电力电缆故障测试技术及应用概述

　　随着城市建设的发展，电力电缆在城网供电中所占的份量也越来越重，在一些城市的市区逐步取代架空输电线路；同时随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆的故障也越来越频繁。由于电缆线路的隐蔽性、个别运行单位的运行资料不完善以及测试设备的局限性等原因，使电缆故障的查找非常困难；另一方面，随着科技的进步，现代检测技术与电子计算机结合应用，各种测量方法及仪器的精度也得到进一步提高，国内外众多的测试设备及技术并存。如何合理地选择故障测试设备，准确、快速地查找电缆故障，缩短故障停电时间，就成了电缆运行人员非常关心且值得探讨和交流的焦点。

　　鉴于我局1997年“12.5”110kV珠兰电缆故障的测寻教训（花了6天时间），1998年，我们购买了全套进口车载精密电缆故障测试仪，使得我们能有机会接触到国内外先进的电缆故障测试设备，并先后参加了德国Seba及Hagenuk公司，奥地利Baur公司的以及国内的山东科汇等公司的电缆故障测试技术培训班学习。本文主要概述目前国内外新近的电缆故障测试技术及应用情况，并结合本局电缆故障测试设备的具体使用情况进行分析总结。

　　1. 电力电缆故障测试的方法及应用

　　1.1 电力电缆故障分类

　　电力电缆故障按性质可分为串联（断线）故障及并联（短路）故障两种，后者按绝缘外是否有金属护套或屏蔽可分为主绝缘故障（外有金属屏蔽），外皮（外护套）故障（无金属屏蔽）的故障。主绝缘故障根据测试方法不同，按故障点的绝缘电阻Rf大小可分为①金属性短路（低阻）故障，其中Rf不同仪器及方法选择各不同，一般Rf<10Z0（Z0为电缆波阻抗）,②高阻故障, ③间歇（闪络）故障三种。三者之间没有绝对的界限，主要由现场试验方法区分，与设备的容量及内阻有关。

　　1.2 电缆故障的测试方法比较

　　根据上述电缆故障的分类，目前国内外有各种不同的测试方法，但测试步骤均相同，即：①进行故障诊断②根据诊断结果进行故障预定位③进行故障定点（精定位）。对于各种故障及其相应的方法如下表所示：

　　故障类型

　　预定位方法

　　精定位方法

　　断线故障

　　●低压脉冲反射法

　　▲电桥法

　　●声磁同步法

　　主绝缘 故障

　　低阻故障

　　●低压脉冲反射法

　　▲电桥法

　　★音频感应法

　　★声磁同步法

　　电流方向法

　　高阻故障

　　●二次脉冲法（SIM）

　　▲冲闪法（电流法，电压法） ★高压电桥法［燃烧降阻法+低压反射法］

　　声响法 声磁同步法

　　间歇性故障（闪络）

　　●二次脉冲法（直流耐压击穿后用）

　　▲衰减法

　　▲直流闪测法（电流法、电压法）

　　声磁同步法

　　外护套故障

　　高压电桥法

　　压降法

　　▲声磁同步法

　　●跨步电压法

　　●推荐使用 ★有条件限制 ▲可用方法 ［　］不推荐使用

　　1.3 电力电缆测试方法的发展

　　20世纪70年代前，世界上广泛使用电桥法及低压脉冲反射法进行电力电缆故障测试，两者对低阻故障很准确，但对高阻故障不适用，故常常结合燃烧降阻（烧穿）法，即加大电流将故障处烧穿使其绝缘电阻降低以达到可以使用电桥法或低压脉冲法测量的目的。烧穿方法对电缆主绝缘有不良影响，现已很少使用。之后出现了直流闪测法和冲击闪测法，分别测试间歇故障及高阻故障，两者都均可分为电流闪测法和电压闪测法，取样参数不同，各有优缺点。电压取样法可测率高，波形清晰易判，盲区比电流法少一倍，但接线复杂，分压过大时对人及仪器有危险。电流取样法正好相反，接线简单，但波形干扰大，不易判别盲区大。 两种方法目前是国产高阻故障测试仪的主流方法，主要有西安四方、山东科汇、武汉高压所等产品。高压电流、电压闪测法基本上解决了电缆高阻故障问题，在我国电力部门应用十分广泛，且应用十分丰富经验，但仪器有盲区，且波形有时不够明显，靠人为判断，有时未能成功，仪器的精度及误差相对较大。

