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本文章為電纜故障測試園地原創(chuàng)文章，供電纜故障測試儀器使用者，測試愛好者參考?？梢苑窒砼笥讶╇娎|故障測試儀器相關(guān)人員以及愛好者參考、交流學(xué)習(xí)。文章版權(quán)作者所有。文章轉(zhuǎn)載請與作者聯(lián)系。關(guān)注本公眾號，查閱 電纜故障測試園地。
1、 基礎(chǔ)理論概述
電力電纜供電以其安全、可靠、有利于美化城市與廠礦布局等優(yōu)點，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。
電力電纜(以下簡稱電纜)多埋于地下，一旦發(fā)生故障，尋找起來十分困難，往往要花費數(shù)小時，甚至幾天的時間，不僅浪費了大量的人力、物力，而且會造成難以估量的停電損失。如何準確、迅速、經(jīng)濟地查尋電纜故障便成了供電部門日益關(guān)注的問題。
電纜故障情況及埋設(shè)環(huán)境比較復(fù)雜，變化多，測試人員應(yīng)熟悉電纜的埋設(shè)走向與環(huán)境，確切地判斷出電纜故障性質(zhì)，選擇合適的儀器與測量方法，按照一定的程序工作，才能順利地測出電纜故障點。
電纜故障探測有其固有的特點，現(xiàn)場測試人員曾形象地說探測電纜故障點“七分靠儀器,三分靠人”，說明單純地靠購買先進儀器是不能解決問題的。要重視操作人員的培訓(xùn)工作，生產(chǎn)單位和使用部門要經(jīng)常交流信息、積累經(jīng)驗，加強電纜故障探測技術(shù)的研討，以促進我國電纜故障探測技術(shù)整體水平的提高。
2、 電纜故障原因
了解電纜故障的原因，對于減少電纜的損壞，快速地判定出故障點是十分重要的。
電纜故障的原因大致可歸納為以下幾類：
2.1、機械損傷
機械損傷引起的電纜故障占電纜事故很大的比例。有些機械損傷很輕微，當時并沒有造成故障，但在幾個月甚至幾年后損傷部位才發(fā)展成故障。造成電纜機械損傷的主要有以下幾種原因：
(1)、 安裝時損傷：在安裝時不小心碰傷電纜，機械牽引力過大而拉傷電纜，或電纜過度彎曲而損傷電纜;
(2)、直接受外力損壞：在安裝后電纜路徑上或電纜附近進行城建施工，使電纜受到直接的外力損傷;
(3)、行駛車輛的震動或沖擊性負荷會造成地下電纜的鉛(鋁)包裂損;
(4)、因自然現(xiàn)象造成的損傷：如中間接頭或終端頭內(nèi)絕緣膠膨脹而脹裂外殼或電纜護套;因電纜自然行程使裝在管口或支架上的電纜外皮擦傷;因土地沉降引起過大拉力，拉斷中間接頭或?qū)w。
2. 2、絕緣受潮
絕緣受潮后引起故障。造成電纜受潮的主要原因有：
(1)、因接頭盒或終端盒結(jié)構(gòu)不密封或安裝不良而導(dǎo)致進水;
(2)、電纜制造不良，金屬護套有小孔或裂縫;
(3)、金屬護套因被外物刺傷或腐蝕穿孔;
2. 3、絕緣老化變質(zhì)
電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙在電場作用下產(chǎn)生游離使絕緣下降。當絕緣介質(zhì)電離時，氣隙中產(chǎn)生臭氧、硝酸等化學(xué)生成物，腐蝕絕緣;絕緣中的水分使絕緣纖維產(chǎn)生水解，造成絕緣下降。
過熱也會引起絕緣老化變質(zhì)。電纜內(nèi)部氣隙產(chǎn)生電游離造成局部過熱，使絕緣碳化。電纜過負荷是電纜過熱很重要的因素。安裝于電纜密集地區(qū)、電纜溝及電纜隧道等通風不良處的電纜、穿在干燥管中的電纜以及電纜與熱力管道接近的部分等都會因本身過熱而使絕緣加速損壞。
2.4、過電壓
大氣與內(nèi)部過電壓作用，使電纜絕緣擊穿，形成故障，擊穿點一般是存在缺陷。
2. 5、設(shè)計和制作工藝不良
中間接頭和終端頭的防水、電場分布設(shè)計不周密，材料選用不當，工藝不良、不按規(guī)程要求制作會造成電纜頭故障。
2.6、材料缺陷
材料缺陷主要表現(xiàn)在三個方面。一是電纜制造的問題，鉛(鋁)護層留下的缺陷;在包纏絕緣過程中，紙絕緣上出現(xiàn)褶皺、裂損、破口和重疊間隙等缺陷;二是電纜附件制造上的缺陷，如鑄鐵件有砂眼，瓷件的機械強度不夠，其它零件不符合規(guī)格或組裝時不密封等;三是對絕緣材料的維護管理不善，造成電纜絕緣受潮、臟污和老化。
2.7、護層的腐蝕
由于地下酸堿腐蝕、雜散電流的影響，使電纜鉛包外皮受腐蝕出現(xiàn)麻點、開裂或穿孔，造成故障。
2.8、電纜的絕緣物流失
油浸紙絕緣電纜敷設(shè)時地溝凸凹不平，或處在電桿上的戶外頭，由于起伏、高低落差懸殊，高處的絕緣油流向低處。而使高處電纜絕緣性能下降，導(dǎo)致故障發(fā)生。
在分析電纜故障發(fā)生的原因以及尋找故障點時，極為重要的是：要特別注意了解高壓電纜敷設(shè)、故障及修復(fù)的情況。要注意做好電纜安裝敷設(shè)及故障修復(fù)過程中的記錄工作。記錄應(yīng)主要包括以下內(nèi)容：
(1)、線路名稱及起止地點。
(2)、故障發(fā)生時間。
(3)、故障發(fā)生的地點及排除經(jīng)過。
(4)、電纜規(guī)范：如電壓等級、型式、導(dǎo)體截面、絕緣方式，制造廠名及購置日期等。
(5)、裝置記錄：如安裝日期及氣候，各個對接頭、三通接頭的設(shè)計型式、絕緣種類、熱處理溫度及精確位置。
(6)、電纜的埋設(shè)情況：如電纜彎曲半徑的大小，路徑的走向，有無反常的敷設(shè)深度或者有特別的保護措施，如鋼板、穿管和排管等;電纜敷設(shè)中的技工和技術(shù)人員的姓名(這也常常是提供重要線索的來源之一)。
(7)、電纜周圍環(huán)境情況：如臨近故障處的地面情況，有無新的挖土、打樁或埋管等工程，泥土中有無酸或堿的成分，是否夾有小石塊，附近地區(qū)有無化學(xué)工廠等。
(8)、運行情況：如電纜線路負荷及溫度等。
(9)、校驗情況：包括試驗電壓、時間、泄漏電流及絕緣電阻的數(shù)值、歷史記錄。
由于制造缺陷而造成的電纜故障是不多的，分析了解可能造成電纜故障的原因，對尋找電纜故障點是很有幫助的。例如，通過測距知道了電纜的故障距離，而在對應(yīng)位置上，發(fā)現(xiàn)近期進行過城建施工，就可以懷疑為在施工的過程中損傷了被測電纜而引起了故障，往往不需要費很大功夫，就能很快地對故障進行定點。
3、 電纜故障的性質(zhì)與分類
