对110kV电力电缆故障分析

摘要: 随着城市建设的高速发展，电力电缆在各行各业都得到广泛的应用，但其故障率也逐年增加。文中以 110 kV XLPE ( 交联聚乙烯) 海底电缆故障及其修复过程为例，从电缆故障定位的基本原理出发，介绍利用回波法、二次脉冲法等方法检测电缆故障的全过程，分析故障定位过程中出现的问题，并通过现场试验进行了验证，证明了推论的准确性。

关键词: 电缆故障; 回波法; 二次脉冲法; 故障定位

中图分类号： TM247 文献标识码： A 文章编号：

1 概 述

电力电缆出现故障后，其预定位方法通常有阻抗法和行波法两大类。阻抗法: 通过测量电缆端部到故障点之间的阻抗值后，再利用平衡电桥原理进行预定位。行波法: 通过测量电缆端部到故障点往返 1 次所需时间，然后利用行波在电缆中传播时间转换计算到故障的大致位置。

行波法包括低压脉冲反射法 ( 也称为回波法) 、高压脉冲电流法 ( 包括直闪法和冲闪法) 、高压脉冲电压法 ( 包括直闪法和冲闪法) 和二次脉冲法。其中，低压脉冲反射法适用于低阻故障和断线故障，并可测试电缆的全长和行波在电缆中的传播速度。而后 3 种方法则适用于高阻故障。

电缆中的脉冲传播与反射定位原理如图 1 所示，电缆开路故障为正反射，短路故障为负反射，中间接头为振荡波形。

图 1 电缆中的脉冲传播与反射基本原理

低压脉冲法通过利用脉冲发生器发射低压脉冲，脉冲沿电缆传播到特性阻抗不匹配点 ( 如断线点、短路点、终端点等) 后发生反射，反射波形返回到测试端后，通过脉冲发生器给出的反射波形得到电缆本体状态〔1-5〕。

二次脉冲法的原理是: 首先通过高压发生器向发生了高阻故障的电缆施加高电压脉冲，故障点击穿形成对地通道后呈现低阻特性，此时再向故障电缆中注入一个低压脉冲信号，此信号为带电弧的脉冲反射波形; 电弧熄灭后，再注入一个低压脉冲信号，此信号为无电弧的脉冲反射波形。将 2 个波形进行比较，2 个波形的分歧点就是故障点的反射波形点〔6-8〕。

2 故障情况

某 110 kV 输电线路发生单相接地故障，该线路为架空、电缆混合线路，电缆线路为过江通道，长约 6. 5 km，沿东西方向敷设，电缆部分概况如图 2 所示。过湖电缆线路采用了 2 种敷设方式，在距东岸大堤 68 m 处设中间接头井，从东岸电缆终端塔至中间接头井采用单芯陆地电缆，从东岸中间接头井至西岸终端塔采用三芯海底电缆。陆地电缆采用 LL－YJLW02－500 单芯电缆，三相电缆 “品”字型敷设，电缆路径长度为 572 m，单根电缆 600m。海底电缆为 XLPE－400 型三芯电缆，水下深埋敷设，其中主航道埋设深度 2 m 以上，浅滩段埋深为 1. 5 m，S 型敷设。

图 2 电缆部分概况图

西岸电缆终端头、海缆与陆缆连接的中间接头均采用电缆护套直接接地; 东岸电缆终端头采用经保护器接地的形式，用电缆护套经保护器接地箱接地; 接地箱与电缆金属护套、接地网之间采用同轴接地电缆连接，东岸终端塔接地网和中间接头接地网间，通过沿电缆沟明敷的扁钢连接，扁钢兼作回流线，设计接地网的接地电阻不大于 2 Ω。

3 故障检测

3. 1 故障相判别

测量时，首先用摇表测试电缆各相主绝缘和金属外护层绝缘电阻值，结果显示: A，C 相绝缘电阻值正常，B 相绝缘电阻值为 0 MΩ; A 相海底电缆铅护套电阻值正常，B，C 相为 0 MΩ; A，B，C三相陆地电缆铅护套电阻值均正常。对三相进行直流泄漏试验，结果显示: B 相 4 kV 时泄漏电流为 2mA，折算绝缘电阻 2 MΩ，其余两相正常。根据测量情况判断 B 相电缆发生高阻接地故障，故障电缆为海缆段。

