电力电缆故障原因分析及探测方法探讨
添加时间 2018-06-12
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摘要： 本文主要针对电力电缆的常见故障，从结构设计，人为因素，运行环境等方面进行分析， 总结了电力电缆故障原因。并介绍了常用的电力电缆故障查找方法的原理、优缺点及适用范围，针对不同的电力电缆故障采用不同的方法以便 快速、准确、方便查找故障 ，本文结合工作实际，以实际的电力电缆故障来说明各个各个电缆故障查找方法的适用性，具有一定的参考价值。
引言：电力电缆作为电力系统的重要组成部份，它的安全运行具有重要意义。一旦发生故障后，如何在最短时间内快速找出故障点一直电缆行业十分注重的研究课题。本文总结了多年来从事电缆运行维护的经验，对电缆故障原因进行了分析，重点介绍几种常用探测方法，并对各方法的优缺点和适用范围进行比较，以实际的例子进行分析，具有一定的参考意义。
1、电缆故障分类 电缆故障可概括为接地、短路、断线三类；如以故障点绝缘特征分类又可分 :
1.1 开路故障：电缆线芯连续性受到破坏，形成断线。
1.2 低阻故障：绝缘电阻一般在几百欧姆以下。
1.3 高阻故障 ：用兆欧表测量电缆绝缘电阻低于正常值但高于几百欧姆的故障。
2 、 形成电缆故障的原因分析 致使电缆发生故障的原因是多方面的，包括电缆运行环境，人为因素，施工质量等，现将常见的几种主要原因归纳如下。
2 .1 外力破坏 09年厦门电力电缆运行情况分析：10 kV电缆故障56次，其中外破28起，占50％。近几年来由于城市建设工程项目遍及各个角落，因施工单位在不明地下管线情况下进行地下管线施工或有些素质不高施工队的野蛮施工，是造成电缆受外力破坏的主要原因。
2 .2 电缆安装、产品质量不合格 09年厦门10kV电缆附件及电缆施工工艺不良造成电缆故障6起，占11％。由于附件施工人员对中间接头制作安装的操作细节不够重视或现场安装工艺条件较差等原因，导致中间接头的制作出现工艺和操作缺陷，对电缆的正常运行带来安全隐患。还有就是电缆附件产品存在质量问题；因此应加强对附件安装人员工艺培训和对电缆附件产品质量的入网把关显得尤为重要。
2 .3 机械损伤 施工队伍在电缆敷设过程中未按要求和施工规范进行，用力不当或牵引力过大，使用的敷设工具不当或野蛮施工等原因造成电缆的机械损伤，有些机械损伤很轻微，当时并未造成故障，要在数月甚至数年后故障才会暴露出来。这类故障一般表现在 0.4 k V 电缆居多。
2 .4 电缆本体故障 电缆本体故障主要有电缆制造工艺和绝缘老化两种原因。制造工艺造成的故障现在比较少了，因 国内 中压电缆的制造已经达到 国际 先进水平了。而电缆的老化现象问题还是存在的，造成电缆提前老化的原因有 ： 1 、电缆在长期高温或高电压作用下容易产生局部放电，引起绝缘老化而出现故障； 2 、塑料绝缘电缆因长期浸泡在水中或水分侵入，使绝缘纤维产出水解，在电场集中处形成 “ 水树枝 ” 现象，造成绝缘击穿等现象。
3、 电缆故障 检测方法及实例分析 电力电缆故障查找一般按故障性质诊断、故障测距、故障定点三个步骤进行。故障性质诊断过程是对故障电缆情况做初步了解及分析，然后用兆欧表及万用表进行故障性质判别，根据不同故障性质选择不同方法进行粗测，然后再依据粗测的结果进行精确定位。电缆故障检测的方法有许多，这些方法的适应对象及检测结果也各有不同，以下将介绍电缆故障测距电桥法、低压脉冲法、冲击高压闪络法的工作原理，并以实际的例子说明方法的适用情况，并对各种方法的优缺点进行比较。