　　到了90年代，发明了二次脉冲法测试技术: 因为低压脉冲准确易用，结合高压发生器发射冲击闪络技术，在故障点起弧的瞬间通过内部装置触发发射一低压脉冲，此脉冲在故障点闪络处（电弧的电阻值很低）发生短路反射，并将波形记忆在仪器中，电弧熄灭后，复发一正常的低压测量脉冲到电缆中，此低压脉冲在故障处（高阻）没有击穿产生通路，直接到达电缆末端，并在电缆末端发生开路反射，将两次低压脉冲波形进行对比，非常容易判断故障点（击穿点）位置，典型的波型如图1所示。仪器可自动匹配，自动判断计算

　　图1 二次脉冲法波形图

　　出故障点距离。二次脉冲法的出现，使得电缆高阻故障测试变得十分简单，成为最先进的测试方法，但国内尚未见到新方法的设备。对于二次脉冲法，无论是奥地利的Baur公司，还是德国Seba公司的产品原理是一样的，只是在实现上有差异：前者强调起弧与触发脉冲配合，由内部通信装置对冲击电流进行阻尼，同时也增加了冲击电流的冲击宽度来实现；而后者则采用专门稳弧仪，强调延长电弧时间，保证低压脉冲在起弧期间到达。以本局购置的全套Baur公司车载精密电缆故障测试预定位系统为例，原理如图2所示。该设备与国

　　图2 二次脉冲原理图

　　内生产高压电流或电压法测试仪相比具有以下优点：

　　（1）一体化设计，结构紧凑（compact），只要接入电源，接好地线，连接被测电缆即可进行各种测试方法的操作，接线简单，切换容易，安全可靠；

　　（2）自动化程度高，实现自动匹配、自动保护、自动判断、自动计算，并可以进行打印或将图形存入软盘，在计算机进行数据分析；

　　（3）无盲区问题：考虑到仪器本身的馈线以及外接的高压电缆引线长度，因此进行仪器调试时，引入“tm”测试，首先测试每种方法中的脉冲波经过仪器到达引线末端所经历的时间“tm”值，并输入记忆的系统中；测试电缆时，仪器会自动将原点（起点）定在该方法的“tm”时刻处，因“tm”为定值与波速度选择无关，无论波速度选多少，同一种方法中脉冲在仪器本身及引线所经历的时间“tm”是不变的；所测波形中tm时刻点即为所测电缆的始端，详见图1中“tm”点，因此测量时没有盲区的概念。

　　（4）精度高：我局1998年购买Baur公司IRG300回波仪采样频率已达200MHz，以波速为 =160m/us计算，精确度可达0.4m。由于这套仪器的自动化程度高、精确，操作简单，克服了电流、电压冲击法的不足，有效解决了高阻故障测试的困难，只要波速度选择正确，测量结果非常准确。

　　国内的故障测试仪器在技术上已达到较高的水平，但仪器的精度以及全套系统整体细致设计均未及进口设备，特别是简单的机械质量（接线、焊接、表面工艺粗糙）方面未能令人满意。

　　1.4 其它测试设备

　　为能应付所有可能出现的电缆故障，电缆故障测试单位应配备全套的电缆故障测试设备，如电缆识别仪、电缆路径测试议、预定位设备（含电桥、回波反射仪以及配套的高压装置及信号发生器）、精定位仪（跨步电压法、声磁同步法、音频定位仪）等等。特别是对于不知路径的直埋电缆故障若没有路径测试仪，根本无法测试，除非将整条电缆挖出来。对于普通的路径测试仪，在实际测试中受地下平行金属管线干扰较大，甚至误导。Seba公司新开发的专利产品能很好解决干扰问题，主要是通过双感应线圈将最大法波最小法的倒转波进行叠加处理，有效解决了干扰问题。

