曾江川 柴燕 陈晶炜 熊雁波
成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610092
【摘 要】 在电缆故障的探测方法中，采用行波测距法，低阻、短路与断路故障采用低压脉冲反射法，高阻与闪络性故障采用脉冲电流法，两者都是通过脉冲信号在故障点与测量点之间往返一次的时间测距，都具有接线简单、可操作性强、安全性高、精度准确的优点。但也存在脉冲波形采集不到、波形复杂、无法识别等缺点。通过大量的实践测试，研究了这两种常用方法的原理和技巧，提出了实际测试过程中的方法，该方法可以有效解决上述存在的问题，可更快、更准确地探测出电缆高阻故障。
【键词】 电缆故障；高压脉冲电流取样；二次脉冲
1 引 言
相对于架空线供电，采用电力电缆供电具有运行可靠性高、线间绝缘距离小、人身安全可靠、电缆电容较大等优点。虽然电力电缆供电有许多优点，但由于电力电缆埋于地下，实际埋设环境比较复杂，电力电缆故障情况多种多样，一旦电力电缆发生故障，寻找故障点就十分困难，往往需要花费数小时甚至几天时间来，不仅浪费了大量的人力物力，而且因停电造成难以估量的损失。
电缆故障可分为低阻故障、开路故障和高阻故障（包括高阻泄漏故障和闪络性故障），电力电缆的高阻故障几乎占全部故障率的90％以上。目前，电力电缆故障测距普遍采用行波测距法，低阻和开路故障采用低压脉冲反射法，高阻故障则采用脉冲电流法。但脉冲电流法探测高阻故障时，存在脉冲电流波形采集不到、波形不规则、不易识别、电缆故障精确定点存在环境干扰、操作员经验等因素的影响，造成故障测试困难、测试时间长等缺点。通过对电力电缆高阻故障测试技术原理和方法的研究，并结合实际工作中的经验，通过不断摸索和改进，解决以上问题，达到了快速、准确地探测电力电缆故障点的目的，将电缆故障造成的停电损失降到了最低限度。
2电力电缆故障产生的原因及探测步骤
2.1电缆产生故障的原因
电缆产生故障的原因大致可分为机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化变质、过电压、材料缺陷、保护层腐蚀、电缆过热、电缆绝缘物流失以及中间/终端接头的设计制作工艺问题，制作工艺缺陷造成的电缆故障不多，而机械故障损伤引起的电缆故障占大多数，另外，发生故障常见的部位在中间/终端接头，常常因施工质量不良、工艺差、用料不当、安装时残留潮气等，在运行一段时间后逐步形成故障。
2.2电力电缆的探测步骤
电力电缆探测步骤一般包括电缆故障的诊断、测距（粗测）、精确定点三个步骤。电力电缆故障性质诊断就是根据故障性质来确定故障类型，选择适当的测距方法和定点方法。电缆故障测距就是在电缆一端连接测试仪器，判断故障点的大概位置；电缆故障精确定点就是利用定位仪在粗测故障点附近查找故障点放电声音、电磁脉冲信号来确定故障点的具体位置，常见的方法有声测定点法、声磁信号同步接收定位法和音频感应法。
3 电力电缆的故障分类与探测方法
3.1低阻故障和开路故障
凡是电缆故障点绝缘电阻下降至该电缆的特性阻抗（甚至直流电阻为零）的故障均称为低阻故障或短路故障；凡是电缆绝缘电阻无穷大或虽与正常电缆的绝缘电阻值相同，但电压却不能馈至用户端的故障均称为开路（断路）故障。
对于低阻、接地故障及断路故障，寻测的方法包括测量电阻电桥法、电容桥法、脉冲测量法和驻波法等常用的方法，由于低阻故障和开路故障在实际中出现的概率较小，并且测量方法比较简单实用，因此本文着重介绍高阻故障。
3.2电力电缆的高阻故障
电缆故障点的直流电阻大于该电缆的特性阻抗的故障均称为高阻故障。高阻故障包括高阻泄漏和闪络性故障。高阻泄漏是指在做电缆高压绝缘试验时，泄漏电流随试验电压的增加而增加，在试验电压升高到额定值时，泄漏电流超过允许值。闪络性故障是指试验电压升至某值时，监视泄漏电流的电表指值突然升高，表针呈闪络性摆动，电压稍有下降此现象消失，但电缆绝缘仍有极高的阻值，闪络性故障点没有形成电阻通道，只有放电间隙或闪络表面的故障。
高阻故障的表现形式多种多样，可以是“高阻泄漏故障”或者是“高阻闪络性故障”，或者是二者兼有之。
在高阻故障的寻测方法中，传统方法包括“烧穿”法、高压电桥法、直流高压闪络法、冲击高压闪络法、冲击高压终端闪测法、直流闪络测量回路法和高压脉冲电流取样法。近年来随着技术的发展，二次脉冲法和多次脉冲法已经成为寻测高阻故障的主流，并向多次脉冲法的方向发展[1]。本文结合多年的实际工作案例，对高压脉冲电流取样法和二次脉冲法在实际工作中的一些经验进行了总结，使电力故障检测人员能更好更快地寻测到电缆故障。
3.3 高压脉冲电流取样法和二次脉冲法的优缺点
在多年电力电缆故障寻测实践中，高压脉冲电流取样法线路简单方便，可从电气上把测试仪器与高压放电回路隔离开来，安全性大大提高，同时电流取样所得的波形规范、清晰、拐点明显，较之常规的电感微分，其水阻分压获取的复杂电压波形要简单得多，更便于操作人员分析掌握，而且测试精度也相对提高不少，但在实际测量过程中，存在脉冲电流波形采集不到或者波形不规则、不易识别，造成故障距离测试困难，测试时间长等缺点。