3 .1 电阻电桥法 及电容电桥法 ： 它主要是利用电阻的大小跟电缆的长度成正比，利用电桥原理测出故障相电缆的端部与故障点之间的电阻大小，并将它与无故障相做比较， 进 而确定 其 故障点距离其端部的原理进行的。其测量接线原理 如 图（1） 所示。 当电缆呈断路性质时，由于直流电桥测量臂未能构成直流通路，所以，采用电阻电桥法将无法测量出故障距离，只有采用电容电桥法或其它方法来测试． 电容电桥法 测量接线原理如图（2） 所示。 实际应用： 海沧东方开闭所翁石线电缆接地故障， A 相完好， B 、 C 两相对地绝缘电阻 3MΩ ，用直闪、冲闪法都无法测到故障点，最后使用电桥法成功测到距测试点 1000 米的地方，一中间接头进水造成的单相接地故障。 测试体会： 电桥法的优点是简单、方便、精确度高，但它有局限性： 1 ）不适合于高阻或闪络性故障； 2 ）需要知道电缆的准确长度、接头数量等原始资料。电桥法对一些特殊故障没有明显的低压脉冲反射，但又不容易用高压击穿的，如故障电阻不是太高的话，使用电桥法往往可以解决问题。
3 .2 低压脉冲法 又称雷达法，主要用于测量电缆开路、短路及低阻故障。其工作原理：测试时向，从测试端向电缆注入一低压脉冲信号，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短路点、断线点等，脉冲产生反射，回到测量点被仪器记录下来。波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差△t，对应脉冲在测量点与阻抗不匹配点往返一次的时间，已知脉冲在电缆中的波速度V，则阻抗不匹配点距离，可由下式计算：L=V · △t / 2 ，其工作原理如图3所示 低压脉冲工作原理主要是通过识别反射脉冲的极性，可以判断故障的性质。断路故障与发射脉冲极性相同如图4所示；而短路故障与发射脉冲极性相反如图5所示。此方法适用低阻（故障电阻小于100欧的短路故障）、断路故障。 实际应用： 厦门电业局岑西开闭所岑头线904柜至岑头箱式变901柜电缆发生单相失地故障，该电缆型号为：YJV22-10/8. 7 -3*240，电缆长度470米。经技术人员对现场对电缆进行故障性质诊断，判断此次故障为电缆A相失地故障，通过使用万用表测得A相绝缘电阻为100Ω，符合低压脉冲法的测试条件。用RM-950对该电缆任一完好相（C相）测试全长后保存，然后再对故障相（A相）进行故障点测试后，进行比较分析，测出测试端离故障点为72米，用RM-550进行故障精确定点，找出实际故障点长度与仪器测量长度相差甚小，其测试波形如图6所示:波形A为故障相（A相）的波形，波形B为完好相（C相）的波形，用仪器的“波形比较”功能可以清楚的看出故障点位置在72米处。本次电缆故障探伤成功，耗时1小时。 测试体会： 低压脉冲法一般对单相低阻接地、两相短路并接地及三相短路并接地等故障适用，优点：使用的仪器较少，接线简单方便，相对安全。缺点：使用范围有局限性，只能用于低阻故障。
3 .3冲击高压闪络法 [4] 脉冲电流法又分直流高压闪络法（简称直闪法）与冲击高压闪络法（简称冲闪法），这边我们重点介绍冲闪法，他们原理基本相同，不同的是冲闪法在储能电容C与电缆之间串入球形间隙G，通过调节电压对电容C充电使其击穿球形间隙G而对电缆放电，达到击穿高阻故障点，而测距仪通过耦合器L，记录高压脉冲行波信号在故障点和电缆始端之间往返一次的时间进行测距。大部分电缆高阻故障测试都可以采用此法，与低压脉冲法不同的是冲闪法的脉冲信号是故障点放电产生的，而不是象低压脉冲法是由测试仪器发射出的。 对于故障点在电缆不同位置所形成的波形往往不相同，冲闪法测试波形如图8所示： 从图8中的波形可以看出，冲闪法测试波形整体上像一个衰减的余弦振荡及叠加在余弦振荡上的快变化脉冲。从图中还可以看出，正脉冲前还有一个负尖峰，后面的波形也有相应的变化。