10kV電纜故障測距及定位典型案例分析

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随着社會經濟的不斷發展，城市配電網中的電纜線路占比越來越大。當電纜發生故障時，由于放電位置在地層下，需要首先進行故障定位才可進行修複。國網天津市電力公司城西供電分公司的研究人員陶宇航、張熹、宮祥龍，在2022年第2期《電氣技術》上撰文，結合六起10kV中壓電纜故障，通過低壓脈沖法、沖閃法及二次脈沖法分析波形數據，進行故障點位初步測距；再通過聲磁同步法，精确定位故障點。最後，将電纜故障部分進行解剖，分析具體故障原因，為中壓電纜終端在電力系統中安全、穩定運行提供依據。

随着我國城市配電網的不斷改造，10kV中壓電纜已廣泛應用于配電線路中。以天津市南開區為例，電纜線路約占全部配電網線路長度的93%，而電纜故障約占全部故障數量的56.7%。當電纜發生故障時，由于故障點位置通常不可見，往往需要對電纜進行故障定位，以為電纜修複提供依據。
一般的電纜故障位置粗測方法，主要有電橋法、低壓脈沖法、直閃法、沖閃法、二次脈沖法等。通過分析波形，可粗略測得故障點位距離電纜終端的長度，利用電纜路徑儀及測距儀，找到故障點粗略位置，再利用聲磁同步法、音頻感應法、跨步電壓法等進行精确定位。本文所涉及的故障查找流程如圖1所示。

圖1 故障查找流程
在常見的電纜故障類型中，高阻故障約占83%，斷線故障約占5%，低阻故障約占12%。故障原因中，外力破壞約占37%，中間接頭故障約占54%，老舊電纜運行年限過長約占9%。常見電纜故障查找方式見表1。

表1 常見電纜故障查找方式

1 故障點測距原理及接線方式
1.1 低壓脈沖法
低壓脈沖法可用于電力電纜的低阻、斷路及短路故障點測距，其原理為向電纜一端注入一個脈沖信号，該信号沿電纜以一定速度前進，在遇到阻抗不匹配點位時産生反射，通過檢測回波時間及極性，即可獲取電纜全長、中間接頭位置、接地位置的信息。電脈沖信号在電纜内波速僅取決于絕緣材料的性質，如對于油浸紙絕緣電纜通常約為160m/μs，對于聚乙烯絕緣電纜通常約為172m/s。故根據式（1），即可得出發射端與反射點距離L。

式（1）
式中：V為波速；T為發射波與回波時間差。
低壓脈沖法接線方式及典型波形如圖2所示。發出脈沖後，正周期回波即為電纜斷路點（終端或斷線位置），負周期回波即為電纜接地點，正負起伏處即為中間接頭位置。低壓脈沖法可以在不借助升壓設備的情況下，通過較為簡單的接線方式獲得電纜全長及故障位置。

圖2 低壓脈沖法接線方式及典型波形
1.2 沖閃法
沖閃法可用于電力電纜的高阻故障測距，其原理為将高壓瞬間作用于故障相，使故障點擊穿，記錄電流信号在測試點與故障點間往返所需的時間，計算确定相應距離。沖閃法（電流耦合方式）接線方式如圖3所示。

圖3 沖閃法（電流耦合方式）接線方式
測試時需要利用升壓儀将高壓加載至故障相，并通過電容接地線進行電流采樣。當高壓信号越過故障點并在終端反射後，兩次電壓相疊加，将故障點擊穿并形成電弧。在燃弧期間，高壓信号會在電纜始端與接地位置進行數次往返，沖閃法典型波形如圖4所示。

圖4 沖閃法典型波形
首次擊穿時，脈沖越過故障位置并返回，脈沖寬度較大，因此通常在第二個周期後進行寬度測量。波形卡位時，需排除儀器與引線間電感雜散幹擾，避免測量結果偏大。
1.3 二次脈沖法
二次脈沖法通過高壓發生器對高阻故障電纜施加脈沖高壓，使故障點出現弧光放電。在放電期間，高阻故障會短時轉換為低阻故障，此時發出一組低壓脈沖并接收其波形。放電結束後，再次發出一組低壓脈沖并接收其波形，對比上述波形分離處，即可判斷故障距離。二次脈沖法典型接線方式如圖5所示。

圖5 二次脈沖法典型接線方式
圖5中，延弧器用于延長電弧放電時間以便于發射并檢測低壓脈沖，二次脈沖法典型波形如圖6所示。

圖6 二次脈沖法典型波形
如圖6所示，二次脈沖法會形成兩條曲線，分别為電弧出現前、後的低壓脈沖波形。擊穿後，由于故障點轉換為低阻故障，将産生負脈沖，兩波形首次分離處即為故障位置。二次脈沖法波形分析較為簡單直接，但接線較為複雜，且延弧器存在壓降，在故障位置擊穿情況良好的前提下波形較為明顯。
1.4 聲磁同步法
聲磁同步法用于電纜故障精确定點。在電纜施加脈沖高壓放電時，會形成磁信号，同時在故障點形成聲音信号。由于磁場信号傳播速度比聲音信号快，通過比對兩種信号時間差，即可獲取故障點精确位置。聲磁信号同步時典型波形如圖7所示。

