电缆故障测试仪：电缆故障查找方法及精确定位

电缆故障测试仪：电缆故障查找方法及精确定位

 近年来,随着国家城乡电网改造和特高压输电网络建设,越来越多的 0.4k-500kV 电力电缆投入电力系统运行。由于国内电缆制造、电缆工程施工、附件安装、外力破坏等原因，导致 0.4kV--220kV电力电缆故障频繁发生，严重影响了国家电网公司供电可靠性的提高和同业对标工作。根据电力公司----日本东京电力公司 2003 年公司年报，电缆线路占 75%的东京电力公司每年每个电力用户平均停电时间仅为 2 分钟（Duration and Number of Annual Power Outages per Customer），远远高于中国国家电网公司好水平。如何以快的速度准确定位电缆故障，迎头赶上电力企业水平，是国内电力系统电力试验科学院和供电公司电缆所目前 紧迫的技术和管理课题。

一、电缆故障的分类和性质判断：

1、低阻故障：电缆相间或相对地故障电阻小于 1kΩ的故障称之为低阻故障。

2、 高阻故障：相对于低阻故障，当电缆相间或相对地故障电缆值大于 1kΩ称之为高阻故障，也对应于高压电桥法。
3、断线与开路故障：电缆的一芯或多芯导体或者金属屏蔽层完全断线或似断非断的情况，我们称之为开路故障。

4、外护套故障：根据国家电力行业标准 DL586-1996《电力设备预防性试验规程》，66k-500kV

  电缆聚氯乙烯（PVC）和高密度聚乙烯（HDPE）外护套对地绝缘电阻小于 500 兆欧姆或 5kV 直流耐压试验不能通过的缺陷或故障。

判断电缆故障性质：

（1）需要万用表和摇表（高阻计）各一只，为保证读数的稳定和准确， 好是指针式表计；

（2）绝缘电阻测量，用摇表、万用表分别测量线芯对地绝缘电阻和相间绝缘电阻；

（3）导体线芯连续性判断，在电缆远端将三相短路，在近端用万用表测量相间导体电阻。

（4）如果导体线芯连续性试验读数为无穷大，则为断线与开路故障。如果绝缘电阻落在低阻和高阻故障范围，则判定为低阻或高阻故障。如果对66k-500kV超高压电缆外护套测量，绝缘电阻小于500 兆欧姆或5kV直流耐压试验不能通过，则为外护套故障。

二、电缆预定位

  预定位方法有两大类，电桥法和时域反射法 TDR 两类。

  1、电桥法: 惠斯通/Murray 电桥法，由高压发生器与桥体、高灵敏度检流计组成。利用故障点两侧的电缆线芯电阻与比例电阻构成惠斯通/Murray 电桥，当检流计指零时电桥达到平衡，电桥桥臂间对应电阻比值相等。又根据电阻率公式，线芯电阻之比等于电缆长度之比，得到电缆故障距离=电缆全长*定位旋纽指示比例。见下图：

电桥定位接线图

  电桥法中又可以细分为低压电桥法和高压电桥法。受测试电压较低的影响，500V 的低压电桥对电力电缆高阻故障很难准确测定。高压电桥突破了电桥法不能用于高阻故障定位的传统观念，以高达 5kV 和 10kV 的直流高压施加在桥体，电桥位于良好绝缘的高压侧，操作旋钮安全接地，确保操作者人身安全。适用于高达 500 兆欧姆及以下的高低阻电缆故障定位；四端子接线法消除引线接触电阻测量误差，可获得高精度定位比例。相对于时域反射法 TDR 电桥法还具有测量范围无盲区、可测长度无限制等优点。

  高压电桥法可覆盖高低阻电缆故障，是对时域反射法的有力补充。尤其是近年来国内各地电力公司新上大量的 XLPE 交联聚乙烯电缆，故障点难以形成导电区，击穿点耐压非常高，这类闪络性高阻故障很适合使用高压电桥。以雷迪 M 型电桥为代表的高压电桥法具有低压电桥法的全部优点，又具有以人为本，人性化设计，数据连接电缆准确传递电桥整体的工作状态，有效避免误操作情况下的人身和设备事故，是电缆故障定位技术中 安全放心的电桥。

1、 时域反射法

  根据二次世界大战时期发明的雷达原理，测量装置发射适中的脉冲信号，脉冲沿通信电缆、信号电缆、控制电缆和电力电缆的路径传播，在电缆故障点处反射回来脉冲信号，利用脉冲反射法原理得到反射波形，从反射的波形幅值和形状可判断电缆故障的类型和性质，如低阻接地故障、断线故障等。