这是因为电缆在加冲击负高压时，故障点处负高压上升有一个过程，故障点的电离放电也有一段延迟时间，所以在故障点放电之前，冲击电压波已经在终端头被反射，并越过故障点传向测试端。在此之后故障点才被电离击穿，形成正向阶跃电压向测试端传输，因此在第一回波的正脉冲前出现了负尖峰。如果两个回波的时间差从第一回波正脉冲前的负尖峰下降拐点算起的话，将会造成相当大的测量误差，只能从第一回波的正突跳拐点算起直到第二回波的负突跳拐点这段时间才是正确的。 应用脉冲电流法测试电缆故障点发生在本体，无论是直闪还是冲闪，一般来说都会出现比较典型的波形，但如果发生在电缆中间接头时，往往会碰到一些异常现象：（1）开始时，故障点电阻值不高，无法进行耐压试验。经高压冲击后，绝缘电阻会越来越高，并无故障点击穿现象；（2）测试时，偶尔出现故障点放电，但很不稳定。（3）放电延时特别长。碰到以上现象，都应考虑故障点可能在接头上。这时，应耐心一些，可用电桥法试试，以获得正确的测试效果。确不奏效时，可以对照图纸，找出接头，看是否能听到放电声从而找出故障点。 实际应用： 海沧温厝变 917 至海沧林德 901 电缆发生 A 相失地故障，电缆型号： YJV22-10/8.7-3*240 ，埋管敷设，深度 1 米。
4、故障处理步骤：
4.1 用万用表测得 A 相绝缘电阻为 7k Ω， B 、 C 相电阻无穷大，判断该电缆属单相高阻接地故障。
4.2 用RM-950 使用低压脉冲法测得电缆（ C 相）全长 940 米。
4.3 用冲闪法测试故障距离，在 A 相和铠装层之间施加高压脉冲，当电压升高至 10kV 时，按单次放电方式，电压表指使故障点开始放电，将其调至周期放电，用RM-950 通过耦合器测得波形如图 10 所示，故障点在 929 米 .
4.4 用RM-550定位仪 在 930 米附近同步接收到声、磁波形信号，此处时间最短而监听声音强度最大，后开挖确认故障点，故障探测成功。
5、 测试体会： 冲闪法的关键是：判断故障点是否击穿放电，不要认为球隙放电了，故障点就击穿了，这种想法是不正确的。如何判断故障点是否击穿放电：
5. 1 看采集到的波形故障点是否放电。
5. 2 注意所施加的电压是否足够击穿故障点的绝缘电阻。 在实际运用中，单纯的断线故障很少，大部分故障都是含有低阻、高阻或闪络性的故障，而冲闪法适用以上几种故障类型。优点：适用范围广，查找故障的准确率较高；缺点：仪器较多，接线较复杂。经过这几种方法比较，本文侧重推荐脉冲电流冲闪法。
5.3 电缆故障定位需注意的问题 在电缆故障测寻时，借助现代化的仪器和设备，便可准确迅速地确定故障点的精确位置，为故障的迅速处理，尽快恢复送电赢得宝贵的时间。但是如果测寻不得法， 将延长 测寻工作 的时间，甚至造成误判断、误处理 。测寻中应注意的几个问题是： （1）从以上几次电缆故障探测的经验可以看出，要想准确、快速的查找出故障，对放电波形的分析判断至关重要，特别是长电缆，差一两个光标，就会相差好几十米，影响故障的精确定位，只有在实际工作中不断的摸索，认真总结经验并探索其规律，才能不断取得进步。 （2）对低阻故障，使用低压脉冲法，是最准确、最方便的方法，尤其是比较法。 （3） 用冲击放电声 [ 5，6] 定点时（包括测距）应特别注意电缆的耐压等级。一般情况下，冲击电压的幅度不应超过正常运行电压的3.5倍，即10kV电缆所加电压不应超过35kV。 （4）要想快速、精确找出电缆故障点，准确的电缆原始资料起到很至关重要的作用，尤其是电缆路径图，应做到图、实相符，现场路径标示清楚。 （5）加强对故障检测设备的熟悉和日常维护，特别要通过对检测数据与实际结果的分析、总结，深入了解各设备的使用特点，使设备发挥最大的效能。 5、结论 电缆的正常运行是电网保持持续可靠供电的基础，加强电缆产品质量管控及电缆敷设、施工的全过程管理、电缆投运之后的维护工作，以确保电缆的健康运行状态；在电缆发生故障时，我们则应根据故障的特征，选用合适的仪器进行电缆故障性质的判断和定位，力争在最短的时间实现故障的快速定位，以尽量减少电缆故障引起的停电损失，提高供电的可靠性。
