電纜故障測試儀：電纜故障查找方法及精確定位

?近年來,隨著國家城鄉電網改造和特高壓輸電網絡建設,越來越多的 0.4k-500kV 電力電纜投入電力系統運行。由于國內電纜制造、電纜工程施工、附件安裝、外力破壞等原因，導致 0.4kV--220kV電力電纜故障頻繁發生，嚴重影響了國家電網公司供電可靠性的提高和同業對標工作。根據電力公司----日本東京電力公司 2003 年公司年報，電纜線路占 75%的東京電力公司每年每個電力用戶平均停電時間僅為 2 分鐘（Duration and Number of Annual Power Outages per Customer），遠遠高于中國國家電網公司好水平。如何以快的速度準確定位電纜故障，迎頭趕上電力企業水平，是國內電力系統電力試驗科學院和供電公司電纜所目前 緊迫的技術和管理課題。

一、電纜故障的分類和性質判斷：

1、低阻故障：電纜相間或相對地故障電阻小于 1kΩ的故障稱之為低阻故障。

2、 高阻故障：相對于低阻故障，當電纜相間或相對地故障電纜值大于 1kΩ稱之為高阻故障，也對應于高壓電橋法。
3、斷線與開路故障：電纜的一芯或多芯導體或者金屬屏蔽層完全斷線或似斷非斷的情況，我們稱之為開路故障。

4、外護套故障：根據國家電力行業標準 DL586-1996《電力設備預防性試驗規程》，66k-500kV

??電纜聚氯乙烯（PVC）和高密度聚乙烯（HDPE）外護套對地絕緣電阻小于 500 兆歐姆或 5kV 直流耐壓試驗不能通過的缺陷或故障。

判斷電纜故障性質：

（1）需要萬用表和搖表（高阻計）各一只，為保證讀數的穩定和準確， 好是指針式表計；

（2）絕緣電阻測量，用搖表、萬用表分別測量線芯對地絕緣電阻和相間絕緣電阻；

（3）導體線芯連續性判斷，在電纜遠端將三相短路，在近端用萬用表測量相間導體電阻。

（4）如果導體線芯連續性試驗讀數為無窮大，則為斷線與開路故障。如果絕緣電阻落在低阻和高阻故障范圍，則判定為低阻或高阻故障。如果對66k-500kV超高壓電纜外護套測量，絕緣電阻小于500 兆歐姆或5kV直流耐壓試驗不能通過，則為外護套故障。

二、電纜預定位

??預定位方法有兩大類，電橋法和時域反射法 TDR 兩類。

??1、電橋法: 惠斯通/Murray 電橋法，由高壓發生器與橋體、高靈敏度檢流計組成。利用故障點兩側的電纜線芯電阻與比例電阻構成惠斯通/Murray 電橋，當檢流計指零時電橋達到平衡，電橋橋臂間對應電阻比值相等。又根據電阻率公式，線芯電阻之比等于電纜長度之比，得到電纜故障距離=電纜全長*定位旋紐指示比例。見下圖：

電橋定位接線圖

??電橋法中又可以細分為低壓電橋法和高壓電橋法。受測試電壓較低的影響，500V 的低壓電橋對電力電纜高阻故障很難準確測定。高壓電橋突破了電橋法不能用于高阻故障定位的傳統觀念，以高達 5kV 和 10kV 的直流高壓施加在橋體，電橋位于良好絕緣的高壓側，操作旋鈕安全接地，確保操作者人身安全。適用于高達 500 兆歐姆及以下的高低阻電纜故障定位；四端子接線法消除引線接觸電阻測量誤差，可獲得高精度定位比例。相對于時域反射法 TDR 電橋法還具有測量范圍無盲區、可測長度無限制等優點。

??高壓電橋法可覆蓋高低阻電纜故障，是對時域反射法的有力補充。尤其是近年來國內各地電力公司新上大量的 XLPE 交聯聚乙烯電纜，故障點難以形成導電區，擊穿點耐壓非常高，這類閃絡性高阻故障很適合使用高壓電橋。以雷迪 M 型電橋為代表的高壓電橋法具有低壓電橋法的全部優點，又具有以人為本，人性化設計，數據連接電纜準確傳遞電橋整體的工作狀態，有效避免誤操作情況下的人身和設備事故，是電纜故障定位技術中 安全放心的電橋。

1、 時域反射法

??根據二次世界大戰時期發明的雷達原理，測量裝置發射適中的脈沖信號，脈沖沿通信電纜、信號電纜、控制電纜和電力電纜的路徑傳播，在電纜故障點處反射回來脈沖信號，利用脈沖反射法原理得到反射波形，從反射的波形幅值和形狀可判斷電纜故障的類型和性質，如低阻接地故障、斷線故障等。

