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电力电缆故障定位方法分析

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：崔勇沐欣欣钟成蛟

[导读] 摘要：随着电力电缆投运数量的增多，开展故障定位技术研究是必然发展的趋势。本文从电缆故障的性质和原因出发，通过深入研究电力电缆故障定位技术应用的技术条件及故障检测系统的整体构成，分析了多种电缆故障定位方法，探讨了该故障检测系统的优势及其实用性。

        (云南电网公司玉溪供电局云南玉溪 653100)
        摘要：随着电力电缆投运数量的增多，开展故障定位技术研究是必然发展的趋势。本文从电缆故障的性质和原因出发，通过深入研究电力电缆故障定位技术应用的技术条件及故障检测系统的整体构成，分析了多种电缆故障定位方法，探讨了该故障检测系统的优势及其实用性。
        关键词：电力电缆；故障；定位
        目前，电力电缆以其安全、可靠、隐蔽性好等优点在城市电网中得到了越来越广泛的应用。但是，由于电缆多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难。如何准确、迅速、经济地查寻电缆故障，并加以排除，迅速恢复供电，减少停电时间，降低因停电造成的损失便成了供电部门日益关注的问题。长期以来，人们在实践中总结了许多查寻方法，特别是随着新的技术的应用，一些新的测试方法也不断被提出。
        1、电缆故障性质及其原因
        电缆故障性质判断和故障原因分析对快速地判定出故障点是十分重要的。根据目前的故障测试技术与故障点电阻值大小，电缆故障可以分为开路故障、低阻故障、高阻故障、闪络故障及外护套故障等。
        电缆故障的原因有：机械损伤，它占电缆事故很大的比例，主要由于安装时损伤、外力破坏等；绝缘受潮，是由于护套有穿孔、终端盒密封及电缆制造不良；绝缘老化，电缆过负荷运行产生电缆过热是其重要的因素；过电压、材料缺陷以及人为的制作工艺不良也是电缆故障重要原因。
        2、电缆故障定位方法
        截止目前位置，电力电缆故障定位方法主要以离线法为主。离线定位法一般将预定位以及精确定位结合在一起，其中预定位法判断故障所属大致位置，以阻抗法和行波法为主。在阻抗法故障定位中，主要采用是平衡电桥原理。行波法则包含多种定位方法，主要包含脉冲电流法、二次脉冲法、低压脉冲法等多种方法。预定位粗略判断出故障大致位置，然后利用精确定位进行进一步的判断。精确定位法主要包括声测法以及声磁同步法。
        2.1 阻抗法
        使用阻抗法进行故障定位的前提是线路参数已知，并且测量点与故障点之间的阻抗可以测量或计算，并且电缆线路的参数必须均匀分布。在此前提下，故障距离的确定可以通过特定的方程计算而出。
        电桥法是阻抗法的一种，在电缆故障定位技术发展初期应用最多的即是电桥法。采用电桥法进行故障定位时，忽略电缆线路的分布参数影响将电缆当作集中参数进行处理，因此在相同时刻下，电缆任何一点的电流大小相等，且不存在相位偏差，电缆的本体电阻与电缆长度呈正比关系。进行故障定位前，应将故障相一端与非故障相一端相连，电桥两臂分别接在故障相与非故障相的另一端，然后调节电桥上的变阻器使得电桥平衡，电桥平衡时电流计指针为0。电桥平衡后利用简单分压关系和已知电缆长度即可求出故障点与观测点的距离。对于低阻类型电缆击穿，一般用低压电桥，而对于断线击穿，则采用电容电桥。电桥法测量结果准确，但需要完好的非故障相作为测量回路，此外，试验电压不能过高。电桥法故障定位原理简单，测量精度较高，但只适用几种特定类型的故障，对于高阻故障，电桥法失效。由于施加电压较低，在高阻故障下，电桥中流过的电流很小，对电流计的测量精度提出了很高的要求，当精度不够时则容易造成定位不准。此外，使用电桥法需要提前获知电缆的详细参数，这对于工程实践来说往往具有较高的难度，因此随着新技术的不断发展，电桥法逐渐在电缆故障诊断中淡出了舞台。