引言：电力电缆作为电力系统的重要组成部份，它的安全运行具有重要意义。一旦发生故障后，如何在最短时间内快速找出故障点一直电缆行业十分注重的研究课题。本文总结了多年来从事电缆运行维护的经验，对电缆故障原因进行了分析，重点介绍几种常用探测方法，并对各方法的优缺点和适用范围进行比较，以实际的例子进行分析，具有一定的参考意义。
1、电缆故障分类 电缆故障可概括为接地、短路、断线三类；如以故障点绝缘特征分类又可分 :
1.1 开路故障：电缆线芯连续性受到破坏，形成断线。
1.2 低阻故障：绝缘电阻一般在几百欧姆以下。
1.3 高阻故障 ：用兆欧表测量电缆绝缘电阻低于正常值但高于几百欧姆的故障。
2 、 形成电缆故障的原因分析 致使电缆发生故障的原因是多方面的，包括电缆运行环境，人为因素，施工质量等，现将常见的几种主要原因归纳如下。
2 .1 外力破坏 09年厦门电力电缆运行情况分析：10 kV电缆故障56次，其中外破28起，占50％。近几年来由于城市建设工程项目遍及各个角落，因施工单位在不明地下管线情况下进行地下管线施工或有些素质不高施工队的野蛮施工，是造成电缆受外力破坏的主要原因。
2 .2 电缆安装、产品质量不合格 09年厦门10kV电缆附件及电缆施工工艺不良造成电缆故障6起，占11％。由于附件施工人员对中间接头制作安装的操作细节不够重视或现场安装工艺条件较差等原因，导致中间接头的制作出现工艺和操作缺陷，对电缆的正常运行带来安全隐患。还有就是电缆附件产品存在质量问题；因此应加强对附件安装人员工艺培训和对电缆附件产品质量的入网把关显得尤为重要。
2 .3 机械损伤 施工队伍在电缆敷设过程中未按要求和施工规范进行，用力不当或牵引力过大，使用的敷设工具不当或野蛮施工等原因造成电缆的机械损伤，有些机械损伤很轻微，当时并未造成故障，要在数月甚至数年后故障才会暴露出来。这类故障一般表现在 0.4 k V 电缆居多。
2 .4 电缆本体故障 电缆本体故障主要有电缆制造工艺和绝缘老化两种原因。制造工艺造成的故障现在比较少了，因 国内 中压电缆的制造已经达到 国际 先进水平了。而电缆的老化现象问题还是存在的，造成电缆提前老化的原因有 ： 1 、电缆在长期高温或高电压作用下容易产生局部放电，引起绝缘老化而出现故障； 2 、塑料绝缘电缆因长期浸泡在水中或水分侵入，使绝缘纤维产出水解，在电场集中处形成 “ 水树枝 ” 现象，造成绝缘击穿等现象。
3、 电缆故障 检测方法及实例分析 电力电缆故障查找一般按故障性质诊断、故障测距、故障定点三个步骤进行。故障性质诊断过程是对故障电缆情况做初步了解及分析，然后用兆欧表及万用表进行故障性质判别，根据不同故障性质选择不同方法进行粗测，然后再依据粗测的结果进行精确定位。电缆故障检测的方法有许多，这些方法的适应对象及检测结果也各有不同，以下将介绍电缆故障测距电桥法、低压脉冲法、冲击高压闪络法的工作原理，并以实际的例子说明方法的适用情况，并对各种方法的优缺点进行比较。
