隨著我國(guó)城市配電網(wǎng)的不斷改造，10kV中壓電纜已廣泛應(yīng)用于配電線路中。以天津市南開區(qū)為例，電纜線路約占全部配電網(wǎng)線路長(zhǎng)度的93%，而電纜故障約占全部故障數(shù)量的56.7%。當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，由于故障點(diǎn)位置通常不可見，往往需要對(duì)電纜進(jìn)行故障定位，以為電纜修復(fù)提供依據(jù)。

一般的電纜故障位置粗測(cè)方法，主要有電橋法、低壓脈沖法、直閃法、沖閃法、二次脈沖法等。通過(guò)分析波形，可粗略測(cè)得故障點(diǎn)位距離電纜終端的長(zhǎng)度，利用電纜路徑儀及測(cè)距儀，找到故障點(diǎn)粗略位置，再利用聲磁同步法、音頻感應(yīng)法、跨步電壓法等進(jìn)行精確定位。本文所涉及的故障查找流程如圖1所示。

圖1 故障查找流程

在常見的電纜故障類型中，高阻故障約占83%，斷線故障約占5%，低阻故障約占12%。故障原因中，外力破壞約占37%，中間接頭故障約占54%，老舊電纜運(yùn)行年限過(guò)長(zhǎng)約占9%。常見電纜故障查找方式見表1。

表1 常見電纜故障查找方式

1 故障點(diǎn)測(cè)距原理及接線方式

1.1 低壓脈沖法

低壓脈沖法可用于電力電纜的低阻、斷路及短路故障點(diǎn)測(cè)距，其原理為向電纜一端注入一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)沿電纜以一定速度前進(jìn)，在遇到阻抗不匹配點(diǎn)位時(shí)產(chǎn)生反射，通過(guò)檢測(cè)回波時(shí)間及極性，即可獲取電纜全長(zhǎng)、中間接頭位置、接地位置的信息。電脈沖信號(hào)在電纜內(nèi)波速僅取決于絕緣材料的性質(zhì)，如對(duì)于油浸紙絕緣電纜通常約為160m/μs，對(duì)于聚乙烯絕緣電纜通常約為172m/◆s。故根據(jù)式（1），即可得出發(fā)射端與反射點(diǎn)距離L。

式（1）

式中：V為波速；◆T為發(fā)射波與回波時(shí)間差。

低壓脈沖法接線方式及典型波形如圖2所示。發(fā)出脈沖后，正周期回波即為電纜斷路點(diǎn)（終端或斷線位置），負(fù)周期回波即為電纜接地點(diǎn)，正負(fù)起伏處即為中間接頭位置。低壓脈沖法可以在不借助升壓設(shè)備的情況下，通過(guò)較為簡(jiǎn)單的接線方式獲得電纜全長(zhǎng)及故障位置。

圖2 低壓脈沖法接線方式及典型波形

1.2 沖閃法

沖閃法可用于電力電纜的高阻故障測(cè)距，其原理為將高壓瞬間作用于故障相，使故障點(diǎn)擊穿，記錄電流信號(hào)在測(cè)試點(diǎn)與故障點(diǎn)間往返所需的時(shí)間，計(jì)算確定相應(yīng)距離。沖閃法（電流耦合方式）接線方式如圖3所示。

圖3 沖閃法（電流耦合方式）接線方式

測(cè)試時(shí)需要利用升壓儀將高壓加載至故障相，并通過(guò)電容接地線進(jìn)行電流采樣。當(dāng)高壓信號(hào)越過(guò)故障點(diǎn)并在終端反射后，兩次電壓相疊加，將故障點(diǎn)擊穿并形成電弧。在燃弧期間，高壓信號(hào)會(huì)在電纜始端與接地位置進(jìn)行數(shù)次往返，沖閃法典型波形如圖4所示。

圖4 沖閃法典型波形

首次擊穿時(shí)，脈沖越過(guò)故障位置并返回，脈沖寬度較大，因此通常在第二個(gè)周期后進(jìn)行寬度測(cè)量。波形卡位時(shí)，需排除儀器與引線間電感雜散干擾，避免測(cè)量結(jié)果偏大。

1.3 二次脈沖法

二次脈沖法通過(guò)高壓發(fā)生器對(duì)高阻故障電纜施加脈沖高壓，使故障點(diǎn)出現(xiàn)弧光放電。在放電期間，高阻故障會(huì)短時(shí)轉(zhuǎn)換為低阻故障，此時(shí)發(fā)出一組低壓脈沖并接收其波形。放電結(jié)束后，再次發(fā)出一組低壓脈沖并接收其波形，對(duì)比上述波形分離處，即可判斷故障距離。二次脈沖法典型接線方式如圖5所示。

