全國第八次電力電纜運行經驗交流會論文集故障分析與反措PAGE8PAGE7電力電纜的帶電診斷與故障處理趙國棟（盤錦供電公司，遼寧省盤錦市124010）摘要用電纜作為高、中、低壓電網及用戶輸送和分配電能的方式，在國內外都已被充分認可和采用。由于制造缺陷、機械損傷、安裝質量、絕緣老化、人為因素等原因，電纜在運行時故障時有發生。因此，科技工作者開始研究電力電纜的帶電診斷與故障處理，在科研設計時不但要考慮到電力電纜的運行與維護方便，更重要的是考慮事故狀態下的快速故障處理，有效的提高工作質量，減少用戶損失。本文介紹了國內外電力電纜帶電診斷裝置的開發與應用，重點說明常見故障的處理及方法。關鍵詞電力電纜帶電診斷故障處理０前言用電纜作為高、中、低壓電網及用戶輸送和分配電能的方式，在國內外都已被充分認可和采用。法國配電絕緣化程度約90％，日本采用交聯聚乙烯（XLPE）電纜的低壓網絡為76％，中壓網61％。隨著國家城市電網改造工作的迅速展開，電力電纜以其獨特的運行方式得到越來越廣泛的應用。但是由于制造缺陷、機械損傷、安裝質量、絕緣老化、人為因素等原因，電纜在運行時故障時有發生，給人們生活和生產帶來重大損失。如何早期開展電纜的帶電診斷，迅速、準確地確定故障點，恢復供電，減少停電損失，就擺在廣大科學技術人員面前。所以有必要對電力電纜帶電診斷和故障探測方法進行深入的研究，到目前為止，電力電纜帶電診斷的研究、故障測距及故障處理的方法已經逐漸走向成熟。在快速故障監測與檢測方面，國內許多高校和企業針對電力電纜的故障類型，開發和研制了許多診斷系統、儀器和設備，有力的推進了該行業發展和電力電纜的快速故障處理能力。1國內外電力電纜帶電診斷裝置的開發與應用1.1國外發展情況早在1986年，日本的東北電力公司就研制開發了高壓電纜劣化帶電診斷裝置[1]，其原理是在高壓電纜的任意部位安裝三相星型電抗器，當從電抗器中性點向高壓線——接地端施加25V直流電時，測量經由被試電纜絕緣體從接地線流出的微電流，從而求出絕緣電阻值。現場試用結果證明，對變電所繼電保護裝置沒有影響，不存在變電所繼電保護裝置誤動問題。在進行電纜帶電劣化診斷過程中，線路發生接地故障，變電所繼電保護裝置均能正確動作。關于電纜絕緣的測量精度，經比較得到了在線與離線狀態下測量直流漏泄電流法相同的數值精度。從此該公司和用戶在自管電纜線路開展高壓電纜劣化帶電診斷裝置應用，在防止電纜線路故障方面，取得了很大的效益和成績。還有一些國家研制開發了電力電纜帶電診斷裝置，如：加拿大國家科學研究協會的場致發光法［2］、荷蘭運用高頻局放(HFPD)檢測儀、日本東京電力公司的氧化特征法［3］等，在防止電纜線路故障監測與檢測方面，取得了很大的效益和成績。從其發展的核心思路來講，與國內高校、企業的研究發展有本質上區別，各有所長。因此，有一定的借鑒意義和參考價值。1.2國內發展情況許多企業進行了電力電纜帶電診斷裝置的開發與應用，如火電廠開發的電纜溫度在線監測系統，主要針對廠房內電纜溝不易管理，以及火災等問題提出的。采用了當今先進的通信技術、微處理器技術、數字化溫度傳感技術及離子感煙技術以及獨創設計的低溫、強電場、潮濕環境運行技術，避免了電纜溝內強大電場的干擾，完整安全地把數據傳送至監視現場終端。