　　1.5 电力电缆故障测试的发展起势

　　1.5.1 目前国外一些公司在不断开发新的测试方法同时引入了计算机技术，将电缆的运行管理，故障测试与GIS（地信息系统）结合起来。在GIS中已输入各电缆的资料信息，在故障测试时，将测试结果与GIS数据库相连，仪器所测的故障点位置自动在GIS系统中显示出来，GIS将通过全球定位系统（GPS）将故障点位置与实际位置对应起来实现故障自动定位，但这必须有非常完善的基础资料以及软硬件支持。

　　1.5.2 目前日本部分重要的电缆线路装有自动监测及故障测试系统，一旦出故障，监测系统会测出电缆的故障位置自动发射给GPS全球定位系统，用户终端即可知道故障实际位置。实现全自动化管理这对硬件要求更高。

　　1.5.3 在线监测及全自动测试是未来电缆故障测试的发展趋势。

　　包括对电缆状态及与运行时出故障的自动定位测试将电缆的GIS与GPS联合应用，实现实时、动态的监测测试及将是未来的发展趋势。

　　1.6 电缆故障测试中人的因素

　　现场测试人员形象地形容电缆故障测试“三分靠人，七分靠仪器”。测试人员的理论知识，实践经验，电缆运行管理的到位，电缆运行资料（长度、路径、接头位置两端是否预留等）的完善，对电缆故障测试是事半功倍的，上海就是一个很好的例子。上海的同行主要使用国产仪器，包括电桥法等，也一样可以很快找出故障点，同样可以管理好6000km长的电缆线路。究其原因，主要是上海电缆的运行管理基础好，电缆资料齐备，且其测试人员有丰富的故障测试经验，精通测试理论，设备使用熟炼，由此可见人因素的重要性。

　　1.7 对电缆故障测试设备选择配置的几点意见:

　　(1) 高压冲击发生器中的电容量C与电缆测试的关系。国外的仪器制造商多采用2uF或4uF的电容，他们认为4uF已足够，我们认为对于较长的电缆线路，或间歇故障，或绝缘电阻特别大，或以及低压电缆故障测试，在实际的测试中常常得不到波形。冲击能量W=CU2，电压U受到仪器体积限制且不能过大，不应超过预试电压的50~70%，只要考虑到故障点可能由末端反射电压叠加后才造成击穿，叠加电压过大对主绝缘有不利影响。因此当U一定时，W与C是成正比关系，电容量越大，冲击能量也越大，故障点起弧时间越长，放电越彻底，越容易得到测试波形，对于低压电缆尤为突出。国外仪器主要实现了自动延弧装置或加宽冲击脉冲延长起弧时间功能，且触发脉冲配合较好。因此进行设备配置选择时最好选择较大的电容，以适应不同电缆故障测试的需要，当然，增大电容将会增大设备的重量及体积，使仪器显得笨重，且还要改变仪器匹配。

　　（2）采样频率与仪器精度有关

　　如Baur的IRG300的采样频率为200MHz，以波速度V=160m/us为例，波形每采样点代表距离

　　m，

　　即该仪器精度为0.4m。而一些国产仪器的采样频率为20MHZ，

　　4m,则精度为4m，误差可想而知，为减少测试误差，应

　　可能选择大的采样频率。

　　（3）对于110kV高压电缆以上的故障测试，由于电缆电容量大，且击穿电压可能高，应选择更高电压等级设备，我局为此配置了70kV的衰减（decay）法，以适合高压电缆测试的需要。