圖5 二次脈沖法典型接線方式

圖5中，延弧器用于延長(zhǎng)電弧放電時(shí)間以便于發(fā)射并檢測(cè)低壓脈沖，二次脈沖法典型波形如圖6所示。

圖6 二次脈沖法典型波形

如圖6所示，二次脈沖法會(huì)形成兩條曲線，分別為電弧出現(xiàn)前、后的低壓脈沖波形。擊穿后，由于故障點(diǎn)轉(zhuǎn)換為低阻故障，將產(chǎn)生負(fù)脈沖，兩波形首次分離處即為故障位置。二次脈沖法波形分析較為簡(jiǎn)單直接，但接線較為復(fù)雜，且延弧器存在壓降，在故障位置擊穿情況良好的前提下波形較為明顯。

1.4 聲磁同步法

聲磁同步法用于電纜故障精確定點(diǎn)。在電纜施加脈沖高壓放電時(shí)，會(huì)形成磁信號(hào)，同時(shí)在故障點(diǎn)形成聲音信號(hào)。由于磁場(chǎng)信號(hào)傳播速度比聲音信號(hào)快，通過(guò)比對(duì)兩種信號(hào)時(shí)間差，即可獲取故障點(diǎn)精確位置。聲磁信號(hào)同步時(shí)典型波形如圖7所示。

圖7 聲磁信號(hào)同步時(shí)典型波形

在故障點(diǎn)附近通過(guò)探頭將同時(shí)捕獲到兩種信號(hào)，當(dāng)探頭移動(dòng)至兩種信號(hào)的起始點(diǎn)重疊且耳機(jī)中聽到清脆脈沖放電聲時(shí)，地面下方即為故障點(diǎn)。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，儀器會(huì)隨放電脈沖點(diǎn)亮同步指示燈，以便于排除聲音信號(hào)干擾。磁場(chǎng)方向可用于判斷探頭與電纜的水平相對(duì)位置，便于交叉定位。

2 低壓脈沖故障測(cè)距案例

2.1 低阻接地故障

2021年10月03日，某變電站10kV出線過(guò)電流I段保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)搖纜，確定為出口電纜相間短路。該段電纜型號(hào)為YJV22 3×240，于2003年以直埋方式敷設(shè)，資產(chǎn)全長(zhǎng)900m。通過(guò)對(duì)電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，黃紅兩相對(duì)地阻值為零。通過(guò)低壓脈沖法，獲得波形如圖8所示。

圖8 低阻接地故障波形

從圖8可看出，在280m處有一中間接頭，503m處有接地反射，925m處有終端反射，與電纜全長(zhǎng)相符。對(duì)故障相施加15kV高壓脈沖，于500m處獲得聲磁同步信號(hào)，聽到放電聲。將故障點(diǎn)開挖后，發(fā)現(xiàn)放電位置為一冷縮型中間接頭，在冷縮管處相間擊穿放電，熔融物對(duì)接地線形成良好通道，如圖9所示。

圖9 相間短路故障位置

2.2 斷線故障

2021年08月21日，某變電站10kV出線速斷保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)搖纜，判斷為1102站至1103站電纜三相接地。該段電纜型號(hào)為ZLQD22 3×240，于1989年投運(yùn)，以直埋形式鋪設(shè)，資產(chǎn)全長(zhǎng)620m。

通過(guò)對(duì)電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，三相電阻均為零。使用萬(wàn)用表測(cè)試相對(duì)地阻值，均為無(wú)窮大。自1102站進(jìn)行低壓脈沖測(cè)試，在約206m處產(chǎn)生終端反射；在1103站進(jìn)行低壓脈沖測(cè)試，在約404m處產(chǎn)生終端反射，低壓脈沖波形如圖10、圖11所示。通過(guò)與電纜資產(chǎn)全長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比，判斷該處電纜發(fā)生斷線故障。

圖10 1102站低壓脈沖波形

圖11 1103站低壓脈沖波形

對(duì)電纜施加15kV高壓脈沖，在206m處發(fā)現(xiàn)地面人行道磚向外掀起，并聽到明顯放電聲。周邊居民反映故障時(shí)地面自下部爆開。開挖后，地面下約1m處找到故障點(diǎn)，電纜本體發(fā)生故障，故障點(diǎn)絕緣油已基本流干，導(dǎo)致絕緣程度下降致三相短路，短路能量較大將地面掀起。同時(shí)，將線芯燒斷約10cm。故障位置線芯剖面如圖12所示。