該系統具有良好的計算機界面、可顯示電纜溝道模擬圖、顯示傳感器所監測的實際位置及所有電纜型號、長度、截面、中間接頭位置等參數，當運行中電纜出現異常時，顯示畫面及事故音響同時出現，可通過計算機的電纜溝道模擬圖上直接查看，并能迅速準確地判斷出發生故障的實際位置，增強了電纜快速故障處理能力，提高了電纜運行的可靠性及技術管理水平。再如華北電力大學開發的高壓交聯聚乙烯（XLPE）電纜局部放電在線檢測系統，系統由甚高頻鉗形脈沖電流傳感器和甚高頻天線；特高頻傳感器；多通道在線或便攜式測量裝置；故障分析與預警軟件組成。采用高性能的傳感器，可以捕捉極低的放電量。優化的設計，甚高頻與特高頻傳感器相結合的測量技術可有效避免現場的各種干擾。該鉗形傳感器直接安裝在已敷設好的電纜上，不改變電纜原有連線方式和結構，進行現場測量。裝置與電纜無直接電氣連接，保證監測的安全性。故障分析與預警軟件可對故障進行模式識別，判斷出故障類型，在線檢測的實測數據，監測其發展趨勢，給出預警。傳感器頻帶寬為1～1500MHz，放大器放大倍數為35dB，檢測裝置靈敏度可達10pC。是一個靈敏度高、抗干擾強、技術先進、安裝使用方便的局部放電在線監測系統。適用于110kV及以上電壓等級XLPE電纜的在線監測，能及時預報電纜終端及接頭的絕緣劣化程度，防止超高壓電纜的突發性事故，并可為電力電纜狀態檢修提供科學的數據依據（狀態檢修是電力系統未來發展趨勢）。再有國網武漢高壓研究院與北京電力公司、華中科技大學研制的電纜線路運行溫度在線檢測技術為當前及時發現電纜線路的局部過熱點位置、檢測運行線路的絕緣狀態、計算導體載流量的首選技術措施。為此基于光頻域反射OFDR測溫法和TCP/IP通訊協議，提出分布式光纖連續在線檢測長距離電力電纜線路表面溫度方法和技術，有效地克服了基于光時域反射OTDR測溫法的光纖測溫技術中存在的不足，提高了檢測溫度的速度。在整個測量過程中檢測的背光信號都是頻率函數的復數形式，然后進行快速傅立葉變換(FFT)，其主要優點是激光器產生連續光波、背光信號的窄帶檢測，有效提高信噪比并在光波導長度方向分辨率達到幾毫米，可滿足長度為l5km的超高壓電力電纜表面溫度在線檢測的技術要求。其測量溫度范圍為-30℃～120℃，精度可達±1.5℃，電纜長度分辨率可達1.0m。研究結果表明，基于OFDR測溫技術的分布式光纖電力電纜運行溫度在線檢測裝置基本滿足1.3電力電纜監測裝置及技術經濟分析從以上幾個國內開發的在線電力電纜監測裝置分析：火電廠開發的電纜溫度在線監測系統與華北電力大學開發的高壓交聯聚乙烯（XLPE）電纜局部放電在線檢測系統，都是采用外接傳感器的方式對電纜進行在線監測；火電廠開發的電纜溫度在線監測系統與國網武漢高壓研究院與北京電力公司、華中科技大學研制的電力電纜線路運行溫度在線檢測技術系統，都是采用檢測電力電纜線路表面溫度的方法對電纜進行在線監測。兩者有相同的部分，也有不同的部分，但都運用了微電子技術和計算機軟件技術。