李文泉

(國(guó)網(wǎng)泉州供電公司，福建 泉州 362000)

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，架空輸電線路纜化入地成為城市電網(wǎng)發(fā)展的主流選擇[1-2]。在高壓XLPE電纜生產(chǎn)、運(yùn)輸、敷設(shè)、試驗(yàn)和運(yùn)行過(guò)程中，因各種原因?qū)е码娎|主絕緣產(chǎn)生各類顯性或隱性的隱患或缺陷，并最終導(dǎo)致故障而產(chǎn)生跳閘事件。

電纜故障產(chǎn)生后，如何進(jìn)行快速進(jìn)行故障性質(zhì)判斷與測(cè)距定位成為電纜運(yùn)檢部門(mén)的首要工作。因每年產(chǎn)生的故障跳閘事件較少，生產(chǎn)部門(mén)人員經(jīng)驗(yàn)欠缺，無(wú)法快速對(duì)故障進(jìn)行診斷分析，不利于故障快速消缺與恢復(fù)送電工作，影響電網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文總結(jié)常見(jiàn)單芯XLPE電纜主絕緣故障原因，分析電纜故障模型和性質(zhì)，提出電纜故障性質(zhì)診斷與測(cè)距的流程，研究常見(jiàn)故障波形圖特征與故障點(diǎn)光標(biāo)定位方法。

2 電纜故障原因分析

電力電纜產(chǎn)生故障的原因是多種多樣的，常見(jiàn)故障原因可分為外力破壞、附件質(zhì)量、敷設(shè)質(zhì)量和本體質(zhì)量。

(1)外力破壞

外力破壞是電纜運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障的主要原因，具體表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：

一是市政工程建設(shè)過(guò)程中，施工單位在未經(jīng)全面勘測(cè)和與相關(guān)管線單位溝通的基礎(chǔ)上盲目施工，大型機(jī)械破路開(kāi)挖，造成電纜外護(hù)套損傷或者直接傷及電纜線芯造成故障跳閘。

二是電纜淺埋段長(zhǎng)期受到車輛、重物沖擊，造成電纜土建設(shè)施下沉、電纜護(hù)套開(kāi)裂、本體拉傷斷裂。

(2)附件質(zhì)量

附件制作質(zhì)量不良是電纜故障的次要原因，具體表現(xiàn)為：

①終端頭、中間接頭制作過(guò)程中，未嚴(yán)格遵守規(guī)程中關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度和清潔度的規(guī)定，未采取保證現(xiàn)場(chǎng)溫濕度合格的相關(guān)措施。

②附件制作人員未嚴(yán)格按照附件裝配圖紙和施工工藝流程進(jìn)行施工，導(dǎo)致尺寸偏差過(guò)大、制作工藝不良。

③附件帶材使用錯(cuò)誤，絕緣材料與半導(dǎo)電材料混用，導(dǎo)致電場(chǎng)分布產(chǎn)生畸變。

④附件密封工藝不良，有潮氣水分進(jìn)入，水樹(shù)枝導(dǎo)致絕緣受損進(jìn)而產(chǎn)生局部放電。

(3)敷設(shè)質(zhì)量

敷設(shè)施工質(zhì)量不良也是電纜發(fā)生故障的原因之一，具體表現(xiàn)為：

①施工單位未按照施工方案和相關(guān)規(guī)程要求施工。

②牽引機(jī)械布置間距過(guò)大、轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小等原因，導(dǎo)致?tīng)恳^(guò)大，超過(guò)規(guī)定限值導(dǎo)致電纜護(hù)套機(jī)械損傷。

③長(zhǎng)電纜線路，電纜分段不均勻，交叉互聯(lián)箱接線錯(cuò)誤，導(dǎo)致電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓超過(guò)規(guī)程規(guī)定，電纜接地電流過(guò)大導(dǎo)致電纜發(fā)熱嚴(yán)重，最終導(dǎo)致電纜故障。

(4)本體質(zhì)量

因本體原因引發(fā)的電纜故障概率較低，具體表現(xiàn)為：

①電纜制造工藝不良，線芯絞合不緊密，或?qū)w屏蔽層、主絕緣層、絕緣屏蔽層三層共擠工藝不良，導(dǎo)致電纜各層存在氣隙，引發(fā)局部放電導(dǎo)致電纜故障。

②電纜絕緣老化，運(yùn)行年限較久的電纜，因絕緣層長(zhǎng)期運(yùn)行在高電壓高場(chǎng)強(qiáng)工況下，導(dǎo)致絕緣性能下降[3]。

3 電纜故障性質(zhì)分類

電纜故障可用一個(gè)等效電路來(lái)表示，如圖1所示。其中，表示故障點(diǎn)的絕緣電阻，表示電纜分布電容。為了表示故障點(diǎn)擊穿電壓情況，用一個(gè)放電間隙表示。