（1）低壓脈沖法：不施加高壓，直接將 60V-220V 的發射脈沖施加到故障電纜或好相，能測定絕緣電阻小于 1000 歐姆的低阻電纜故障。

（2）二次脈沖法
??在低壓脈沖法的基礎上，向故障點發射高壓脈沖，使故障點瞬間擊穿，利用脈沖在故障點和近端來回反射的原理，測量反射時間，計算出電纜故障距離。此方法國產儀器上使用已很多，但是其實際波形非常復雜，需要訓練有素和富有經驗的專業人員才能掌握。

（3）弧反射法
??弧反射法對故障電纜施加三個脈沖，其中的高壓脈沖瞬間擊穿故障點；低壓脈沖發射測量脈沖，并接收反射信號；中壓脈沖延長燃弧時間，給低壓脈沖采集反射信號留出充裕的時間。因而弧反射法沒有利用儲能電容放電起始瞬間產生的脈沖來檢測反射時間，而是避過電容放電過程

??起始部分雜亂的波形。在電容放電波形穩定后，故障點電弧仍然維持，發射一個低壓脈沖，使脈沖在故障點產生短路反射。當故障點電弧熄滅后，電纜故障定位系統再向電纜發射一個低壓脈沖，比較 2 個脈沖的波形，其分歧點處即為電纜故障點，因此弧反射法波形清晰明了，無須反復培訓和測試經驗的人員都能快速準確測到電纜故障點，代表著今后 10-20 年的電纜故障測試技術方向。
附下圖：弧反射法原理圖

三、準確定點

1、 聲磁同步法
??沖擊發生器在電纜故障點處引起閃絡后會產生磁場和強烈可測聽的閃絡聲音。由于聲磁傳播速度不同,聲磁同步定點儀探頭可先后拾取該磁場和聲場，且接收器顯示屏可自動顯示該時間差，當探頭位于故障點的正上方時，距離故障點 近，因而時間差也 小，此處即為故障點的準確位置。

2、 跨步電壓法
??由高壓發生器與定點儀共同組合使用，通過兩根接地鐵釬，尋找土壤中電勢 低點而準確定點。在故障點處流入大地的測試電流導致故障點處為正負電壓峰值轉換點，在故障點前接近故障時，跨步電壓增加，越過故障后跨步電壓減小，并且極性改變。在接地故障點正上方時，定點儀指針停在零位，此處即為電纜故障點的準確位置。附下圖：跨步電壓法原理圖

四、電纜外護套故障定位

1、外護套故障預定位
??外護套故障預定位有 2 種基本的方法，電橋法和電壓降法。電橋法定位準確，操作方便，但易受干擾。構成橋路的兩根電纜包含很大的面積，附近正在運行的電纜，汽車火花塞的干擾，化學電勢等等，使電橋無法平衡。此時，用電壓降法預定位定位更為實用。因此經實踐篩選后的方法是電壓降法。

??下圖中,XP 及 PY 間的電阻之比，等于其長度之比。若在 X 點與地之間加高壓，電流經 Rp 流入地 。通常 Rp 值較大，與所加電壓有關，電流往往不穩定，專門設計的高壓定位電源，強制電流穩定，且在 20 到 100mA 范圍可調。相同電流值下，測量 XP 段的電壓降 U1, PY 段的電壓降U2,得到L1 =LU1/（U1+U2）

2、外護套故障準確定點：跨步電壓法

??由于超高壓電纜外護套難以承受沖擊聲測法時的沖擊電壓，所以對于外護套故障準確定點 好是用跨步電壓法。

??由高壓發生器與定點儀共同組合使用，通過兩根接地鐵釬，尋找土壤中電勢 低點而準確定點。在故障點處流入大地的測試電流導致故障點處為正負電壓峰值轉換點，在故障點前接近故障時，跨步電壓增加，越過故障后跨步電壓減小，并且極性改變。在接地故障點正上方時，定點儀指針停在零位，此處即為電纜故障點的準確位置。

??總之，在電纜來到中國 110 多年的時間里，電纜故障定位就始終伴隨著電纜的運行、檢修和試驗專業技術人員。電纜故障測試儀器技術需要四個步驟，電纜故障性質判斷、預定位、電纜路徑定位、準確定點。其中的準確定點，現場挖開故障點后眼見為實是儀器優劣的決定性判斷依據。電纜故障測試實踐證明，技術發展的代表性趨勢是一體化的電纜故障定位系統、全自動的外護套定位系統和高壓電橋三類儀器，可以解決電力系統遇到的各種電纜故障。