電纜故障從型式上可分為串聯(lián)與并聯(lián)故障。串聯(lián)故障指電纜一個或多個導(dǎo)體(包括鉛、鋁外皮)斷開;通常在電纜至少一個導(dǎo)體斷路之前，串聯(lián)故障是不容易發(fā)現(xiàn)的。并聯(lián)故障是導(dǎo)體對外皮或?qū)w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(dǎo)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(lián)接地或相間絕緣下降的情況。實際發(fā)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(qū)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(shù)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聯(lián)系。
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(zhì)的碳化程度，而電容Cf的大小取決于故障點受潮的程度，數(shù)值很小，一般可以忽略。
根據(jù)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(luò)性故障，如表1所示。
表1 電纜故障性質(zhì)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(jù)目前流行的故障測距技術(shù)，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(luò)法測試，而閃絡(luò)性故障可用直流閃絡(luò)法測試?，F(xiàn)場人員有把Rf<100KΩ的故障稱為低阻故障的習(xí)慣，主要是因為傳統(tǒng)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(jù)統(tǒng)計，高阻及閃絡(luò)性故障約占整個電纜故障總數(shù)的90%以上?，F(xiàn)場是通過試驗方法區(qū)分高阻與閃絡(luò)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(shè)備內(nèi)阻，E為設(shè)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(lián)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(luò)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(yù)防性試驗中發(fā)生的故障多屬閃絡(luò)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(dǎo)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無故障點擊穿現(xiàn)象判斷電纜存在高阻還是閃絡(luò)性故障。顯然，高阻與閃絡(luò)性故障的區(qū)分不是絕對的，它與高壓試驗設(shè)備的容量或試驗設(shè)備的內(nèi)阻等因素有關(guān)。
實際上還存在一種封閉性故障，它多發(fā)生于電纜接頭或終端頭內(nèi)，特別是多發(fā)生在浸油的電纜頭內(nèi)。發(fā)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(fù)，擊穿現(xiàn)象便完全消失，這類故障稱為封閉性故障，因故障不能再現(xiàn)，尋找起來就比較困難。
4、 電纜故障探測的步驟
電纜故障的探測一般要經(jīng)過診斷、測距、定點三個步驟。
4. 1. 電纜故障性質(zhì)診斷
電纜故障性質(zhì)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?shù)碾娎|故障測距與定點方法。
4.2. 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(xiàn)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(xiàn)代行波法(脈沖法：低壓脈沖法，高壓脈沖法)。
4.3. 電纜故障定點
電纜故障定點，又叫精測，即按照故障測距結(jié)果，根據(jù)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(nèi)，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(jīng)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(shù)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(nèi)(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。
5、電纜故障性質(zhì)的診斷
所謂診斷電纜故障的性質(zhì)，就是指確定：故障電阻是高阻還是低阻;是閃絡(luò)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(jù)故障發(fā)生時出現(xiàn)的現(xiàn)象，初步判斷故障的性質(zhì)。例如，運行中的電纜發(fā)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(xiàn)跳閘現(xiàn)象，則此時可能發(fā)生了電纜兩相或三相短路或接地故障，或者是發(fā)生了短路與接地混合故障。發(fā)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完全將故障的性質(zhì)確定下來，還必須測量絕緣電阻和進行“導(dǎo)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(dǎo)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?，F(xiàn)將一故障電纜的測量結(jié)果列于表2中，供參考。
根據(jù)表2所列絕緣電阻之測量結(jié)果，可以分析出此故障是兩相接地;根據(jù)“導(dǎo)通試驗”結(jié)果，以確定三相電纜未發(fā)生斷線。此故障點的狀態(tài)，如圖4所示。
表2 絕緣電阻的測量與“導(dǎo)通試驗”
圖4 電纜線路故障狀態(tài)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?？赏ㄟ^耐壓試驗確定高阻與閃絡(luò)性故障，弄清故障點的擊穿電壓。
6、 不同的電纜故障探測方法的簡介