　　2、几起典型的电缆故障测试实例：

　　以下是我们对近30多次电缆的故障测试中几起较为典型且有借鉴意义的测试实例，均采用车载精密电缆故障测试仪（Baur公司产品）测试。

　　实例I：

　　时间

　　2000年3月24日

　　地点

　　深圳石岩

　　电缆型号

　　10kV XLPE三芯电缆

　　故障性质

　　两相低阻接地

　　分别采用二次脉法测试波形见图1及低压脉冲法测试，结果相同，由于厂方提供了电缆的准确长度407米，根据完好相波形及总长可计算出该电缆波速为160m/us，与经验值168m/us相差较大，两个值分别测得的故障点距离为187.2m及196.6m，测量后发现正好在20米管的铁管中，如图3的C、D点，在管口两端后挖开四米，加周期高压冲击信号，

　　图3 测试现场示意图

　　听不到响声，可能是由于低阻故障声没法听到声音，判断故障可能在管中，但施工方认为是不可能的。因无法精定位，且已近天黑，于是再进行一次仔细的预定位，并将1#塔下的预留圈挖出进行仔细量度长度，按160m/us波速，测得故障点应在管口2..7米C点处，按168m/us计为管中11.9m处D点，决定在B 点将电缆锯断通过，测量绝缘电阻确认B点到2#塔段的电缆是完好的，再在A处将电缆从管中拉出，加冲击电压，感觉电缆离管约2.7米处有微小振动，发现其下部被人用铁钉钉入电缆（人为被坏造成两相短路）。

　　这次测试说明了①电缆资料的准确提供是非常重要的，这也是唯一一次采用V/2=80m/us测试的10kV XLPE电缆，结果非常准确。②若不是仪器精确度高，对所测结果没信心，就下不了决心锯断电缆，也就没法定点。这也提供了一种处理方法：遇到管中电缆低阻故障，先在管的另一端将电缆锯断，拉出电缆查找，因为在管中的故障点修复也只能锯断电缆重新在管两端做接头，这需要确认预定位的准确性，因为锯断电缆查找是迫不得已方法。

　　实例Ⅱ：

　　时间

　　1999.6.17

　　地点

　　珠海拱北

　　型号

　　10kVXLPE三芯电缆

　　故障类型

　　单相高压接地0.2MΩ

　　此电缆非常特殊,已停运近两年，且没有任何资料。这是对电缆故障测试仪器及经验的一次考验，我们首先使用电缆路径测试仪探测出电缆路径及深度，发现这电缆埋深达2~3米，且部分在商铺底下，接着采用二次脉冲法进行预定位并采用经验波速度V/2=84m/us，测得电缆总长783m，故障点距离为336.0m，按所测路径量至336m，刚好在一石材店内，最后加冲击电压信号，采用声磁同步法定出故障点的位置为336.4m处，非常准确。

　　本次测试是对我们全套测试设备检验，对我们也是一次很好的培训，进一步验证了10kVXLPE电缆的经验值V/2=84m/us是的准确性，这也说明了在故障测试中，运行资料的重要性，全套仪器加上完善的资料是实现准确定位的双重保证。

　　实例Ⅲ ：

　　时间

　　2000年5月26日

　　电缆型号

　　10kV单芯XLPE电缆

　　地点

　　110kV兰埔变电站

　　故障性质

　　闪络性高阻故障35MΩ

　　10kV侨光线改造完成后，试验发现一相绝缘电阻为35MΩ，泄漏较大，送电3分钟后保护跳闸，第二天测得该绝缘电阻为4MΩ，采用二次脉冲法加压10kV（4uF）没有击穿，加至15kV时得到一次击穿波形，再也没有测得到波形，加至20kV的仍没有结果，根据第一次测试结果在1070m处，量度后没有发现异常，午餐后再测，发觉加至5kV已击穿，到1070m现场听到前面有响声，测得距离在1101m处，发现波速度为V/2=86m/us非常准。现场打开电缆沟盖板发现有水迹，故障点就在接头处，周围电缆已熏黑。调查后发现该处电缆沟冒烟，被保安淋了一桶水，正是午餐时间。经分析认为由于电缆沟较为干燥，冲击电压将接头处水份慢慢蒸干，击穿点绝缘电阻由小变大，并着火冒烟，被淋湿后，绝缘电阻下降，故可以测出波形。做好接头后，耐压试验又发现故障，这次用V/2=86m/us测试，结果非常准确。

