电力电缆诊断检测技术综述

【摘要】：电力电缆能够长时间可靠运行于电力系统且其隐蔽耐用的特点利于美化城市，因此电缆供电在电力系统中得到了广泛的引用。但随着电缆运行年限的延长以及用户用电负荷的逐年增加，各种原因引起的电缆故障也越来越频繁。由于电缆线路铺设的隐蔽性及测试设备的局限性，一旦发生故障，寻找起来十分麻烦，往往需要花费大量时间以及人力物力。因此电缆状态监测及状态检修被学者提出并开始应用于电力电缆的运行维护中。

【关键词】：电力电缆；诊断；检测技术

1、电力电缆故障类型

1.1低阻接地或短路故障

电缆线路中其中一相导体对地或其中几相导体对地或不同相导体之间的绝缘电阻值小于正常值较多，即电阻值低于10Zc（Zc为电力电缆波阻抗），但是导体连续性良好。常见类型有单相接地故障、两相接地故障、两相短路接地故障、三相短路接地故障等。

1.2高阻接地或短路故障

与低电阻接地或短路故障相似，但区别在于接地或短路的电阻大于10Zc而相导体连接良好。常见类型有单相接地故障、两相接地故障、两相短路接地故障、三相短路接地故障等。

1.3开路故障

电力电缆不同相导体的绝缘电阻虽然符合规定，但是通过电缆的连续性试验证明其中一相或者其中数相导体不连续，或尽管还未断开但是工作电压不能传输到终端，或终端有电压存在但其负载能力较差。常见类型有单相断线故障、两相断线故障、三相断线故障。

1.4闪络故障

低电压运行时绝缘状态良好，但电压升高到一定值或在某一较高电压状态持续运行一段时间后，电缆出现瞬时击穿现象称为闪络故障。常见类型有单相闪络，两相闪络、三相闪络。

2、电力电缆诊断检测技术

2.1经典电桥法

经典电桥法用于电力电缆故障诊断和定位，其基本原理如图1所示。电力电缆终端故障相与非故障相短接，并将故障相和非故障相分别作为电桥电路的两个阻抗臂。如图1，电桥电路四个臂的阻抗分别为R1、R2、R3和R4，调节R2使电桥平衡，便有：

（1）

式中R1和R2的电阻值确切已知。

图1以经典电桥法诊断电力电缆故障原理示意

通常认为电缆阻抗与其长度成正比，设被监测电缆长度为L0，其近端与故障点间相距Lx，则有：

（2）

求解式（2），可得到电缆近端与故障点间的距离为：

（3）

施电桥法的电桥又具体细分为低阻电桥、高阻电桥和电容电桥，分别用于对电力电缆的短路（低阻）故障、高阻故障和开路故障的监测。

2.2时域行波反射法

时域行波反射法通过监测电缆的阻抗变化来确定故障点。这种方法的工作原理类似于雷达，需要在被监测电缆的近端注入一个快速脉冲信号，其在电缆中传输，电缆故障点阻抗的变化，会导致传输信号抖动，继而会产生一个反射信号。反射信号的正负及大小，取决于故障点阻抗与电缆特征阻抗间的关系。通过比较原脉冲信号与反射信号的关系，可确定故障点位置和故障的严重程度。具体地，表征故障点特征的参数定义为：

（4）

式中zd为电缆故障点的阻抗；z0是电缆的特征阻抗。

ρ的最大值为1，对应电缆开路；最小值为-1，对应电缆短路；若等于0，表明电缆无故障。ρ的具体量值大小，反映被监测电缆故障点处故障的严重程度。不同类型的故障，以时域行波反射法得到的反射波形会不同。图2以波形的方式给出了若干种常见故障的判定依据。

图2以时域行波反射法得到的常见故障判定波形

采用时域波形反射法，发射信号与反射信号的时间差为Δt，对应于行波从发射处至故障点往返一次的时间间隔，故以这种方法可计算出电缆中的故障点到监测脉冲信号发射点的距离，即：

（5）

式中v为所使用行波脉冲信号的传播速度。

2.3恢复电压法

恢复电压法基于如下考虑：电力电缆在施加一定直流电压并放电后，所产生的恢复电压随时间的变化中包含有电缆老化和潜在故障的信息。该方法的工作原理如图3所示，首先给被测电缆充电，即在一定时间（约15min）内给被测电缆施加1kV-2kV的直流高电压充电，之后，借助接地电阻使该电力电缆放电2s-5s，测量其开路电压即恢复电压。

图3恢复电压法的工作原理示意

采用恢复电压法时，一般定义电缆的老化系数为：

（6）

式中Umax（2U0）为给电缆施加2U0

电压充电下得到的最大恢复电压；Umax（U0）是施加U0充电得到的最大恢复电压。一般地，D的值在2.0-2.5时，表明被监测电缆的工作状态良好；D在2.5-3.0，其工作状态一般；D大于3.0后，即意味着被监测电缆老化严重，已该检修或更换。

2.4局部放电法

（1）实现脉冲电流法的线性耦合器

检测局部放电电流的脉冲电流法，是目前唯一有国际标准IEC60270可依的局部放电检测方法。实施它时，要采用线性耦合器采集电缆电流行波信号，可实现测量仪器与高压回路之间的耦合，操作简单方便，且检测分辨率较高。

（2）实现声学检测法的声学探测器

电缆发生局部放电时，电能瞬间得到释放，随即将在电缆中产生机械波。因此，电缆上的局部放电，在一定程度上可看作声波源。如此，利用声学探测仪器检测提取所产生的声波特征，便可得到电缆故障的信息。声学信号属机械波，长距离测量衰减严重，故这种传感器系统更适于近距离如电缆接头故障的检测。

（3）超高频天线

在被测电缆的中间接头或终端接头处放置超频天线，它可耦合电缆的局部放电电磁波信号，其频带通常在百MHz到GHz量级。超高频天线可检测频率很高的信号，能有效避开低频噪声干扰，具有较高的检测灵敏度。

（4）铂电极对

在电缆绝缘接线盒两侧的护套上各贴一对铂电极，就可采集电缆局部放电信号并校验脉冲输入。当局部放电在一侧发生时，另一侧电缆作为耦合电容，可将局部放电脉冲转化为电压信号，再经过放大就便于监测了。

（5）耦合传感器

耦合传感器可通过电容传感器、方向传感器等实现检测信号的耦合。耦合信号幅度随时间的变化，可用于判断被测电缆局部放电信号的传播方

结语

由于社会的不断发展，使得我国的电缆技术也在逐渐变化和进步，很多新涌现出的技术开始逐步应用到实际领域当中。不过显然，相关的各类技术并不能攻克全部电缆故障问题，应该在实际的处理当中，利用相对精确度高一些的故障距离检测方式，以便在缩短维修故障时间的同时，让其产生的危害影响最小化。

【参考文献】：

[1]曹维国，赵江，韩旭.浅谈电力电缆绝缘性试验[J].科技视界，2016（03）：32-34.

[2]袁刚，戴庭勇.当前电力电缆故障探测及运行维护的探讨[J].中国新技术新产品，2013（22）：16-18.