3 .1 电阻电桥法 及电容电桥法 ： 它主要是利用电阻的大小跟电缆的长度成正比，利用电桥原理测出故障相电缆的端部与故障点之间的电阻大小，并将它与无故障相做比较， 进 而确定 其 故障点距离其端部的原理进行的。其测量接线原理 如 图（1） 所示。 当电缆呈断路性质时，由于直流电桥测量臂未能构成直流通路，所以，采用电阻电桥法将无法测量出故障距离，只有采用电容电桥法或其它方法来测试． 电容电桥法 测量接线原理如图（2） 所示。 实际应用： 海沧东方开闭所翁石线电缆接地故障， A 相完好， B 、 C 两相对地绝缘电阻 3MΩ ，用直闪、冲闪法都无法测到故障点，最后使用电桥法成功测到距测试点 1000 米的地方，一中间接头进水造成的单相接地故障。 测试体会： 电桥法的优点是简单、方便、精确度高，但它有局限性： 1 ）不适合于高阻或闪络性故障； 2 ）需要知道电缆的准确长度、接头数量等原始资料。电桥法对一些特殊故障没有明显的低压脉冲反射，但又不容易用高压击穿的，如故障电阻不是太高的话，使用电桥法往往可以解决问题。
3 .2 低压脉冲法 又称雷达法，主要用于测量电缆开路、短路及低阻故障。其工作原理：测试时向，从测试端向电缆注入一低压脉冲信号，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短路点、断线点等，脉冲产生反射，回到测量点被仪器记录下来。波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差△t，对应脉冲在测量点与阻抗不匹配点往返一次的时间，已知脉冲在电缆中的波速度V，则阻抗不匹配点距离，可由下式计算：L=V · △t / 2 ，其工作原理如图3所示 低压脉冲工作原理主要是通过识别反射脉冲的极性，可以判断故障的性质。断路故障与发射脉冲极性相同如图4所示；而短路故障与发射脉冲极性相反如图5所示。此方法适用低阻（故障电阻小于100欧的短路故障）、断路故障。 实际应用： 厦门电业局岑西开闭所岑头线904柜至岑头箱式变901柜电缆发生单相失地故障，该电缆型号为：YJV22-10/8. 7 -3*240，电缆长度470米。经技术人员对现场对电缆进行故障性质诊断，判断此次故障为电缆A相失地故障，通过使用万用表测得A相绝缘电阻为100Ω，符合低压脉冲法的测试条件。用RM-950对该电缆任一完好相（C相）测试全长后保存，然后再对故障相（A相）进行故障点测试后，进行比较分析，测出测试端离故障点为72米，用RM-550进行故障精确定点，找出实际故障点长度与仪器测量长度相差甚小，其测试波形如图6所示:波形A为故障相（A相）的波形，波形B为完好相（C相）的波形，用仪器的“波形比较”功能可以清楚的看出故障点位置在72米处。本次电缆故障探伤成功，耗时1小时。 测试体会： 低压脉冲法一般对单相低阻接地、两相短路并接地及三相短路并接地等故障适用，优点：使用的仪器较少，接线简单方便，相对安全。缺点：使用范围有局限性，只能用于低阻故障。
3 .3冲击高压闪络法 [4] 脉冲电流法又分直流高压闪络法（简称直闪法）与冲击高压闪络法（简称冲闪法），这边我们重点介绍冲闪法，他们原理基本相同，不同的是冲闪法在储能电容C与电缆之间串入球形间隙G，通过调节电压对电容C充电使其击穿球形间隙G而对电缆放电，达到击穿高阻故障点，而测距仪通过耦合器L，记录高压脉冲行波信号在故障点和电缆始端之间往返一次的时间进行测距。大部分电缆高阻故障测试都可以采用此法，与低压脉冲法不同的是冲闪法的脉冲信号是故障点放电产生的，而不是象低压脉冲法是由测试仪器发射出的。 对于故障点在电缆不同位置所形成的波形往往不相同，冲闪法测试波形如图8所示： 从图8中的波形可以看出，冲闪法测试波形整体上像一个衰减的余弦振荡及叠加在余弦振荡上的快变化脉冲。从图中还可以看出，正脉冲前还有一个负尖峰，后面的波形也有相应的变化。这是因为电缆在加冲击负高压时，故障点处负高压上升有一个过程，故障点的电离放电也有一段延迟时间，所以在故障点放电之前，冲击电压波已经在终端头被反射，并越过故障点传向测试端。在此之后故障点才被电离击穿，形成正向阶跃电压向测试端传输，因此在第一回波的正脉冲前出现了负尖峰。