（1）低压脉冲法：不施加高压，直接将 60V-220V 的发射脉冲施加到故障电缆或好相，能测定绝缘电阻小于 1000 欧姆的低阻电缆故障。

（2）二次脉冲法
  在低压脉冲法的基础上，向故障点发射高压脉冲，使故障点瞬间击穿，利用脉冲在故障点和近端来回反射的原理，测量反射时间，计算出电缆故障距离。此方法国产仪器上使用已很多，但是其实际波形非常复杂，需要训练有素和富有经验的专业人员才能掌握。

（3）弧反射法
  弧反射法对故障电缆施加三个脉冲，其中的高压脉冲瞬间击穿故障点；低压脉冲发射测量脉冲，并接收反射信号；中压脉冲延长燃弧时间，给低压脉冲采集反射信号留出充裕的时间。因而弧反射法没有利用储能电容放电起始瞬间产生的脉冲来检测反射时间，而是避过电容放电过程

  起始部分杂乱的波形。在电容放电波形稳定后，故障点电弧仍然维持，发射一个低压脉冲，使脉冲在故障点产生短路反射。当故障点电弧熄灭后，电缆故障定位系统再向电缆发射一个低压脉冲，比较 2 个脉冲的波形，其分歧点处即为电缆故障点，因此弧反射法波形清晰明了，无须反复培训和测试经验的人员都能快速准确测到电缆故障点，代表着今后 10-20 年的电缆故障测试技术方向。
附下图：弧反射法原理图

三、准确定点

1、 声磁同步法
  冲击发生器在电缆故障点处引起闪络后会产生磁场和强烈可测听的闪络声音。由于声磁传播速度不同,声磁同步定点仪探头可先后拾取该磁场和声场，且接收器显示屏可自动显示该时间差，当探头位于故障点的正上方时，距离故障点 近，因而时间差也 小，此处即为故障点的准确位置。

2、 跨步电压法
  由高压发生器与定点仪共同组合使用，通过两根接地铁钎，寻找土壤中电势 低点而准确定点。在故障点处流入大地的测试电流导致故障点处为正负电压峰值转换点，在故障点前接近故障时，跨步电压增加，越过故障后跨步电压减小，并且极性改变。在接地故障点正上方时，定点仪指针停在零位，此处即为电缆故障点的准确位置。附下图：跨步电压法原理图

四、电缆外护套故障定位

1、外护套故障预定位
  外护套故障预定位有 2 种基本的方法，电桥法和电压降法。电桥法定位准确，操作方便，但易受干扰。构成桥路的两根电缆包含很大的面积，附近正在运行的电缆，汽车火花塞的干扰，化学电势等等，使电桥无法平衡。此时，用电压降法预定位定位更为实用。因此经实践筛选后的方法是电压降法。

  下图中,XP 及 PY 间的电阻之比，等于其长度之比。若在 X 点与地之间加高压，电流经 Rp 流入地 。通常 Rp 值较大，与所加电压有关，电流往往不稳定，专门设计的高压定位电源，强制电流稳定，且在 20 到 100mA 范围可调。相同电流值下，测量 XP 段的电压降 U1, PY 段的电压降U2,得到L1 =LU1/（U1+U2）

2、外护套故障准确定点：跨步电压法

  由于超高压电缆外护套难以承受冲击声测法时的冲击电压，所以对于外护套故障准确定点 好是用跨步电压法。

  由高压发生器与定点仪共同组合使用，通过两根接地铁钎，寻找土壤中电势 低点而准确定点。在故障点处流入大地的测试电流导致故障点处为正负电压峰值转换点，在故障点前接近故障时，跨步电压增加，越过故障后跨步电压减小，并且极性改变。在接地故障点正上方时，定点仪指针停在零位，此处即为电缆故障点的准确位置。

  总之，在电缆来到中国 110 多年的时间里，电缆故障定位就始终伴随着电缆的运行、检修和试验专业技术人员。电缆故障测试仪器技术需要四个步骤，电缆故障性质判断、预定位、电缆路径定位、准确定点。其中的准确定点，现场挖开故障点后眼见为实是仪器优劣的决定性判断依据。电缆故障测试实践证明，技术发展的代表性趋势是一体化的电缆故障定位系统、全自动的外护套定位系统和高压电桥三类仪器，可以解决电力系统遇到的各种电缆故障。