圖7 聲磁信号同步時典型波形
在故障點附近通過探頭将同時捕獲到兩種信号，當探頭移動至兩種信号的起始點重疊且耳機中聽到清脆脈沖放電聲時，地面下方即為故障點。在進行測試時，儀器會随放電脈沖點亮同步指示燈，以便于排除聲音信号幹擾。磁場方向可用于判斷探頭與電纜的水平相對位置，便于交叉定位。

2 低壓脈沖故障測距案例
2.1 低阻接地故障
2021年10月03日，某變電站10kV出線過電流I段保護動作。經搖纜，确定為出口電纜相間短路。該段電纜型号為YJV22 3×240，于2003年以直埋方式敷設，資産全長900m。通過對電纜進行絕緣電阻測試，黃紅兩相對地阻值為零。通過低壓脈沖法，獲得波形如圖8所示。

圖8 低阻接地故障波形
從圖8可看出，在280m處有一中間接頭，503m處有接地反射，925m處有終端反射，與電纜全長相符。對故障相施加15kV高壓脈沖，于500m處獲得聲磁同步信号，聽到放電聲。将故障點開挖後，發現放電位置為一冷縮型中間接頭，在冷縮管處相間擊穿放電，熔融物對接地線形成良好通道，如圖9所示。

圖9 相間短路故障位置
2.2 斷線故障
2021年08月21日，某變電站10kV出線速斷保護動作。經搖纜，判斷為1102站至1103站電纜三相接地。該段電纜型号為ZLQD22 3×240，于1989年投運，以直埋形式鋪設，資産全長620m。
通過對電纜進行絕緣電阻測試，三相電阻均為零。使用萬用表測試相對地阻值，均為無窮大。自1102站進行低壓脈沖測試，在約206m處産生終端反射；在1103站進行低壓脈沖測試，在約404m處産生終端反射，低壓脈沖波形如圖10、圖11所示。通過與電纜資産全長進行對比，判斷該處電纜發生斷線故障。

圖10 1102站低壓脈沖波形

圖11 1103站低壓脈沖波形
對電纜施加15kV高壓脈沖，在206m處發現地面人行道磚向外掀起，并聽到明顯放電聲。周邊居民反映故障時地面自下部爆開。開挖後，地面下約1m處找到故障點，電纜本體發生故障，故障點絕緣油已基本流幹，導緻絕緣程度下降緻三相短路，短路能量較大将地面掀起。同時，将線芯燒斷約10cm。故障位置線芯剖面如圖12所示。

圖12 故障位置線芯剖面
3 沖閃法故障測距案例
3.1 電纜中間接頭故障
2021年09月15日，某變電站10kV出線零序保護動作。經搖纜，确定為線路聯絡電纜故障。該段電纜型号為YJLV22 3×240，資産全長720m。
通過對電纜進行絕緣電阻測試，三相阻值分别為156MΩ、136MΩ、0.2MΩ，判斷為高阻故障。對故障相進行低壓脈沖測試，可測得電纜全長及三個中間接頭，與資産記錄相符，未發生斷線。高阻故障低壓脈沖波形如圖13所示。

圖13 高阻故障低壓脈沖波形
因接地位置絕緣電阻較高，低壓脈沖無法測得故障長度。将故障測試儀改沖閃法接線，對故障相施加15kV高壓脈沖，故障點擊穿但放電情況不佳，無法獲得有效波形。繼續升壓至18kV，擊穿情況良好，獲取沖閃波形如圖14所示。

圖14 高阻故障沖閃波形
從圖14可看出，擊穿後第三個周期波形趨于穩定。通過卡位，獲取故障距離321m，結合低壓脈沖波形，判斷為中間接頭發生故障。使用定點儀在325m處獲取聲磁同步信号，聽到明顯放電聲。開挖後，确定故障為熱縮型中間接頭進水，自壓接管處沿絕緣表面爬弧至銅屏蔽放電，故障處主絕緣表面已發生炭化并燒穿，如圖15所示。

圖15 電纜中間接頭進水爬弧
3.2 電纜舊傷故障
2021年09月22日，某變電站10kV出線零序保護動作。經搖纜，确定為215站至6622站電纜故障。該段電纜型号為YJLV22 3×240，敷設于2003年，資産全長320m。
通過對電纜進行絕緣電阻測試，三相阻值分别為43MΩ、68MΩ、0MΩ；萬用表測試對地阻值均為無窮大，判斷為高阻故障。對電纜進行低壓脈沖測試，獲得波形如圖16所示。