從技術經濟和科技含量上分析：華北電力大學開發的高壓交聯聚乙烯（XLPE）電纜局部放電在線檢測系統與國網武漢高壓研究院與北京電力公司、華中科技大學研制的電力電纜線路運行溫度在線檢測技術系統，采用了高性能的、高科技的、高精度的微電子技術措施和計算機軟件手段，目前在國內的電力電纜線路在線監測與檢測方面，處于領先地位。而針對火電廠開發的電纜溫度在線監測系統，其實用價值高，并已取得很好的經濟效益和社會效益，市場前景可觀。2電纜故障的分類2.1從檢測手段上分類低阻和死接地故障、短路和斷路故障，用搖表或萬用表直接測量，無需高壓設備便可完成電纜故障性質確定；高阻和閃絡故障，用脈沖反射儀配合高壓設備對電纜進行故障性質確定和預定位；外護套故障，采用專門的電纜故障外護套定位設備對電纜進行故障性質確定和預定位。2.2從故障產生原因上分類外力破壞故障：安裝時損傷、其它施工時外力破壞和自然災害；接頭故障：接頭生產質量和接頭制作不良；本體故障：絕緣生產缺陷、絕緣老化和絕緣受潮；外護套故障：敷設安裝導致和電纜保護層受到腐蝕。2.3如何區分兩種高阻故障當對高阻故障進行直流耐壓試驗時，提高試驗電壓，電纜的泄漏電流變化不大，當電壓升高到某個值時故障點擊穿，泄漏電流突然增大，多次重復試驗得到的擊穿電壓基本相同，稱為可擊穿的高阻故障。用二次脈沖法或三次脈沖法配合沖擊放電法可以迅速準確的定位故障點的位置。在進行直流耐壓試驗過程中，泄漏電流很大且與試驗電壓基本同步上升，始終不出現電流突變現象，稱為不可擊穿的高阻故障。這種故障絕大部分是由于電纜主絕緣層進水受潮引起，主要有以下幾種原因：電纜中間頭或終端頭質量缺陷或施工工藝不規范，導致密封不良或密封失效；電纜本體制造缺陷，外護層有孔洞或裂紋；電纜外護套被外力破壞或被腐蝕穿孔。電纜故障定位及修復流程如下：3電纜的常見故障及處理架空入戶電力電纜一般長度為幾十到幾百米。室外終端故障占故障總數的5O%以上；室內終端故障占故障總數的30%左右；外力破壞故障占到故障總數的15%左右；其他故障占到故障總數的5%左右。而電力電纜（非架空）直配用戶的電纜一般較長有幾公里到幾十公里，據統計分析，終端故障約占故障總數的50%，其中接頭與終端頭故障約占終端故障的73％，其它故障約占27%。線路故障約占故障總數的50%，其中外力破壞約87%，其他故障約占13％。3.1電纜故障產生的幾種原因3.1.1電纜接頭故障在電力電纜線路中，電纜接頭與終端頭故障較多。其主要原因是在電纜接頭與終端頭的切割制作過程中操作不當，或是接管壓接不實或不符合工藝標準要求，遇大負荷時接管發熱，導致絕緣程度降低或熱擊穿。3.1.2人為機械損傷故障此種故障有兩種：一是由于電纜安裝時不小心而造成的機械損傷；二是在靠近電纜線路或線路上方有單位作業而造成的機械損傷。若是電纜輕微損傷，少則幾個月多則幾年，受傷部位的潮氣侵入，絕緣程度降低而引起。3.1.3電纜外皮（外護套）腐蝕故障此種腐蝕有兩種：一是酸堿地帶和煤氣、液化氣的苯蒸汽使得電纜鎧裝和鉛皮長時間被腐蝕，也稱化學腐蝕；二是附近有強磁電場感應，導致電纜外皮鎧裝和鉛皮腐蝕擊穿，也稱電腐蝕。若是電纜輕微腐蝕，少則幾個月多則幾年，受傷部位的潮氣侵入，絕緣程度降低而引起。3.1.4凍害地陷下沉故障在東北某些地區冬季，地質含水量較大，電纜埋深不夠，凍害引起地面凸凹、裂紋，夏季地質塌陷下沉等，致使電纜垂直受力變形，鎧裝或鉛皮破裂甚至折斷，故障顯現。