圖12 故障位置線芯剖面

3 沖閃法故障測(cè)距案例

3.1 電纜中間接頭故障

2021年09月15日，某變電站10kV出線零序保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)搖纜，確定為線路聯(lián)絡(luò)電纜故障。該段電纜型號(hào)為YJLV22 3×240，資產(chǎn)全長(zhǎng)720m。

通過(guò)對(duì)電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，三相阻值分別為156MΩ、136MΩ、0.2MΩ，判斷為高阻故障。對(duì)故障相進(jìn)行低壓脈沖測(cè)試，可測(cè)得電纜全長(zhǎng)及三個(gè)中間接頭，與資產(chǎn)記錄相符，未發(fā)生斷線。高阻故障低壓脈沖波形如圖13所示。

圖13 高阻故障低壓脈沖波形

因接地位置絕緣電阻較高，低壓脈沖無(wú)法測(cè)得故障長(zhǎng)度。將故障測(cè)試儀改沖閃法接線，對(duì)故障相施加15kV高壓脈沖，故障點(diǎn)擊穿但放電情況不佳，無(wú)法獲得有效波形。繼續(xù)升壓至18kV，擊穿情況良好，獲取沖閃波形如圖14所示。

圖14 高阻故障沖閃波形

從圖14可看出，擊穿后第三個(gè)周期波形趨于穩(wěn)定。通過(guò)卡位，獲取故障距離321m，結(jié)合低壓脈沖波形，判斷為中間接頭發(fā)生故障。使用定點(diǎn)儀在325m處獲取聲磁同步信號(hào)，聽到明顯放電聲。開挖后，確定故障為熱縮型中間接頭進(jìn)水，自壓接管處沿絕緣表面爬弧至銅屏蔽放電，故障處主絕緣表面已發(fā)生炭化并燒穿，如圖15所示。

圖15 電纜中間接頭進(jìn)水爬弧

3.2 電纜舊傷故障

2021年09月22日，某變電站10kV出線零序保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)搖纜，確定為215站至6622站電纜故障。該段電纜型號(hào)為YJLV22 3×240，敷設(shè)于2003年，資產(chǎn)全長(zhǎng)320m。

通過(guò)對(duì)電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，三相阻值分別為43MΩ、68MΩ、0MΩ；萬(wàn)用表測(cè)試對(duì)地阻值均為無(wú)窮大，判斷為高阻故障。對(duì)電纜進(jìn)行低壓脈沖測(cè)試，獲得波形如圖16所示。

圖16 舊傷故障低壓脈沖波形

從圖16可看出，在42m處發(fā)現(xiàn)不明顯的短路反射波形；在333m處正確顯示電纜全長(zhǎng)，未發(fā)生斷線。使用沖閃法自215站對(duì)故障相施加15kV高壓脈沖進(jìn)行驗(yàn)證，獲得波形如圖17所示。

圖17 舊傷故障沖閃波形

圖17中，擊穿后第二個(gè)周期波形趨于穩(wěn)定，通過(guò)卡位，判斷故障點(diǎn)在近端約42m處，與低壓脈沖波形相符。使用路徑儀及定點(diǎn)儀，在該處獲取聲磁同步信號(hào)。故障點(diǎn)處因地鐵導(dǎo)行路施工，由綠地變?yōu)榘赜吐访?，開挖后，發(fā)現(xiàn)電纜本體上方破洞，解剖發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)大量存水，判斷為施工將電纜外皮及絕緣碰壞，導(dǎo)致進(jìn)水腐蝕至線芯，運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生故障，故障位置如圖18所示。

圖18 舊傷電纜故障位置

4 二次脈沖法故障測(cè)距案例

4.1 電纜老舊故障

2021年05月13日，某變電站10kV出線零序保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)搖纜，確定為聯(lián)絡(luò)電纜故障。該電纜型號(hào)為AL 3×240，敷設(shè)于1992年，資產(chǎn)全長(zhǎng)312m。

通過(guò)對(duì)電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，三相阻值分別為97MΩ、112MΩ、0.1MΩ，判斷為高阻故障。對(duì)電纜進(jìn)行低壓脈沖測(cè)試，正確獲取全長(zhǎng)，未發(fā)生斷線。通過(guò)延弧器施加20kV高壓脈沖，獲得二次脈沖波形如圖19所示。