圖16 舊傷故障低壓脈沖波形
從圖16可看出，在42m處發現不明顯的短路反射波形；在333m處正确顯示電纜全長，未發生斷線。使用沖閃法自215站對故障相施加15kV高壓脈沖進行驗證，獲得波形如圖17所示。

圖17 舊傷故障沖閃波形
圖17中，擊穿後第二個周期波形趨于穩定，通過卡位，判斷故障點在近端約42m處，與低壓脈沖波形相符。使用路徑儀及定點儀，在該處獲取聲磁同步信号。故障點處因地鐵導行路施工，由綠地變為柏油路面，開挖後，發現電纜本體上方破洞，解剖發現電纜内大量存水，判斷為施工将電纜外皮及絕緣碰壞，導緻進水腐蝕至線芯，運行一段時間後發生故障，故障位置如圖18所示。

圖18 舊傷電纜故障位置

4 二次脈沖法故障測距案例
4.1 電纜老舊故障
2021年05月13日，某變電站10kV出線零序保護動作。經搖纜，确定為聯絡電纜故障。該電纜型号為AL 3×240，敷設于1992年，資産全長312m。
通過對電纜進行絕緣電阻測試，三相阻值分别為97MΩ、112MΩ、0.1MΩ，判斷為高阻故障。對電纜進行低壓脈沖測試，正确獲取全長，未發生斷線。通過延弧器施加20kV高壓脈沖，獲得二次脈沖波形如圖19所示。

圖19 老舊電纜二次脈沖波形
從圖19可看出，擊穿前後低壓脈沖波形于73m處發生分離，電弧将故障點由高阻故障短時轉化為低阻故障。将試驗儀改接沖閃法進行驗證，施加16kV高壓脈沖，獲得波形如圖20所示。

圖20 老舊電纜沖閃波形
由圖20可見，沖閃法在第三個周期獲取穩定放電曲線，卡位于73m，驗證了二次脈沖法測距數值。使用定點儀，在該處聽到放電聲。開挖後，發現電纜本體位于人行道樹下，由于運行時間較長，已被樹根包裹并擠壞。故障點不可視且無法取出，自兩側切除後通過對接進行修複。
4.2 電纜中間接頭故障
2021年10月10日，某變電站10kV出線過電流I段保護動作。經搖纜，确定為1783站至737站電纜故障。該段電纜型号為YJLV22 3×240，雙纜敷設，資産全長800m。
将電纜兩側挑開，選出故障電纜；通過對電纜進行絕緣電阻測試，三相阻值分别為16M、0M、102M；使用萬能表測試對地阻值均為無窮大，判斷為高阻故障。通過低壓脈沖測試成功獲取三個中間接頭及電纜全長，通過延弧器施加20kV高壓脈沖，二次脈沖波形全程重合，未激發電弧。重新升壓至23kV，燃弧成功，獲取二次脈沖波形如圖21所示。

圖21 中間接頭故障二次脈沖波形
圖21中，擊穿前、後脈沖波形于331m處分離。同時，也可看出797m處終端反射，與全長相符。将試驗儀改接沖閃法進行驗證，升壓至18kV，獲取沖閃波形如圖22所示。

圖22 中間接頭故障沖閃波形
沖閃法于第四個周期獲取穩定波形，卡位于311m。使用定點儀自310m處開始測尋，于330m處發現聲磁同步信号，通過與低壓脈沖波形比對，此處為一中間接頭。将故障處開挖并解剖後，發現接頭半導電斷口處因工藝不良發生擊穿，如圖23所示。

圖23 中間接頭故障位置
5 結論
電纜故障後，準确對放電位置進行測距及定位是故障查找的關鍵。本文通過對低壓脈沖法、沖閃法、二次脈沖法典型波形的分析，對多種故障定位方式進行了讨論。
1）低壓脈沖法主要用于故障電纜初步判研，可通過反射波形确定中間接頭、低阻故障及電纜終端位置。低壓脈沖法接線最為簡單，無需升壓設備及外部電源即可完成。
2）沖閃法主要用于電纜高阻故障測距。通過高壓脈沖将故障點擊穿形成反射波形，可以采用較為簡單的接線方式獲取故障點粗測距離，是最為常用的故障查找方法之一。
3）二次脈沖法克服了沖閃法波形分析難度大的缺點，僅需觀察擊穿前後脈沖波形分離位置即可。但延弧器接線較為複雜，且存在一定壓降，測距後需要改接為沖閃法進行定點。
在實際的故障查找工作中，通常采用多種方式進行交叉驗證，以提升效率。同時，配合電纜路徑儀、聲磁同步定點儀，最終找出放電精确位置。 本文編自2022年第2期《電氣技術》，論文标題為“10kV電纜故障測距及定位典型案例分析”，作者為陶宇航、張熹 等。