若是電纜輕微損傷，少則幾個月多則幾年，受傷部位的潮氣侵入，絕緣程度降低而引起。3.1.5長期過載運行故障電纜敷設時有余量，盡量不超負荷運行。若超載運行，電纜溫度升高，尤其是炎熱的夏季（嚴寒的冬季），電纜的升溫常會導致電纜的薄弱處和接頭處被擊穿。3.1.6其它情況故障在電纜敷設過程中，經常要雇傭臨時工（力工），這些人不懂技術，胡干蠻干，倘若管理不當，會給以后的工作留下許多隱患。再有就是陰雨天，氣候潮濕條件下做電纜接頭，容易出現故障。3.2電力電纜故障檢測3.2.1檢測設備電纜故障測試儀：完成各種故障的簡單測試。由于國內外生產廠家不同，所生產的儀器智能化精確程度差異也較大。陜西聯達電器有限責任公司生產的LD-613電纜故障測試儀是根據不同用戶需求生產的一款極為便攜、配筆記本電腦測試的一款系列化電纜故障測試產品之一。該系統由筆記本電腦、測試系統主機和故障定位儀三部分組成，用于電力電纜各類故障的測試，電纜路徑、電纜埋設深度的尋測和電纜檔案資料的日常維護管理。武漢長征興儀電氣有限公司生產的電纜故障測試儀由CDG-2電纜故障測試儀主機、CDG-D電纜故障定位儀、CDG-L電纜路徑儀三個主要部分組成。還有許多廠家也生產該產品，性能也基本相同。現在國內用的較多的是德國塞堡哈克檢測設備技術有限公司（簡稱德國SebaKMT公司）的電纜測試和故障定位設備，它的性價比較高。交直流試驗變壓器：因故障測試時需施加于電纜的電壓是直流高壓，選用的變壓器提供不小于50kV的直流電壓，功率3kVA或6kVA等。脈沖蓄能電容器：能夠滿足瞬時反復沖放電，沖放電性能好，一般選用40kV/2uF的電容2個，根據現場需求可以串聯或并聯使用。微型刻度球隙：調節球間隙大小，控制施加于電纜上電壓的高低和放電間隙的長短，配合完成故障點的粗測。使用原則為間隙從小到大，放電時間3~5秒。還有絕緣電阻測試儀，用于檢測故障絕緣損傷程度，判斷故障的性質。3.2.2檢測手段架空入戶電力電纜故障，尋找起來比較簡單，一般不需要使用專用電力電纜測尋儀器，只要使用交流高電壓及球間隙對故障點進行放電，用定點儀按照室外終端--室內終端--線路的測尋順序，測尋故障點放電聲，則一般很快即可找到故障點。值得注意的是，在測尋室內終端故障時，由于故障點放電聲與球間隙放電聲同步，如果球間隙放在測試端則將區分不出故障點放電聲，無法找到故障點。因此，放電球間隙應放到室外終端上去。電力電纜直配用戶的電纜故障，由于電纜線路較長，一般需借助專用電力電纜故障測尋儀器。對于高阻和閃絡性故障的測尋是閃測儀的特長，尤以直閃法最準確，波形最直觀。電阻沖閃法次之。但兩者均有局限性，主要是對故障點施加的電壓高低和能量上不去；故障點放電不清晰，對于一些類型故障如電力電纜受潮等，故障點沒有清晰的反射波，無法測出故障距離。電感沖閃法，以其高電壓、大容量作用于故障點，故障點放電清晰完全，故障點反射波徹底。但反射波形表現比較復雜，故障反射波疊加在衰減余弦波形上，需要測量者有一定的經驗才能夠甄別故障波形，難度較大。3.2.3檢測辦法由于電纜線路較長，一般需借助專用電力電纜故障測尋儀器查找故障。