電纜故障可用一個(gè)RC等效電路來(lái)表示，如圖1所示。其中，R表示故障點(diǎn)的絕緣電阻，C表示電纜分布電容。為了表示故障點(diǎn)擊穿電壓情況，用一個(gè)放電間隙G表示。

圖1 電纜故障等效電路

(1)開(kāi)路故障

開(kāi)路故障是指電纜線芯或金屬護(hù)套發(fā)生開(kāi)斷的故障。開(kāi)路故障發(fā)生的概率極低，一般伴隨有電纜的接地故障。

(2)低阻(短路)故障

低阻(短路)故障是指芯線對(duì)地或線芯之間的絕緣電阻小于幾百歐姆的故障，一般小于10倍電纜波阻抗Z0。

(3)泄漏性高阻故障

泄漏性高阻故障是指芯線對(duì)地或線芯之間的絕緣電阻大于幾百歐姆的故障，一般大于10倍電纜波阻抗Z0。

(4)閃絡(luò)性高阻故障

閃絡(luò)性高阻故障是指電纜線芯對(duì)地或線芯之間的絕緣電阻值極高，但進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，電纜絕緣被擊穿，而當(dāng)電壓下降后，絕緣恢復(fù)的故障。

4 電纜故障性質(zhì)診斷與測(cè)距

當(dāng)電纜運(yùn)檢部門(mén)接到電纜故障信息后，如果是電纜終端或中間接頭的開(kāi)放性故障，一般通過(guò)對(duì)電纜全長(zhǎng)進(jìn)行故障特巡即可發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。如果電纜是封閉性故障，此時(shí)需要進(jìn)行故障測(cè)距。正常情況下，可以按照?qǐng)D2所示流程進(jìn)行。

圖2 電纜故障測(cè)距流程

4.1 發(fā)現(xiàn)故障

電纜發(fā)生故障跳閘后，電纜運(yùn)檢部門(mén)將收到調(diào)度部門(mén)發(fā)送的故障測(cè)距信息，包含有故障具體時(shí)間、變電站線路距離保護(hù)動(dòng)作情況、重合閘動(dòng)作情況、故障測(cè)距長(zhǎng)度、故障相別、故障相一次電流等信息。

一般地，對(duì)于混纜線路，當(dāng)重合閘不成功時(shí)，即可判定為電纜故障。對(duì)于變電站距離保護(hù)測(cè)得的故障距離僅是一個(gè)大概值，用于指導(dǎo)電纜運(yùn)檢部門(mén)初步定位故障點(diǎn)。

4.2 準(zhǔn)備儀器工具

確認(rèn)電纜發(fā)生故障后，需要進(jìn)行儀器儀表和工器具的準(zhǔn)備。

(1)試驗(yàn)儀器儀表

①電力電纜故障測(cè)距儀：電纜故障測(cè)距的主要儀器，用于故障波形的采集、顯示與分析。

②電纜測(cè)試高壓發(fā)生器(含電容器)：針對(duì)高阻故障和閃絡(luò)故障，通過(guò)電容器儲(chǔ)能，再通過(guò)放電間隙放電，使故障點(diǎn)擊穿發(fā)出故障電流行波。

③二次脈沖信號(hào)耦合器：二次脈沖法中用于保持故障點(diǎn)電弧狀態(tài)的儀器。

④絕緣電阻測(cè)試儀：測(cè)量電纜絕緣電阻，用于輔助判斷電纜完好、斷線、泄漏性高阻和閃絡(luò)性故障。

⑤絕緣電阻測(cè)試儀：測(cè)量電纜直流電阻值，用于輔助判斷電纜連續(xù)性、短路和低阻故障。

(2)安全工器具

①驗(yàn)電器：用于判斷電纜是否帶電/停電。

②工頻信號(hào)發(fā)生器：模擬帶電信號(hào)以判斷驗(yàn)電器是否正常工作。

③接地線：高壓試驗(yàn)時(shí)，非測(cè)試相應(yīng)保持接地狀態(tài)，以防止感應(yīng)電傷人。

④放電棒：高壓試驗(yàn)前后，對(duì)電纜進(jìn)行充分放電，防止電纜積累空間電荷。

⑤絕緣墊：操作高壓儀器時(shí)，操作人員應(yīng)站立于絕緣墊上，確保人身安全。

4.3 布置安全措施

電纜故障測(cè)試時(shí)應(yīng)使用安全圍欄、圍網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行隔離，確保與過(guò)往人員、車輛保持足夠的安全距離。在測(cè)試入口處，懸掛“從此進(jìn)入”標(biāo)志牌，限定工作人員出入口；在圍欄中部向外懸掛“高壓危險(xiǎn)”標(biāo)志牌，提醒過(guò)往人員保持距離；在被測(cè)電纜上懸掛“在此工作”標(biāo)志牌，確定工作范圍。故障測(cè)試前，兩側(cè)電纜終端均應(yīng)裝設(shè)接地線，同時(shí)應(yīng)設(shè)專人監(jiān)護(hù)。