圖19 老舊電纜二次脈沖波形

從圖19可看出，擊穿前后低壓脈沖波形于73m處發(fā)生分離，電弧將故障點(diǎn)由高阻故障短時(shí)轉(zhuǎn)化為低阻故障。將試驗(yàn)儀改接沖閃法進(jìn)行驗(yàn)證，施加16kV高壓脈沖，獲得波形如圖20所示。

圖20 老舊電纜沖閃波形

由圖20可見，沖閃法在第三個(gè)周期獲取穩(wěn)定放電曲線，卡位于73m，驗(yàn)證了二次脈沖法測(cè)距數(shù)值。使用定點(diǎn)儀，在該處聽到放電聲。開挖后，發(fā)現(xiàn)電纜本體位于人行道樹下，由于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，已被樹根包裹并擠壞。故障點(diǎn)不可視且無(wú)法取出，自兩側(cè)切除后通過(guò)對(duì)接進(jìn)行修復(fù)。

4.2 電纜中間接頭故障

2021年10月10日，某變電站10kV出線過(guò)電流I段保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)搖纜，確定為1783站至737站電纜故障。該段電纜型號(hào)為YJLV22 3×240，雙纜敷設(shè)，資產(chǎn)全長(zhǎng)800m。

將電纜兩側(cè)挑開，選出故障電纜；通過(guò)對(duì)電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，三相阻值分別為16M◆、0M◆、102M◆；使用萬(wàn)能表測(cè)試對(duì)地阻值均為無(wú)窮大，判斷為高阻故障。通過(guò)低壓脈沖測(cè)試成功獲取三個(gè)中間接頭及電纜全長(zhǎng)，通過(guò)延弧器施加20kV高壓脈沖，二次脈沖波形全程重合，未激發(fā)電弧。重新升壓至23kV，燃弧成功，獲取二次脈沖波形如圖21所示。

圖21 中間接頭故障二次脈沖波形

圖21中，擊穿前、后脈沖波形于331m處分離。同時(shí)，也可看出797m處終端反射，與全長(zhǎng)相符。將試驗(yàn)儀改接沖閃法進(jìn)行驗(yàn)證，升壓至18kV，獲取沖閃波形如圖22所示。

圖22 中間接頭故障沖閃波形

沖閃法于第四個(gè)周期獲取穩(wěn)定波形，卡位于311m。使用定點(diǎn)儀自310m處開始測(cè)尋，于330m處發(fā)現(xiàn)聲磁同步信號(hào)，通過(guò)與低壓脈沖波形比對(duì)，此處為一中間接頭。將故障處開挖并解剖后，發(fā)現(xiàn)接頭半導(dǎo)電斷口處因工藝不良發(fā)生擊穿，如圖23所示。

圖23 中間接頭故障位置

5 結(jié)論

電纜故障后，準(zhǔn)確對(duì)放電位置進(jìn)行測(cè)距及定位是故障查找的關(guān)鍵。本文通過(guò)對(duì)低壓脈沖法、沖閃法、二次脈沖法典型波形的分析，對(duì)多種故障定位方式進(jìn)行了討論。

1）低壓脈沖法主要用于故障電纜初步判研，可通過(guò)反射波形確定中間接頭、低阻故障及電纜終端位置。低壓脈沖法接線最為簡(jiǎn)單，無(wú)需升壓設(shè)備及外部電源即可完成。

2）沖閃法主要用于電纜高阻故障測(cè)距。通過(guò)高壓脈沖將故障點(diǎn)擊穿形成反射波形，可以采用較為簡(jiǎn)單的接線方式獲取故障點(diǎn)粗測(cè)距離，是最為常用的故障查找方法之一。

3）二次脈沖法克服了沖閃法波形分析難度大的缺點(diǎn)，僅需觀察擊穿前后脈沖波形分離位置即可。但延弧器接線較為復(fù)雜，且存在一定壓降，測(cè)距后需要改接為沖閃法進(jìn)行定點(diǎn)。

在實(shí)際的故障查找工作中，通常采用多種方式進(jìn)行交叉驗(yàn)證，以提升效率。同時(shí)，配合電纜路徑儀、聲磁同步定點(diǎn)儀，最終找出放電精確位置。

本文編自2022年第2期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“10kV電纜故障測(cè)距及定位典型案例分析”，作者為陶宇航、張熹 等。