3. 2 电缆全长测量

考虑到电缆全长已知，假设电缆末端故障，采用回波法和二次脉冲法模拟电缆故障时测量其长度，对非故障相 ( C 相) 测距如图3 所示，采用回波法测得电缆全长与二次脉冲法测得电缆未端模拟故障点完全吻合，均为 6 508 m。对比前文已知电缆长度为 6. 5 km，可得测试结果正确，测试仪器正常。

图 3 测量电缆全长波形图

3. 3 故障点定位

为实现对电缆故障点位置的精确定点，分别在电缆两端用回波法和二次脉冲法对故障点进行定位。鉴于电缆故障位置的绝缘电阻较大，每次定位前先用大电流对故障相电缆烧灼，以降低电缆导体对地的绝缘电阻。

在电缆西端用回波法和二次脉冲法对电缆故障点定位，波形如图 4 所示，回波法与二次脉冲法测得电缆故障点波形完全吻合，故障点定位均为距西端 4 719 m。

图 4 在电缆西端定位电缆故障点波形图

在电缆东端用回波法和二次脉冲法对电缆故障点定位，波形如图 5 所示，回波法与二次脉冲法测得电缆故障点波形完全吻合，故障点定位均为距东端 1 767 m。

图 5 在电缆东端定位电缆故障点波形图

综合 2 次测量所得故障点距电缆两端距离，可以得到电缆全长为 4 719+1 767 =6 486 m，与已知的电缆全长 6. 5 km 误差仅为 0. 22%，由此可知 2次故障定位非常准确，电缆故障点的大致位置为距东端 1 767 m 处。考虑到东端陆缆长 600 m，可得电缆距电缆中间接头约 1 167 m。通过对比图 2 可知，电缆故障点位于湖中。

4 故障点性质分析

根据图 1 可知，脉冲在电缆中传播时，对于开路、短路和中间接头的反射波形分别为正反射、负反射和振荡波形。在电缆西端对故障点定位时，测得反射波形属于有振荡的负反射波形，如图 4 所示。电缆在故障点处阻抗发生了变化，存在负反射，说明该处电缆线芯未断开，但是主绝缘已破损，电缆存在接地故障。而在电缆东端对故障点定位时，测得反射波形属于正反射，如图 4 所示，根据对比图 1 可知，正反射表示该故障点处电缆线芯已断，属于断线故障。

根据图 1，4，5 可知，故障点初始情况为高阻故障，之后的测量过程中为降低故障点接地电阻值，提高测量精度，在故障点定位过程中多次通过大电流灼烧，由于短路电流较大，故障点发热严重，电缆线芯烧断。故障定位过程中，通过高压发生器向发生了高阻故障的电缆施加高压脉冲，高压脉冲对地放电，根据前文测试结果可知电缆故障点位于水下，故故障点处线芯已于外界通过水形成通道，放电瞬时产生的热使得故障点处水分蒸发，形成气态绝缘层，此时随之而来的低压脉冲无法形成击穿气态绝缘层形成电弧，加上电缆线芯已断，故其反射波形为正反射。

为验证推论的准确性，将测量电缆模拟故障情况，将测试电缆一端开路直接置于水中，采用回波法和二次脉冲法分别测量波形，该测试结果如图 6所示。对比图 5，6 可知，两者均为正反射波形，从而验证了之前的推论的合理性。

图 6 回波法和二次脉冲法模拟电缆水中开路故障

如图 7 所示，该故障点电缆主绝缘已经烧穿，电缆线芯已烧断，电缆故障情况与之前的推论相吻合。

图 7 电缆故障点照片

5 结 论

5. 1 电缆故障点定位基本过程为先判断故障相，然后根据测试结果判断故障类型，再根据故障类型选择合适的故障点定位方法。故障定位过程中，考虑到外界干扰因素较多，在条件允许的条件下，要采用多种方法对测试结果进行核实，可以两端分别核实，以提高测量准确性。

5. 2 海底电缆水下部分故障，如果电缆线芯未断，电缆发生接地故障时，采用回波法和二次脉冲法测量所得波形与陆地电缆相同，为有振荡的负反射波形; 当电缆线芯断裂，电缆发生接地故障时，回波法和二次脉冲法测量所得波形为末端开路的正反射波形。

参 考 文 献

〔1〕袁翔 . 电力电缆故障测试方法和定位研究 〔J〕. 广东科技，2011，19 ( 22) : 84-87.

〔2〕鹿洪刚，覃剑，陈祥训，等 . 电力电缆故障测距综述 〔J〕.电网技术，2010，28 ( 20) : 58-63.

〔3〕赵荣昌 . 查找电力电缆故障的方法和体会 〔J〕. 广东输电与变电技术，2009 ( 2) : 30-32.