電力電纜故障測試技術及應用概述

　　隨著城市建設的發展，電力電纜在城網供電中所占的份量也越來越重，在一些城市的市區逐步取代架空輸電線路；同時隨著電纜數量的增多及運行時間的延長，電纜的故障也越來越頻繁。由于電纜線路的隱蔽性、個別運行單位的運行資料不完善以及測試設備的局限性等原因，使電纜故障的查找非常困難；另一方面，隨著科技的進步，現代檢測技術與電子計算機結合應用，各種測量方法及儀器的精度也得到進一步提高，國內外眾多的測試設備及技術并存。如何合理地選擇故障測試設備，準確、快速地查找電纜故障，縮短故障停電時間，就成了電纜運行人員非常關心且值得探討和交流的焦點。

　　鑒于我局1997年“12.5”110kV珠蘭電纜故障的測尋教訓（花了6天時間），1998年，我們購買了全套進口車載精密電纜故障測試儀，使得我們能有機會接觸到國內外先進的電纜故障測試設備，并先后參加了德國Seba及Hagenuk公司，奧地利Baur公司的以及國內的山東科匯等公司的電纜故障測試技術培訓班學習。本文主要概述目前國內外新近的電纜故障測試技術及應用情況，并結合本局電纜故障測試設備的具體使用情況進行分析總結。

　　1. 電力電纜故障測試的方法及應用

　　1.1 電力電纜故障分類

　　電力電纜故障按性質可分為串聯（斷線）故障及并聯（短路）故障兩種，后者按絕緣外是否有金屬護套或屏蔽可分為主絕緣故障（外有金屬屏蔽），外皮（外護套）故障（無金屬屏蔽）的故障。主絕緣故障根據測試方法不同，按故障點的絕緣電阻Rf大小可分為①金屬性短路（低阻）故障，其中Rf不同儀器及方法選擇各不同，一般Rf<10Z0（Z0為電纜波阻抗）,②高阻故障, ③間歇（閃絡）故障三種。三者之間沒有絕對的界限，主要由現場試驗方法區分，與設備的容量及內阻有關。

　　1.2 電纜故障的測試方法比較

　　根據上述電纜故障的分類，目前國內外有各種不同的測試方法，但測試步驟均相同，即：①進行故障診斷②根據診斷結果進行故障預定位③進行故障定點（精定位）。對于各種故障及其相應的方法如下表所示：

　　故障類型

　　預定位方法

　　精定位方法

　　斷線故障

　　●低壓脈沖反射法

　　▲電橋法

　　●聲磁同步法

　　主絕緣 故障

　　低阻故障

　　●低壓脈沖反射法

　　▲電橋法

　　★音頻感應法

　　★聲磁同步法

　　電流方向法

　　高阻故障

　　●二次脈沖法（SIM）

　　▲沖閃法（電流法，電壓法） ★高壓電橋法［燃燒降阻法+低壓反射法］

　　聲響法 聲磁同步法

　　間歇性故障（閃絡）

　　●二次脈沖法（直流耐壓擊穿后用）

　　▲衰減法

　　▲直流閃測法（電流法、電壓法）

　　聲磁同步法

　　外護套故障

　　高壓電橋法

　　壓降法

　　▲聲磁同步法

　　●跨步電壓法

　　●推薦使用 ★有條件限制 ▲可用方法 ［　］不推薦使用

　　1.3 電力電纜測試方法的發展

　　20世紀70年代前，世界上廣泛使用電橋法及低壓脈沖反射法進行電力電纜故障測試，兩者對低阻故障很準確，但對高阻故障不適用，故常常結合燃燒降阻（燒穿）法，即加大電流將故障處燒穿使其絕緣電阻降低以達到可以使用電橋法或低壓脈沖法測量的目的。燒穿方法對電纜主絕緣有不良影響，現已很少使用。之后出現了直流閃測法和沖擊閃測法，分別測試間歇故障及高阻故障，兩者都均可分為電流閃測法和電壓閃測法，取樣參數不同，各有優缺點。電壓取樣法可測率高，波形清晰易判，盲區比電流法少一倍，但接線復雜，分壓過大時對人及儀器有危險。電流取樣法正好相反，接線簡單，但波形干擾大，不易判別盲區大。 兩種方法目前是國產高阻故障測試儀的主流方法，主要有西安四方、山東科匯、武漢高壓所等產品。高壓電流、電壓閃測法基本上解決了電纜高阻故障問題，在我國電力部門應用十分廣泛，且應用十分豐富經驗，但儀器有盲區，且波形有時不夠明顯，靠人為判斷，有時未能成功，儀器的精度及誤差相對較大。