在低阻和斷線故障，采用脈沖反射法和電橋法測尋。特別是脈沖反射法快捷、簡便和準確。對于高阻和閃絡性故障的測尋是閃測儀的特長，尤以直閃法最準確，波形最直觀。電阻沖閃法欠之。但兩者均有局限性，主要是對故障點施加的電壓高低和能量上不去；故障點放電不清晰，對于一些類型故障如電力電纜受潮等，故障點沒有清晰的反射波，無法測出故障距離。電感沖閃法，以其高電壓、大容量作用于故障點，故障點放電清晰完全，故障點反射波徹底。但反射波形表現比較復雜，故障反射波疊加在衰減余弦波形上，需要測量者有一定的經驗才能夠甄別故障波形，難度較大。根據實踐經驗，建議電力電纜故障測尋在推薦低阻和斷線故障采用脈沖法測量。高阻和閃絡性故障應首選閃測儀的直閃法，然后是電阻沖閃法，如還解決不了問題，再選擇電感沖閃法。一般經過儀器測出故障距離，沿電纜敷設路徑測出故障點的大致長度，使用直流高壓和球間隙對故障點進行放電，用定點儀測尋故障點放電聲，即可準確定位故障點。3.2.4實施辦法對電纜受潮的處理，電纜主絕緣層進水受潮時，由于故障點放電面積大，能量不集中，不能出現明顯的放電電弧，所以用二次脈沖法或三次脈沖法不能得到有效的故障波形。對于這種故障，在進行故障定位時要先對電纜進行燒弧。燒弧就是用測試設備給故障電纜施加一個高壓直流電壓，由于泄漏電流絕大部分都集中在故障點，故障點處由于電流的熱效應會產生較高的溫度，電纜絕緣層內的水分在高溫的作用下汽化膨脹，從電纜破損處排出電纜，絕緣層內水分構成的放電通道被打斷，出現放電間隙。在燒弧過程中要隨時注意調節燒弧電流大小，在保證燒弧效果的同時，盡量避免對電纜其它部位的主絕緣造成損傷。當故障點的水分充分排出后，不能擊穿的高阻故障就已經轉化為能夠擊穿的高阻故障，故障點的耐壓也可以有較大的提高，能夠出現強烈的放電電弧。這樣用二次脈沖法或三次脈沖法配合沖擊放電就可以迅速準確的定位故障點的位置。在電力電纜線路中，電纜接頭與終端頭故障約占全部故障率的三分之一左右。在電纜線路出現故障時，應首先考慮是否電纜接頭與終端頭故障，如果不是接頭與終端頭故障，電纜中間出現故障，基本也比照接頭故障處理辦法處理。再有，在處理電纜接頭與終端頭的切割制作過程中，一是刀口不宜過深，必須把握適當的力度，不留任何刀痕和毛刺，確保切剝和制作工藝質量；二是電纜接頭與終端頭的絕緣好壞，取決于工藝水平。老方法采取熱縮材料，并取決于熱縮材料和收縮加熱溫度，為保證收縮均勻，應根據火焰的大小，緩慢在其周圍有規律地移動，并適當保持一定的距離控制溫度（一般為110~120℃），防止烤焦和過份收縮,使熱縮管產生裂紋。收縮好的絕緣管壁應光滑無褶皺，能清晰看到內部輪廓。新方法普遍采用優質硅橡膠裝配、預制及冷縮接頭等新工藝。電纜接頭有兩種，一種是裝配式電纜接頭（日本廠家、韓國廠家、長沙電纜附件廠終端、沈陽古河中間接頭）、預制式電纜接頭（歐洲廠家、美國廠家、沈陽戶外終端）。裝配式電纜接頭電纜接頭對絕緣外徑（外徑誤差在0.5mm以內）、絕緣表面平整度要求較高（所用砂紙要求一般不低于600#）、對尺寸要求也比較嚴格（尺寸要求誤差在1mm以內）。相比較而言預制式電纜接頭技術比較先進，對絕緣外徑（EPDM型應力錐外徑允許變