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        2.2 行波法
        行波定位法在架空线路故障诊断中应用广泛，定位精度高，且响应及时，可以快速定位故障点。行波法在电缆中的应用首先是以低压脉冲法出现的，该方法基于电磁脉冲折返射原理，当人为向故障电缆中注入高频电流脉冲时，前行的电流脉冲在遇到故障点时会产生反射，通过记录起始脉冲与反射脉冲的时间差，并利用单端行波定位即可实现故障点的精确定位。最新的低压脉冲法已不需要监测记录的波形主波与反射波来判断时间差，而是通过仪器自动计算，大幅提升了诊断效率，但这种方法也存在着缺陷与不足，如脉冲电压幅值较低，当遇到高阻故障时，反射波微弱以至于无法识别。
        脉冲电流法弥补了低压脉冲法难以定位高阻故障的缺陷。该方法需要对故障电缆施加高压，使得故障点发生击穿，产生脉冲电流，然后用高性能监测终端监测并提取故障行波信号，根据行波定位法即可确定故障点所在位置。这种方法大部分场合下可靠性较高，但也存在一定的盲区，且有时故障闪络波形复杂，加大了识别难度，严重时造成定位失败。在行波定位法的基础上，20 世纪90 年代衍生了一种被称作二次脉冲法的定位方法，该方法首先发送一个低压脉冲进行电缆长度的测量与校核，得到精确全长后，进一步发送一个高压脉冲使得故障点发生击穿，然后再发送一个低压测试脉冲，即可在被击穿的故障点处形成反射。该方法对于大多数类型电缆故障是适用的，安全性高且精度较为理想，缺点是故障点维持低阻状态时长无法确定，当电缆受潮严重，使得击穿时间增加时，则容易增大定位误差。
        2.3 声测法
        声测法是一种精确定位方法，其通过探听电缆故障点产生的声音进行精确定位，由于声波在介质或空气中传播时衰减极快，通过声音信号即可判定故障点是否在被测点附近。如果电缆敷设较浅或者护层已被破坏，对外会产生较为强烈的放电声音，无需借助外在仪器即可听到放电声音；反之，如果电缆护层未被烧穿，放电声音很小，则需要高精度的声音接收仪器，通过测量微弱振动信号并进行转换以及放大后才能变成可听声音。声测法仪器结构及原理简单，价格相对低廉，定位精度高，缺点是容易受噪音干扰，当现场环境噪声较大时可能无法利用该方法进行故障诊断。
        2.4 声磁同步法
        考虑到声测法容易受噪音干扰的特点，需要结合其他技术手段进行辅助定位。故障发生时，放电不仅产生机械波性质的声波，还产生电磁波，同步向周围空间辐射。由于电磁波传输速度远高于声速，因此仪器总是先检测到电磁波，然后才测到声波。在电缆故障点正上方时，测量到的电磁波与声波时差最小，通过这种方法判断电缆故障点的精确位置。由于磁场信号抗干扰能力强，因此声磁同步检测法比单一的声测法精度更高，也更加可靠，因此应用更加广泛。
        目前国外一些公司将计算机技术引入到电缆故障定位系统中，将电缆的运行管理、故障测试及地理信息系统GIS结合起来。在GIS中输入各电缆的资料信息，在故障测试时，将测试结果与GIS数据库相连，仪器所测的故障点位置自动在GIS系统中显示，GIS将通过全球定位系统GIS将故障点位置与实际位置对应起来实现故障自动定位，这种方法能大大缩短故障处理的时间，但是需要完善的基础资料和软硬件支持。结合GIS与GPS技术，对电缆故障自动定位及运行状态的监控是一种发展趋势。
        参考文献:
        [1]高云鹏,谭甜源,刘开培,阮江军.电缆接头温度反演及故障诊断研究[J].高电压技术,2016,42(02):535-542.
        [2]袁燕岭,周灏,董杰,史筱川,穆勇,唐泽洋,周承科.高压电力电缆护层电流在线监测及故障诊断技术[J].高电压技术,2015,41(04):1194-1203.