　　到了90年代，發明了二次脈沖法測試技術: 因為低壓脈沖準確易用，結合高壓發生器發射沖擊閃絡技術，在故障點起弧的瞬間通過內部裝置觸發發射一低壓脈沖，此脈沖在故障點閃絡處（電弧的電阻值很低）發生短路反射，并將波形記憶在儀器中，電弧熄滅后，復發一正常的低壓測量脈沖到電纜中，此低壓脈沖在故障處（高阻）沒有擊穿產生通路，直接到達電纜末端，并在電纜末端發生開路反射，將兩次低壓脈沖波形進行對比，非常容易判斷故障點（擊穿點）位置，典型的波型如圖1所示。儀器可自動匹配，自動判斷計算

　　圖1 二次脈沖法波形圖

　　出故障點距離。二次脈沖法的出現，使得電纜高阻故障測試變得十分簡單，成為最先進的測試方法，但國內尚未見到新方法的設備。對于二次脈沖法，無論是奧地利的Baur公司，還是德國Seba公司的產品原理是一樣的，只是在實現上有差異：前者強調起弧與觸發脈沖配合，由內部通信裝置對沖擊電流進行阻尼，同時也增加了沖擊電流的沖擊寬度來實現；而后者則采用專門穩弧儀，強調延長電弧時間，保證低壓脈沖在起弧期間到達。以本局購置的全套Baur公司車載精密電纜故障測試預定位系統為例，原理如圖2所示。該設備與國

　　圖2 二次脈沖原理圖

　　內生產高壓電流或電壓法測試儀相比具有以下優點：

　　（1）一體化設計，結構緊湊（compact），只要接入電源，接好地線，連接被測電纜即可進行各種測試方法的操作，接線簡單，切換容易，安全可靠；

　　（2）自動化程度高，實現自動匹配、自動保護、自動判斷、自動計算，并可以進行打印或將圖形存入軟盤，在計算機進行數據分析；

　　（3）無盲區問題：考慮到儀器本身的饋線以及外接的高壓電纜引線長度，因此進行儀器調試時，引入“tm”測試，首先測試每種方法中的脈沖波經過儀器到達引線末端所經歷的時間“tm”值，并輸入記憶的系統中；測試電纜時，儀器會自動將原點（起點）定在該方法的“tm”時刻處，因“tm”為定值與波速度選擇無關，無論波速度選多少，同一種方法中脈沖在儀器本身及引線所經歷的時間“tm”是不變的；所測波形中tm時刻點即為所測電纜的始端，詳見圖1中“tm”點，因此測量時沒有盲區的概念。

　　（4）精度高：我局1998年購買Baur公司IRG300回波儀采樣頻率已達200MHz，以波速為 =160m/us計算，精確度可達0.4m。由于這套儀器的自動化程度高、精確，操作簡單，克服了電流、電壓沖擊法的不足，有效解決了高阻故障測試的困難，只要波速度選擇正確，測量結果非常準確。

　　國內的故障測試儀器在技術上已達到較高的水平，但儀器的精度以及全套系統整體細致設計均未及進口設備，特別是簡單的機械質量（接線、焊接、表面工藝粗糙）方面未能令人滿意。

　　1.4 其它測試設備

　　為能應付所有可能出現的電纜故障，電纜故障測試單位應配備全套的電纜故障測試設備，如電纜識別儀、電纜路徑測試議、預定位設備（含電橋、回波反射儀以及配套的高壓裝置及信號發生器）、精定位儀（跨步電壓法、聲磁同步法、音頻定位儀）等等。特別是對于不知路徑的直埋電纜故障若沒有路徑測試儀，根本無法測試，除非將整條電纜挖出來。對于普通的路徑測試儀，在實際測試中受地下平行金屬管線干擾較大，甚至誤導。Seba公司新開發的專利產品能很好解決干擾問題，主要是通過雙感應線圈將最大法波最小法的倒轉波進行疊加處理，有效解決了干擾問題。