4.4 故障性質(zhì)診斷

(1)核相試驗(yàn)

為了防止在測(cè)試過(guò)程中，首末端相序不一致導(dǎo)致誤判，或是升壓過(guò)程中誤接線，產(chǎn)生觸電危險(xiǎn)，故需要進(jìn)行核相試驗(yàn)。利用萬(wàn)用表，在一側(cè)終端處測(cè)量相對(duì)地直流電阻值，另一側(cè)利用試驗(yàn)短接線對(duì)地導(dǎo)通/斷開(kāi)，對(duì)比萬(wàn)用表讀數(shù)，可判斷出三相相序。在核相過(guò)程中，通過(guò)讀數(shù)也可初步判斷電纜低阻故障情況。

(2)導(dǎo)通試驗(yàn)

導(dǎo)通試驗(yàn)用于判斷電纜是否存在斷線故障，將電纜末端三相短接不接地，在電纜首端測(cè)量AB、BC、CA相間直流電阻值。

①當(dāng)相間直流電阻值為正常值時(shí)(一般在幾歐之內(nèi))，三相不存在斷線(開(kāi)路故障)。

②當(dāng)相間直流電阻值存在兩次無(wú)窮大值時(shí)，說(shuō)明存在單相斷線(開(kāi)路故障)。

③當(dāng)相間直流電阻值存在三次無(wú)窮大值時(shí)，說(shuō)明存在兩相斷線(開(kāi)路故障)。

(3)絕緣電阻測(cè)試

利用絕緣電阻測(cè)試儀分別測(cè)量相對(duì)地、相間絕緣電阻，用于判斷是否為完好相、泄漏性高阻、閃絡(luò)性高阻故障或相間短路故障(一般情況下，單芯輸電電纜不會(huì)發(fā)生相間短路故障)。

①當(dāng)絕緣電阻值在幾或幾時(shí)，一般可判定為泄漏性高阻故障。

②當(dāng)絕緣電阻值在幾百或幾時(shí)或更大值時(shí)，一般可判定為完好相或閃絡(luò)性高阻故障。通過(guò)直流加壓試驗(yàn)，觀察電壓表指針是否周期性擺動(dòng)，可判定為閃絡(luò)性高阻故障，否則為完好相。

(4)直流電阻測(cè)試

當(dāng)絕緣電阻測(cè)試中，示數(shù)為0時(shí)，需要利用萬(wàn)用表進(jìn)一步判斷電纜故障性質(zhì)，此時(shí)萬(wàn)用表讀數(shù)即為電纜低阻故障值或短路故障值。

綜上，通過(guò)以上步驟，即可判斷出電纜開(kāi)路故障、低阻(短路)故障、泄漏性高阻故障和閃絡(luò)性高阻故障性質(zhì)。

4.5 電纜全長(zhǎng)測(cè)量

電纜故障性質(zhì)判斷完畢后，需要進(jìn)行電纜全長(zhǎng)測(cè)量，以便為標(biāo)定電纜故障距離限定一個(gè)范圍，防止故障距離誤判。

選擇電纜完好相，通過(guò)電力電纜故障測(cè)距儀低壓脈沖法，發(fā)送一個(gè)低壓脈沖，初始極性為正極性，到達(dá)電纜末端時(shí)，脈沖產(chǎn)生全反射，到達(dá)儀器后采集到電壓波，全長(zhǎng)距離l為波速度v與脈沖波形往返一次時(shí)間Δt乘積的1/2[4]。

圖3 電纜全長(zhǎng)波形

假設(shè)線路波阻抗為Z0，故障點(diǎn)等效阻抗為Zg，則電壓反射系數(shù)為：

對(duì)于開(kāi)斷故障(完好相末端視為開(kāi)路)，Zg>>Z0，此時(shí)ku=1，因此入射波與反射波極性相同。

4.6 故障距離測(cè)量

(1)斷線故障測(cè)距

斷線故障測(cè)距方法與全長(zhǎng)測(cè)量方法一致，采用低壓脈沖法，將實(shí)光標(biāo)定位于最左側(cè)，虛光標(biāo)定位于首個(gè)同極性反射脈沖上升沿拐點(diǎn)處即為斷線故障處距離。