如果两个回波的时间差从第一回波正脉冲前的负尖峰下降拐点算起的话，将会造成相当大的测量误差，只能从第一回波的正突跳拐点算起直到第二回波的负突跳拐点这段时间才是正确的。 应用脉冲电流法测试电缆故障点发生在本体，无论是直闪还是冲闪，一般来说都会出现比较典型的波形，但如果发生在电缆中间接头时，往往会碰到一些异常现象：（1）开始时，故障点电阻值不高，无法进行耐压试验。经高压冲击后，绝缘电阻会越来越高，并无故障点击穿现象；（2）测试时，偶尔出现故障点放电，但很不稳定。（3）放电延时特别长。碰到以上现象，都应考虑故障点可能在接头上。这时，应耐心一些，可用电桥法试试，以获得正确的测试效果。确不奏效时，可以对照图纸，找出接头，看是否能听到放电声从而找出故障点。 实际应用： 海沧温厝变 917 至海沧林德 901 电缆发生 A 相失地故障，电缆型号： YJV22-10/8.7-3*240 ，埋管敷设，深度 1 米。
4、故障处理步骤：
4.1 用万用表测得 A 相绝缘电阻为 7k Ω， B 、 C 相电阻无穷大，判断该电缆属单相高阻接地故障。
4.2 用RM-950 使用低压脉冲法测得电缆（ C 相）全长 940 米。
4.3 用冲闪法测试故障距离，在 A 相和铠装层之间施加高压脉冲，当电压升高至 10kV 时，按单次放电方式，电压表指使故障点开始放电，将其调至周期放电，用RM-950 通过耦合器测得波形如图 10 所示，故障点在 929 米 .
4.4 用RM-550定位仪 在 930 米附近同步接收到声、磁波形信号，此处时间最短而监听声音强度最大，后开挖确认故障点，故障探测成功。
5、 测试体会： 冲闪法的关键是：判断故障点是否击穿放电，不要认为球隙放电了，故障点就击穿了，这种想法是不正确的。如何判断故障点是否击穿放电：
5. 1 看采集到的波形故障点是否放电。
5. 2 注意所施加的电压是否足够击穿故障点的绝缘电阻。 在实际运用中，单纯的断线故障很少，大部分故障都是含有低阻、高阻或闪络性的故障，而冲闪法适用以上几种故障类型。优点：适用范围广，查找故障的准确率较高；缺点：仪器较多，接线较复杂。经过这几种方法比较，本文侧重推荐脉冲电流冲闪法。
5.3 电缆故障定位需注意的问题 在电缆故障测寻时，借助现代化的仪器和设备，便可准确迅速地确定故障点的精确位置，为故障的迅速处理，尽快恢复送电赢得宝贵的时间。但是如果测寻不得法， 将延长 测寻工作 的时间，甚至造成误判断、误处理 。测寻中应注意的几个问题是： （1）从以上几次电缆故障探测的经验可以看出，要想准确、快速的查找出故障，对放电波形的分析判断至关重要，特别是长电缆，差一两个光标，就会相差好几十米，影响故障的精确定位，只有在实际工作中不断的摸索，认真总结经验并探索其规律，才能不断取得进步。 （2）对低阻故障，使用低压脉冲法，是最准确、最方便的方法，尤其是比较法。 （3） 用冲击放电声 [ 5，6] 定点时（包括测距）应特别注意电缆的耐压等级。一般情况下，冲击电压的幅度不应超过正常运行电压的3.5倍，即10kV电缆所加电压不应超过35kV。 （4）要想快速、精确找出电缆故障点，准确的电缆原始资料起到很至关重要的作用，尤其是电缆路径图，应做到图、实相符，现场路径标示清楚。 （5）加强对故障检测设备的熟悉和日常维护，特别要通过对检测数据与实际结果的分析、总结，深入了解各设备的使用特点，使设备发挥最大的效能。 5、结论 电缆的正常运行是电网保持持续可靠供电的基础，加强电缆产品质量管控及电缆敷设、施工的全过程管理、电缆投运之后的维护工作，以确保电缆的健康运行状态；在电缆发生故障时，我们则应根据故障的特征，选用合适的仪器进行电缆故障性质的判断和定位，力争在最短的时间实现故障的快速定位，以尽量减少电缆故障引起的停电损失，提高供电的可靠性。
