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電力電纜故障探測基礎理論（2）

   三、電纜故障的性質與分類

   電纜故障從型式上可分為串聯與并聯故障。串聯故障指電纜一個或多個導體（包括鉛、鋁外皮）斷開；通常在電纜至少一個導體斷路之前，串聯故障是不容易發現的。并聯故障是導體對外皮或導體之間的絕緣下降，不能承受正常運行電壓。實際的故障型式組合是很多的，圖1給出了可能性較大的幾種故障形式。例如：圖1.c所示，導體斷路往往是電纜故障電流過大而燒斷的，這種故障一般伴有并聯接地或相間絕緣下降的情況。實際發生的故障絕大部分是單相對地絕緣下降故障。（不同的電纜故障測試儀器廠家，對故障的分類有所區別）。

                   圖1   幾種電纜故障形式

   電纜故障點可用圖2所示電路來等效。Rf代表絕緣電阻，G是擊穿電壓為Vg的擊穿間隙，Cf代表局部分布電容，上述三個數值隨不同的故障情況變化很大，并且互相之間并沒有必然的。

  圖2 電纜故障等效電路

    間隙擊穿電壓Vg的大小取決于放電通道的距離，電阻Rf的大小取決于電纜介質的碳化程度，而電容Cf的大小取決于故障點受潮的程度，數值很小，一般可以忽略。

    根據故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為開路、低阻、高阻與閃絡性故障，如表1所示。

表1 電纜故障性質的分類
 

   說明：表中Z0為電纜的波阻抗值，電力電纜波阻抗一般在10-40Ω之間。

   以上分類的目的也是為了選擇測試方法的方便，根據目前流行的故障測距技術，開路與低阻故障可用低壓脈沖反射法，高阻故障要用沖擊閃絡法測試，而閃絡性故障可用直流閃絡法測試。現場人員有把Rf<100KΩ的故障稱為低阻故障的習慣，主要是因為傳統的電橋法可以測量這類故障。智能型電纜故障閃測儀，Rf<1KΩ以下的故障，也就是用萬用表能夠直接測量出來絕緣電阻的故障，才可以稱為低阻故障。高壓搖表測試電阻為零，可能還是高阻故障。

   據統計，高阻及閃絡性故障約占整個電纜故障總數的90%以上。現場是通過試驗方法區分高阻與閃絡性故障的。

   圖3給出了電纜耐壓試驗等效電路，其中Rs為試驗設備內阻，E為設備所能提供的直流電壓值，電阻Rf與臨界擊穿電壓為Vg的間隙并聯代表故障點。

圖3 電纜耐壓試驗等效電路

   由圖3可知，在對電纜進行高壓絕緣試驗時，電纜故障點所能獲得的電壓為：

   對閃絡性故障來說Rf較大，故障間隙兩端電壓可以增加至很高，當試驗電壓升至某一值時，故障點擊穿放電，電流突然升高，電壓突然下降。預防性試驗中發生的故障多屬閃絡性故障。
   高阻故障的故障點電阻Rf較小（但大于10Z0，電纜特性阻抗的10倍），導致故障點兩端所加電壓不能升至高于故障點擊穿電壓，也就不能使故障點擊穿。因此，可以從在對電纜進行高壓絕緣試驗時有*點擊穿現象判斷電纜存在高阻還是閃絡性故障。顯然，高阻與閃絡性故障的區分不是的，它與高壓試驗設備的容量或試驗設備的內阻等因素有關。

   實際上還存在一種封閉性故障，它多發生于電纜接頭或終端頭內，特別是多發生在浸油的電纜頭內。發生這類故障時，有時在某一試驗電壓下絕緣擊穿，待絕緣恢復，擊穿現象便*消失，這類故障稱為封閉性故障，因故障不能再現，尋找起來就比較困難。

  四、電纜故障探測的步驟

  電纜故障的探測一般要經過診斷、測距、定點三個步驟。

  1. 電纜故障性質診斷

  電纜故障性質的診斷，即確定故障的類型與嚴重程度，以便于測試人員對癥下藥，選擇適當的電纜故障測距與定點方法。

　2. 電纜故障測距

  電纜故障測距，又叫粗測，在電纜的一端使用儀器確定故障距離，測試現場常用的故障測距方法有：古典電橋法（高壓電橋、低壓電橋）與現代行波法（脈沖法：低壓脈沖法，高壓脈沖法）。