　　1.5 電力電纜故障測試的發展起勢

　　1.5.1 目前國外一些公司在不斷開發新的測試方法同時引入了計算機技術，將電纜的運行管理，故障測試與GIS（地信息系統）結合起來。在GIS中已輸入各電纜的資料信息，在故障測試時，將測試結果與GIS數據庫相連，儀器所測的故障點位置自動在GIS系統中顯示出來，GIS將通過全球定位系統（GPS）將故障點位置與實際位置對應起來實現故障自動定位，但這必須有非常完善的基礎資料以及軟硬件支持。

　　1.5.2 目前日本部分重要的電纜線路裝有自動監測及故障測試系統，一旦出故障，監測系統會測出電纜的故障位置自動發射給GPS全球定位系統，用戶終端即可知道故障實際位置。實現全自動化管理這對硬件要求更高。

　　1.5.3 在線監測及全自動測試是未來電纜故障測試的發展趨勢。

　　包括對電纜狀態及與運行時出故障的自動定位測試將電纜的GIS與GPS聯合應用，實現實時、動態的監測測試及將是未來的發展趨勢。

　　1.6 電纜故障測試中人的因素

　　現場測試人員形象地形容電纜故障測試“三分靠人，七分靠儀器”。測試人員的理論知識，實踐經驗，電纜運行管理的到位，電纜運行資料（長度、路徑、接頭位置兩端是否預留等）的完善，對電纜故障測試是事半功倍的，上海就是一個很好的例子。上海的同行主要使用國產儀器，包括電橋法等，也一樣可以很快找出故障點，同樣可以管理好6000km長的電纜線路。究其原因，主要是上海電纜的運行管理基礎好，電纜資料齊備，且其測試人員有豐富的故障測試經驗，精通測試理論，設備使用熟煉，由此可見人因素的重要性。

　　1.7 對電纜故障測試設備選擇配置的幾點意見:

　　(1) 高壓沖擊發生器中的電容量C與電纜測試的關系。國外的儀器制造商多采用2uF或4uF的電容，他們認為4uF已足夠，我們認為對于較長的電纜線路，或間歇故障，或絕緣電阻特別大，或以及低壓電纜故障測試，在實際的測試中常常得不到波形。沖擊能量W=CU2，電壓U受到儀器體積限制且不能過大，不應超過預試電壓的50~70%，只要考慮到故障點可能由末端反射電壓疊加后才造成擊穿，疊加電壓過大對主絕緣有不利影響。因此當U一定時，W與C是成正比關系，電容量越大，沖擊能量也越大，故障點起弧時間越長，放電越徹底，越容易得到測試波形，對于低壓電纜尤為突出。國外儀器主要實現了自動延弧裝置或加寬沖擊脈沖延長起弧時間功能，且觸發脈沖配合較好。因此進行設備配置選擇時最好選擇較大的電容，以適應不同電纜故障測試的需要，當然，增大電容將會增大設備的重量及體積，使儀器顯得笨重，且還要改變儀器匹配。

　　（2）采樣頻率與儀器精度有關

　　如Baur的IRG300的采樣頻率為200MHz，以波速度V=160m/us為例，波形每采樣點代表距離

　　m，

　　即該儀器精度為0.4m。而一些國產儀器的采樣頻率為20MHZ，

　　4m,則精度為4m，誤差可想而知，為減少測試誤差，應

　　可能選擇大的采樣頻率。

　　（3）對于110kV高壓電纜以上的故障測試，由于電纜電容量大，且擊穿電壓可能高，應選擇更高電壓等級設備，我局為此配置了70kV的衰減（decay）法，以適合高壓電纜測試的需要。

