表监测其电流，移到某一位置时，钳型电流表显示电流为零，即锁定该位置为故障点位置。
图3 "钳型电流表计法"原理图
接着进行故障点位置的验证，如图6，即从电缆的另一端（b）施加直流电，（a）端悬空，从电缆施加电流端（b）开始沿着另一端（a）的方向用钳型电流表监测其电流，移到某一位置时，钳型电流表显示电流为零，刚好此位置为刚才锁定的故障点位置，从而进行确认。
图4 故障点位置验证原理图
通过"钳型电流表计法"，最后确定电缆故障点的位置位于距室外电缆接头3.2m处，而该处刚好处于埋在地里的那一小区段中，我们该处电缆外护套存在很大的绝缘破损，应该是电缆安装时不小心造成的机械损伤或直埋过程中挤压磨损造成的机械损伤而直接引起的。
三、防止故障的对策
防止电缆外护套故障的根本对策，应采用系统工程的方法，实行全过程控制。从电缆的设计选型和施工安装开始，就要制定防止故障的目标：
（1）电缆的选型，包括外护套材料、外护套结构和分段长度等。电缆一般长期暴露于恶劣的外界环境中，并且传统的单层外护套施工中易被尖锐物划穿，故建议采用硬度高、受环境温度影响小的双层外护套电缆。其结构从内向外依次为：HDPE护套+无纺布包带+铜带+无纺布包带+沥青涂层+HDPE护套。该种护套与传统护套相比增加费用不多，但防损伤能力却大幅度提高。同时，文中所提故障电缆的屏蔽层与铠甲层是短接共用一根外引线接地的，在查找故障时需破开电缆头，查找工作极为不方便，且造成不必要的损失，故应选用屏蔽层与铠甲层分别独立外引线接地的电缆以方便发生故障时的查找工作。工程设计时，分段不宜过长。依电缆路径的实际情况及感应电压的计算结果，分段长度控制在500～800m之内比较合适，分段过长，增加了敷设难度，不利于施工质量。
（2）提高电缆敷设安装质量。采用先进的敷设方法，电缆在敷设过程中不受到大的侧压力，防止外护套受到损伤。严格电缆装置环境要求，如直埋电缆周围必须有不含石块和硬物等的细砂保护。
（3）对于运行中的电缆，只能从提高测寻效率方面采取措施。例如采用较好的仪器、工具，熟练掌握测寻技术等。如果故障点太多，就难以处理了。
四、结语
高压电缆外护套故障相当普遍和严重的程度应引起充分重视。实际运行中电缆外护套的处理较困难，最好从电缆的选型和安装方面做好预防措施。而在电缆故障测寻与处理时，借助现代化的仪器和设备，可准确迅速地确定故障点的精确位置，同时，更应根据现场具体情况因地制宜，实施得当的处理措施。但在实施措施时应注意2个问题：（1）先要判断电缆故障是高阻还是低阻或者是接地，根据这个条件采用不同的测试方法。如果是接地故障，就直接用测距仪的低压脉冲法来测量距离；如果是高阻故障就要采用高压冲击放电的方法来测距离，用高压冲击放电的方法测距离时又要许多的辅助设备：如高压脉冲电容、放电球、限流电阻、电感线圈以及信号取样器等等，操作起来既麻烦又不安全，具有一定的危险性，更为烦琐的是还要分析采样波形，对测试者的知识要求比较高。（2）精确定点是电缆故障寻测的主要矛盾。定点顺利时可在1～2 h内结束，而不顺利时可能几天都确定不下来，尤其是封闭性故障和定点时周围环境特别吵闹时，都会使定点工作感到极难。这操作人员需要冷静，否则达不到预期效果。
参考文献：
[1]输变电设备状态检修试验规程》（Q/GDW 168-2008）
[2]GB50168-2006，电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范[S].2006.
[3]门汗文，崔国璋，王海译.动力电缆及电线[M].北京：中国电力出版社，2001.
[4]徐丙垠，李胜祥，陈宗军.电力电缆故障探测技术[M].北京：机械工业出版社，1999.