　　由此可知XLPE电缆与油纸电缆不同，油纸电缆击穿越多次，形成的炭迹就越大，绝缘电阻越低。而XLPE电缆则不同，击穿后故障处水分很快会被蒸干，由于冲击的电弧吹力作用将通道清干，使绝缘电阻升高，但过一段时间受潮后绝缘电阻又将下降。因此应特别珍惜前几次击穿波形。

　　实例Ⅳ：

　　时间

　　2000年6月

　　电缆

　　10KVXLPE三芯

　　地点

　　格力漆包线厂

　　故障性质

　　未击穿（4MΩ）泄漏电流过大

　　格力漆包线厂在做10kV电缆预试时发现C相绝缘电阻仅为5 MΩ，且泄漏电流非常大，要求我局协助找出弱薄点并处理。我们采用10kV到20kV的冲击电压进行测试均没有发生击穿，加至25kV也没发生击穿，后来按规程进行直流耐压试验，加37kV直流电压至2分钟时泄漏电流突然增大，说明已发生击穿，再采用二次脉冲法加15kV的冲击电压很快得到波形，结果很准确，正好在电缆接头上。

　　本次实例说明对于间歇性故障采用冲击电压不能击穿时，可进行常规的直流耐压试验使其击穿。同时对电缆故障测试设备提出要求：应能进行中压电缆的耐压试验（37kV）以利于故障的快捷查找。

　　3、电缆故障测试应用的总结

　　我局1998年购进全套进口电缆故障测试设备，包括Baur公司的车载精密预定位测试仪（Syscompact S300）以及Seba公司的精定位SWE 90，外皮故障测试仪MFM5-1，路径测试仪FLS500-4，电缆识别仪AL60-1等，在近30次的绝缘故障测试中，成功率达100%，且都在半天内定出故障点。对于电缆故障测试我们有如下几点体会：

　　电缆故障测试给电缆运行管理提出要求，因此在验收时必须严格把关，即要求提供完善的电缆资料（长度、路径是否预留、接头位置等），资料齐全，故障测试也就事半功倍。

　　对于进口与国产仪器的问题，我们认为进口设备性能及质量好，价格较高是物有所值，而当所辖电缆达到一定规模时，停电的损失与仪器的价格是不可比的。

　　几点应用心得：

　　①.根据多次测试的验证，在没有得到准确的电缆长度时，波速度经验值选取是测试能否准确的关键，以下几组波速度值是经过多次实践的测试检验的，但非绝对,实例1就是特殊的例子，根据电缆的准确总长及完好相的反射波去计算出该电缆的波速度的才是准确的。

　　电缆类型

　　V/2（m/us）

　　XLPE三芯电缆

　　84

　　XLPE单芯电缆

　　86

　　PVC

　　75-80

　　油纸电缆

　　78-85

　　②.主绝缘故障的预定位较容易实现，但精定位却很困难；相反，外护套故障的预定位较困难，精定位（跨步电压法）却非常准确、容易。在特殊情况下，两者是可以结合使用（当绝缘及外护套故障共点时）的，不妨一试。

　　③.全套电缆故障测试设备应具有测试所有电缆故障测试的功能，对于间歇性故障或高压电缆故障可采用decay（衰减法）进行测试。

　　④.对于低压电缆测试因接头施工时地线连接不规范，应测试时注意电缆地线与接地分开，当电缆一端测不到明显波形时，可在另一侧测试，总可得到较好的波型。

　　⑤.进行预位时的误差包括a、仪器本身误差（不变）b、量度误差c、波速度法取值不当误差，d、波形判断误差。其中a由仪器本身决定，b对预定位影响较大，量度时应特别注意两端电缆是否有预留圈，c最好根据已知准确长度计算，d取决于仪器的性能及测试者的经验。

　　⑥.预定位时当电所测电缆较长时测不出波形，可加大冲击电压或适当调节触发延时时间得到波形。