　　2、幾起典型的電纜故障測試實例：

　　以下是我們對近30多次電纜的故障測試中幾起較為典型且有借鑒意義的測試實例，均采用車載精密電纜故障測試儀（Baur公司產品）測試。

　　實例I：

　　時間

　　2000年3月24日

　　地點

　　深圳石巖

　　電纜型號

　　10kV XLPE三芯電纜

　　故障性質

　　兩相低阻接地

　　分別采用二次脈法測試波形見圖1及低壓脈沖法測試，結果相同，由于廠方提供了電纜的準確長度407米，根據完好相波形及總長可計算出該電纜波速為160m/us，與經驗值168m/us相差較大，兩個值分別測得的故障點距離為187.2m及196.6m，測量后發現正好在20米管的鐵管中，如圖3的C、D點，在管口兩端后挖開四米，加周期高壓沖擊信號，

　　圖3 測試現場示意圖

　　聽不到響聲，可能是由于低阻故障聲沒法聽到聲音，判斷故障可能在管中，但施工方認為是不可能的。因無法精定位，且已近天黑，于是再進行一次仔細的預定位，并將1#塔下的預留圈挖出進行仔細量度長度，按160m/us波速，測得故障點應在管口2..7米C點處，按168m/us計為管中11.9m處D點，決定在B 點將電纜鋸斷通過，測量絕緣電阻確認B點到2#塔段的電纜是完好的，再在A處將電纜從管中拉出，加沖擊電壓，感覺電纜離管約2.7米處有微小振動，發現其下部被人用鐵釘釘入電纜（人為被壞造成兩相短路）。

　　這次測試說明了①電纜資料的準確提供是非常重要的，這也是唯一一次采用V/2=80m/us測試的10kV XLPE電纜，結果非常準確。②若不是儀器精確度高，對所測結果沒信心，就下不了決心鋸斷電纜，也就沒法定點。這也提供了一種處理方法：遇到管中電纜低阻故障，先在管的另一端將電纜鋸斷，拉出電纜查找，因為在管中的故障點修復也只能鋸斷電纜重新在管兩端做接頭，這需要確認預定位的準確性，因為鋸斷電纜查找是迫不得已方法。

　　實例Ⅱ：

　　時間

　　1999.6.17

　　地點

　　珠海拱北

　　型號

　　10kVXLPE三芯電纜

　　故障類型

　　單相高壓接地0.2MΩ

　　此電纜非常特殊,已停運近兩年，且沒有任何資料。這是對電纜故障測試儀器及經驗的一次考驗，我們首先使用電纜路徑測試儀探測出電纜路徑及深度，發現這電纜埋深達2~3米，且部分在商鋪底下，接著采用二次脈沖法進行預定位并采用經驗波速度V/2=84m/us，測得電纜總長783m，故障點距離為336.0m，按所測路徑量至336m，剛好在一石材店內，最后加沖擊電壓信號，采用聲磁同步法定出故障點的位置為336.4m處，非常準確。

　　本次測試是對我們全套測試設備檢驗，對我們也是一次很好的培訓，進一步驗證了10kVXLPE電纜的經驗值V/2=84m/us是的準確性，這也說明了在故障測試中，運行資料的重要性，全套儀器加上完善的資料是實現準確定位的雙重保證。

　　實例Ⅲ ：

　　時間

　　2000年5月26日

　　電纜型號

　　10kV單芯XLPE電纜

　　地點

　　110kV蘭埔變電站

　　故障性質

　　閃絡性高阻故障35MΩ

　　10kV僑光線改造完成后，試驗發現一相絕緣電阻為35MΩ，泄漏較大，送電3分鐘后保護跳閘，第二天測得該絕緣電阻為4MΩ，采用二次脈沖法加壓10kV（4uF）沒有擊穿，加至15kV時得到一次擊穿波形，再也沒有測得到波形，加至20kV的仍沒有結果，根據第一次測試結果在1070m處，量度后沒有發現異常，午餐后再測，發覺加至5kV已擊穿，到1070m現場聽到前面有響聲，測得距離在1101m處，發現波速度為V/2=86m/us非常準。現場打開電纜溝蓋板發現有水跡，故障點就在接頭處，周圍電纜已熏黑。調查后發現該處電纜溝冒煙，被保安淋了一桶水，正是午餐時間。經分析認為由于電纜溝較為干燥，沖擊電壓將接頭處水份慢慢蒸干，擊穿點絕緣電阻由小變大，并著火冒煙，被淋濕后，絕緣電阻下降，故可以測出波形。做好接頭后，耐壓試驗又發現故障，這次用V/2=86m/us測試，結果非常準確。