長期以來，涌現(xiàn)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(yōu)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。
6. 1.故障測距
(1)、電橋法
電橋法是一種最為經(jīng)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5a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(diào)節(jié)R2數(shù)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(jù)電橋平衡原理可得：
R3/R4=R1/R2 (1.1)
R1、R2為已知電阻，設(shè)：R1/R2=K，則
R3/R4=K
由于電纜直流電阻與長度成正比，設(shè)電纜導(dǎo)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(jù)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(yōu)點是簡單、方便、精確度高，但它的重要缺點是不適用于高阻與閃絡(luò)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(luò)性故障。
在用電橋法測量故障距離之前，需用高壓設(shè)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(shù)小時，甚至幾天的時間，十分不方便，有時會出現(xiàn)故障
點燒斷，故障電阻反而升高的現(xiàn)象，或是故障電阻燒得太低，呈永久短路，以至不能用放電聲測法進行最后定點。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(shù)資料，當一條電纜線路內(nèi)是由導(dǎo)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(xiàn)在現(xiàn)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(xí)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(zhàn)雷達的啟發(fā)而發(fā)明的，它通過觀察故障點反射脈沖與發(fā)射脈沖的時間差測距。
低壓脈沖反射法的優(yōu)點是簡單、直觀、不需要知道電纜的準確長度等原始技術(shù)資料。根據(jù)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(luò)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(fā)展起來的一種高阻與閃絡(luò)性故障測試方法。現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)、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?lián)舸┕收宵c，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(yōu)點是不必將高阻與閃絡(luò)性故障燒穿，直接利用故障擊穿產(chǎn)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(shù)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(fā)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(tài)，需要串一電阻或電感以產(chǎn)生電壓信號，增加了接線的復(fù)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(fā)展起來的一種測試方法，以安全、可靠、接線簡單等優(yōu)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(qū)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(chǎn)生的電流脈沖信號，成功地實現(xiàn)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(lián)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(luò)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(fā)射探測電壓脈沖，后者是被動記錄故障擊穿產(chǎn)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(xiàn)兩個功能。
6. 2. 故障定點
電纜故障的精確定點是故障探測的關(guān)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(yīng)法。實際應(yīng)用中，往往因電纜故障點環(huán)境困素復(fù)雜，如振動噪聲過大、電纜埋設(shè)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(cè)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。
6. 3. 新一代智能化電纜故障探測儀器
現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)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(fā)展，能對采集的信號進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)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(jié)果;并具有體積小、攜帶方便、操作簡單等優(yōu)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。
圖6 電纜故障粗測儀器-閃測儀圖片
圖7 電纜故障定點儀 電纜路徑探測儀圖片
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