圖4 斷線故障波形

(2)低阻(短路)故障測(cè)距

對(duì)于低阻(短路)故障，最簡(jiǎn)便的方法是采用低壓脈沖法進(jìn)行測(cè)距。此時(shí)，故障點(diǎn)等效阻抗為Zg=0，此時(shí)電壓反射系數(shù)ku=-1，因此，入射波與反射波極性相反。

圖5 低阻(短路)故障波形

(3)高阻故障測(cè)距

對(duì)于高阻故障(泄漏性或閃絡(luò)性)，均可采用脈沖電流法或二次脈沖法進(jìn)行測(cè)距。

當(dāng)采用脈沖電流法(直閃法或沖閃法)時(shí)，由電纜測(cè)試高壓發(fā)生器對(duì)故障點(diǎn)施加電壓，故障點(diǎn)到達(dá)電壓臨界點(diǎn)后擊穿(直閃法)，或通過(guò)儲(chǔ)能電容器對(duì)故障點(diǎn)泄放能量后故障點(diǎn)擊穿(沖閃法)。故障點(diǎn)擊穿后產(chǎn)生電流行波，初始極性為負(fù)極性，在接地線處被線性電流耦合器采集到故障波形[5]。

假設(shè)線路波阻抗為Z0，故障點(diǎn)等效阻抗為Zg，入射電壓為Ui，反射電壓為Uo，則電流反射系數(shù)為：

由上式可見(jiàn)，故障點(diǎn)的電流反射系數(shù)與電壓反射系數(shù)大小相等，符號(hào)相反。對(duì)于高阻故障，故障點(diǎn)放電脈沖與反射脈沖極性相同，均為負(fù)極性，如圖6、圖7所示。圖中，第一個(gè)負(fù)脈沖為放電脈沖，第二個(gè)負(fù)脈沖為反射脈沖，隨著時(shí)間推移，脈沖多次反射，能量損耗直至幅值歸零。

圖6 泄漏性高阻故障波形(脈沖電流法)

圖7 閃絡(luò)性高阻故障波形(脈沖電流法)

圖中將實(shí)線標(biāo)定至第一個(gè)反射脈沖的起始點(diǎn)，虛線標(biāo)定至第一個(gè)反射脈沖末端與一小正脈沖的拐點(diǎn)處，即為故障點(diǎn)距離值。正脈沖的產(chǎn)生是由于儲(chǔ)能電容器與測(cè)試用導(dǎo)線存在的雜散電感引起。

當(dāng)采用二次脈沖法進(jìn)行高阻故障測(cè)距時(shí)，由儲(chǔ)能電容器向故障點(diǎn)泄放能量，故障點(diǎn)擊穿。在擊穿瞬間，利用延弧器使故障點(diǎn)保持電弧狀態(tài)，此時(shí)故障點(diǎn)等效于短路狀態(tài)，由儀器發(fā)射一個(gè)低壓脈沖波形，得到一個(gè)等同于低阻故障的波形。然后，電弧熄滅后，儀器再發(fā)送一個(gè)低壓脈沖，此時(shí)電纜等同于完好狀態(tài)，得到一個(gè)無(wú)故障波形。兩個(gè)波形相比較，在負(fù)極性波形與完好波形的差異點(diǎn)處，即得到電纜故障點(diǎn)的距離值。如圖8、圖9所示，虛線標(biāo)定處即為故障點(diǎn)距離。

圖8 泄漏性高阻故障波形(二次脈沖法)

圖9 閃絡(luò)性高阻故障波形(二次脈沖法)

4.7 結(jié)束工作

測(cè)得故障點(diǎn)距離后，應(yīng)恢復(fù)設(shè)備接線狀態(tài)，拆除接地線，撤除安全圍欄，確保終端塔上工作人員已撤離，桿塔上無(wú)遺留物，才可宣布故障測(cè)距工作結(jié)束。

5 總結(jié)

(1)高壓XLPE輸電電纜主絕緣故障的主要原因根據(jù)占比由大到小分別是外力破壞、附件質(zhì)量、敷設(shè)質(zhì)量和本體質(zhì)量，對(duì)電纜運(yùn)檢人員確保電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行指明了工作重點(diǎn)和方向。

(2)高壓XLPE輸電電纜主絕緣故障根據(jù)線芯狀態(tài)和絕緣電阻值大小可分為開(kāi)路故障、低阻(短路)故障、泄漏性高阻故障和閃絡(luò)性高阻故障，故障的多樣性給故障性質(zhì)診斷帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。

(3)高壓XLPE輸電電纜主絕緣故障測(cè)距應(yīng)根據(jù)故障性質(zhì)合理選擇測(cè)距方法，有效區(qū)分低壓脈沖法的電壓行波與脈沖電流法的電流行波是故障測(cè)距波形標(biāo)定的關(guān)鍵。