　　由此可知XLPE電纜與油紙電纜不同，油紙電纜擊穿越多次，形成的炭跡就越大，絕緣電阻越低。而XLPE電纜則不同，擊穿后故障處水分很快會被蒸干，由于沖擊的電弧吹力作用將通道清干，使絕緣電阻升高，但過一段時間受潮后絕緣電阻又將下降。因此應特別珍惜前幾次擊穿波形。

　　實例Ⅳ：

　　時間

　　2000年6月

　　電纜

　　10KVXLPE三芯

　　地點

　　格力漆包線廠

　　故障性質

　　未擊穿（4MΩ）泄漏電流過大

　　格力漆包線廠在做10kV電纜預試時發現C相絕緣電阻僅為5 MΩ，且泄漏電流非常大，要求我局協助找出弱薄點并處理。我們采用10kV到20kV的沖擊電壓進行測試均沒有發生擊穿，加至25kV也沒發生擊穿，后來按規程進行直流耐壓試驗，加37kV直流電壓至2分鐘時泄漏電流突然增大，說明已發生擊穿，再采用二次脈沖法加15kV的沖擊電壓很快得到波形，結果很準確，正好在電纜接頭上。

　　本次實例說明對于間歇性故障采用沖擊電壓不能擊穿時，可進行常規的直流耐壓試驗使其擊穿。同時對電纜故障測試設備提出要求：應能進行中壓電纜的耐壓試驗（37kV）以利于故障的快捷查找。

　　3、電纜故障測試應用的總結

　　我局1998年購進全套進口電纜故障測試設備，包括Baur公司的車載精密預定位測試儀（Syscompact S300）以及Seba公司的精定位SWE 90，外皮故障測試儀MFM5-1，路徑測試儀FLS500-4，電纜識別儀AL60-1等，在近30次的絕緣故障測試中，成功率達100%，且都在半天內定出故障點。對于電纜故障測試我們有如下幾點體會：

　　電纜故障測試給電纜運行管理提出要求，因此在驗收時必須嚴格把關，即要求提供完善的電纜資料（長度、路徑是否預留、接頭位置等），資料齊全，故障測試也就事半功倍。

　　對于進口與國產儀器的問題，我們認為進口設備性能及質量好，價格較高是物有所值，而當所轄電纜達到一定規模時，停電的損失與儀器的價格是不可比的。

　　幾點應用心得：

　　①.根據多次測試的驗證，在沒有得到準確的電纜長度時，波速度經驗值選取是測試能否準確的關鍵，以下幾組波速度值是經過多次實踐的測試檢驗的，但非絕對,實例1就是特殊的例子，根據電纜的準確總長及完好相的反射波去計算出該電纜的波速度的才是準確的。

　　電纜類型

　　V/2（m/us）

　　XLPE三芯電纜

　　84

　　XLPE單芯電纜

　　86

　　PVC

　　75-80

　　油紙電纜

　　78-85

　　②.主絕緣故障的預定位較容易實現，但精定位卻很困難；相反，外護套故障的預定位較困難，精定位（跨步電壓法）卻非常準確、容易。在特殊情況下，兩者是可以結合使用（當絕緣及外護套故障共點時）的，不妨一試。

　　③.全套電纜故障測試設備應具有測試所有電纜故障測試的功能，對于間歇性故障或高壓電纜故障可采用decay（衰減法）進行測試。

　　④.對于低壓電纜測試因接頭施工時地線連接不規范，應測試時注意電纜地線與接地分開，當電纜一端測不到明顯波形時，可在另一側測試，總可得到較好的波型。

　　⑤.進行預位時的誤差包括a、儀器本身誤差（不變）b、量度誤差c、波速度法取值不當誤差，d、波形判斷誤差。其中a由儀器本身決定，b對預定位影響較大，量度時應特別注意兩端電纜是否有預留圈，c最好根據已知準確長度計算，d取決于儀器的性能及測試者的經驗。

　　⑥.預定位時當電所測電纜較長時測不出波形，可加大沖擊電壓或適當調節觸發延時時間得到波形。