  3. 電纜故障定點

  電纜故障定點，又叫精測，即按照故障測距結果，根據電纜的路徑走向，找出故障點的大體方位來，在一個很小的范圍內，利用放電聲測法或其它方法確定故障點的準確位置。

   一般來說，成功的電纜故障探測都要經過以上三個步驟，否則欲速則不達。例如不進行故障測距而利用放電聲測法直接定點，沿著很長的電纜路徑（可能有數公里長），探測故障點放電聲是相當困難的。如果已知電纜故障距離，確定出一個大體方位來，在很小的一個范圍內（10米左右）來回移動定點儀器探測電纜故障點放電聲，就容易多了。

   五、電纜故障性質的診斷

   所謂診斷電纜故障的性質，就是指確定：故障電阻是高阻還是低阻；是閃絡還是封閉性故障；是接地、短路、斷線，還是它們的混合；是單相、兩相，還是三相故障。

   可以根據故障發生時出現的現象，初步判斷故障的性質。例如，運行中的電纜發生故障時，若只是給了接地信號，則有可能是單相接地的故障。繼電保護過流繼電器動作，出現跳閘現象，則此時可能發生了電纜兩相或三相短路或接地故障，或者是發生了短路與接地混合故障。發生這些故障時，短路或接地電流燒斷電纜將形成斷線故障。但通過上述判斷不能*將故障的性質確定下來，還必須測量絕緣電阻和進行“導通試驗”。

   測量絕緣電阻時，使用兆歐表(1千伏以下的電纜，用1000伏的兆歐表；1千伏以上的電纜，用2500伏的兆歐表)來測量電纜線芯之間和線芯對地的絕緣電阻；進行“導通試驗”時，將電纜的末端三相短接，用萬用表在電纜的首端測量芯線之間的電阻。現將一故障電纜的測量結果列于表2中，供參考。

   根據表2所列絕緣電阻之測量結果，可以分析出此故障是兩相接地；根據“導通試驗”結果，以確定三相電纜未發生斷線。此故障點的狀態，如圖4所示。

表2  絕緣電阻的測量與“導通試驗”
 

圖4  電纜線路故障狀態圖

  由于兆歐表分辨率比較差，當指示為零時，不能以為故障電阻就是零歐姆，要用萬用表測量故障電阻的精確值，以確定故障是否是屬于低阻的。可通過耐壓試驗確定高阻與閃絡性故障，弄清故障點的擊穿電壓。

   六、不同的電纜故障探測方法的簡介

  長期以來，涌現出了許多測量方法與儀器，這些方法與儀器適用于不同故障情況，各有優缺點，這里就故障測距與定點儀器簡單地做一下評價和比較。

  1.故障測距

 （1）、電橋法

 電橋法是一種zui為經典測試電纜故障測距方法。如圖5所示:

圖5   電橋測距原理

   電橋法測試線路的連接如圖所示，將被測電纜終端故障相與非故障相短接，電橋兩臂分別接故障相與非故障相，圖5b給出了等效電路圖。仔細調節R2數值，總可以使電橋平衡，即CD間的電位差為0，無電流流過檢流計，此時根據電橋平衡原理可得：

          R3/R4=R1/R2       （1.1）

      R1、R2為已知電阻，設：R1/R2=K，則

      R3/R4=K

   由于電纜直流電阻與長度成正比，設電纜導體電阻率為R0，L全長代表電纜全長， LX 、、L0 分別為電纜故障點到測量端及末端的距離，則R2可用（L全長+L0）R0代替，根據式（1.1）可推出：

         L全長+L0=KLX

         而 L0=L全長-LX，所以

         LX=2L全長/（K+1）

   電纜斷路故障可用電容電橋測量，原理與上述電阻電橋類似。

   電橋法優點是簡單、方便、度高，但它的重要缺點是不適用于高阻與閃絡性故障，因為故障電阻很高的情況下，電橋里電流很小，一般靈敏度的儀表，很難探測，實際上電纜故障大部分屬于高阻與閃絡性故障。

   在用電橋法測量故障距離之前，需用高壓設備將故障點燒穿，使其故障電阻值降到可以用電橋法進行測量的范圍，而故障點燒穿是件十分困難的工作，往往要花費數小時，甚至幾天的時間，十分不方便，有時會出現故障

點燒斷，故障電阻反而升高的現象，或是故障電阻燒得太低，呈*短路，以至不能用放電聲測法進行zui后定點。電橋法的另一缺點是需要知道電纜的準確長度等原始技術資料，當一條電纜線路內是由導體材料或截面不

同的電纜組成時，還要進行換算，電橋法還不能測量三相短路或斷路故障。

   現在現場上電橋法用的越來越少了，不過一些測試人員，尤其是老的測試人員，仍然習慣于使用該方法。特別是對一些特殊的故障沒有明顯的低壓脈沖反射，但又不容易用高壓擊穿，如故障電阻不是太高的話，使用電橋法往往可以解決問題。

  (2)、低壓脈沖反射法

  低壓脈沖反射法，又叫雷達法，是受二次世界大戰雷達的啟發而發明的，它通過觀察故障點反射脈沖與發射脈沖的時間差測距。

  低壓脈沖反射法的優點是簡單、直觀、不需要知道電纜的準確長度等原始技術資料。根據脈沖反射波形還可以容易地識別電纜接頭與分支點的位置。

   低壓脈沖反射法的缺點是仍不能適用于測量高阻與閃絡性故障。

  （3） 高壓脈沖電壓法

   高壓脈沖法，又稱閃測法，是六十年代發展起來的一種高阻與閃絡性故障測試方法。現在國內大多數企業生產、銷售該原理的電纜故障閃測儀。

   首先使電纜故障閃測儀，在直流高壓或脈沖高壓信號的作用下擊穿故障點，然后，通過觀察放電電壓脈沖在測試點與故障點之間往返一次的時間測距。脈沖高壓法的一個重要優點是不必將高阻與閃絡性故障燒穿，直接利用故障擊穿產生的瞬間脈沖信號，測試速度快，測量過程也得到簡化，是電纜故障測試技術的重大進步。

   高壓脈沖電壓法的缺點如下：

   A.安全性差，儀器通過一電容電阻分壓器分壓測量電壓脈沖信號，儀器與高壓回路有電耦合，很容易發生高壓信號串入，造成儀器損壞。

   B.在利用閃測法測距時，高壓電容對脈沖信號呈短路狀態，需要串一電阻或電感以產生電壓信號，增加了接線的復雜性，且降低了電容放電時加在故障電纜上的電壓，使故障點不容易擊穿。

   C.在故障放電時，特別是進行沖閃測試時，分壓器耦合的電壓波形變化不尖銳，難以分辨。

       （4）、高壓脈沖電流法

   高壓脈沖電流法是八十年代初發展起來的一種測試方法，以安全、可靠、接線簡單等優點顯示了強大的生命力。

   高壓脈沖電流法與高壓脈沖電壓法的區別在于：前者通過一線性電流耦合器測量電纜故障擊穿時產生的電流脈沖信號，成功地實現了儀器與高壓回路的電耦合，省去了電容與電纜之間的串聯電阻與電感，簡化了接線，傳感器耦合出的脈沖電流波形亦比較容易分辨。

  （5）、對測距方法與儀器選擇的建議

  目前，普遍采用脈沖測距法。低阻與斷路故障采用低壓脈沖反射法，它比電橋法簡單直接；測量高阻與閃絡性故障采用高壓脈沖電流法；兩者都是通過脈沖信號在故障點與測量點之間往返一次時間測距，但前者是主動向

電纜發射探測電壓脈沖，后者是被動記錄故障擊穿產生的瞬間脈沖電流信號；信號的記錄與處理顯示可由同一個電路完成，故可方便地使儀器同時實現兩個功能。

   2. 故障定點

  電纜故障的定點是故障探測的關鍵。目前，比較常用的方法是沖擊放電聲測法及主要用于低阻故障定點的音頻感應法。實際應用中，往往因電纜故障點環境困素復雜，如振動噪聲過大、電纜埋設深度過深等，造成定點困難，成為快速找到故障點的主要矛盾。

  聲磁同步檢測法，提高了抗振動噪聲干擾的能力；通過檢測接收到的磁聲信號的時間差，可以估計故障點距離探頭的位置；比較在電纜兩側接收

到脈沖磁場的初始極性，亦可以在進行故障定點的同時尋找電纜路徑。

   3. 新一代智能化電纜故障探測儀器

   現代微電子技術的發展，促進了電纜故障探測儀器的進步。儀器正向智能化方向發展，能對采集的信號進行復雜的數學處理，自動計算故障點；記憶測量波形；打印輸出波形及測量結果；并具有體積小、攜帶方便、操作簡單等優點。圖6是部分智能型電纜故障測試儀－粗測儀器閃測儀的圖片