二次脉冲法使现场测得的故障波形得到大大简化，将复杂的高压冲击闪络波形变成了非常容易判读的类似于低压脉冲的短路故障波形，降低了对操作人员的技术和经验要求，提高了现场故障的判断准确率。但是在使用二次脉冲法时，为使故障点充分击穿，所加的冲击高压往往会比常规的电流取样法要高，对被测电缆的绝缘损害较大，并且如果故障点在电缆始端或近始端，波形复杂，精确读数困难，给探测故障点引入了误差。
4高压脉冲电流取样法
4.1高压脉冲电流取样法的原理
高压脉冲电流取样法就是利用电流传感器，将电缆中在故障点击穿放电时的瞬态电流波传输过程记录下来，并根据故障点放电脉冲在测试端和故障点间来回反射时间来计算距离的方法。高压脉冲电流取样法可分为冲击高压闪络测试法和直流高压闪络法。4.1.1冲击高压闪络测试法
图1所示为冲击高压闪络测试法原理接线图。其中T.V为调压器，P.T为升压变压器，D为整流二极管，C为贮能电容，J为放点球间隙，L为电流传感器（亦称线性电流耦合器）。此方法适用于电缆高阻泄漏故障，经典波形如图2所示。
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在冲闪法脉冲电流波形中，第一个脉冲与第二个脉冲间的时间差往往大于后面各脉冲的时间差t，多一个△t，这是由于故障点被电离击穿前，往往有个电压积累上升过程，而电压积累时间△t又因所加冲击电压幅值不同而呈随机状态。冲击电压越高，△t时间越短。所以我们只用第二个脉冲以后的各脉冲间的时间间隔t来换算故障距离。
4.1.2直流高压闪络法
图3为冲击高压闪络测试法原理接线图。其中T.V为调压器，P.T为升压变压器，D为整流二极管，C为贮能电容，J为放点球间隙，L为电流传感器（亦称线性电流耦合器）。直流高压闪络法得到的脉冲波形如图4所示。
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图4 直流高压闪络法典型波形
与冲击高压闪络法不同的是，在波形判读中，与冲闪法不同之处在于每两个脉冲间的时间间隔均是相等的。任意两脉冲间的时间差都可以代表故障距离，不存在故障点迟延时间△t的问题。
4.2 高压脉冲电流取样法的的测距技巧
以上我们分析了高压脉冲电流取样法的接线原理，但是在实际使用过程中，经常遇到脉冲电流采集不到、波形不规则、无法识别等现象。通过大量的实践经验，我们总结了以下改进方法，能使高压脉冲电流取样法准确获取脉冲电流波形，快速测试出故障点位置。
（1）实际测试中，为安全起见，高压设备、电容器外壳、电缆的完好芯线一定要就近接地，如图5所示。特别是高压设备正常工作时，D1必须接地，以至于在故障电缆测距时常常出现采集不到波形和波形识别困难等问题。仔细分析，当D1和D2两处同时接地后，会有分流信号的作用，行波经过接地网传播时会造成脉冲电流波形不规则，使波形识别困难，甚至使线性耦合器采集不到波形，导致测试人员误认为是故障点没有被有效击穿，从而不得己采取“烧穿法”，将高阻故障当成低阻故障后，使用了低压脉冲法测距的办法，这样不仅使测试时间延长2至3天，费时费力，对电缆也造成了损坏。
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图5 改进后冲击高压闪络测试法原理接线图
通过大量实践得到以下结论：在确保D1可靠接地时，将接地线D2悬空，不接地，同时尽量缩短电容与电缆铠甲之间的连接线，并选择电阻较低的粗连接线，这样可有效排除线性耦合器采集不到波形或者波形不规则的现象。
（2）对于冲击高压闪络中储能电容器C的容量，一般认为电容器C的容量为2～4uF已足够，但对于较长电缆线路或者闪络故障，绝缘电阻较高，在冲击电缆实际测试时，往往采集不到波形，这是由于故障点没有被有效击穿。根据公式W=CU2 ，电压U由于受到仪器电缆的限制，不能超过50％～70％的预试电压，而电缆承受的电压达到2倍U，电压过大对电缆绝缘不利。当U一定时，W与C成正比，电容量U越大，冲击能力W越大，故障点起弧时间越长，放电越充分，就越容易获得测试波形，避免了长时间对电缆的冲击放电，同时也可以解决低压电缆高阻故障测试的难题。
（3）对于球间隙的距离调整，放电时间间隔一般取2s左右，太快会使试验设备易损坏，太慢则容易受到外界的干扰，球间隙放电声音清脆响亮，火花较大，同时电流表指针摆动范围大时，故障点击穿效果最好。
4.3 使用高压脉冲电流取样法的实际案例
例如，某电缆故障跳闸，微保显示速断动作。用2.5KV兆欧表对电缆故障进行诊断：C相对地及相间电阻值为2500MΩ，A相对地电阻值20MΩ，B相对地电阻值4MΩ，A相对B相电阻值20MΩ左右，用500型指针三用表检查三相导通（末端三相短接）A、B相间短路故障，判断为电缆高阻故障。
使用冲闪法粗测故障点位置的方法：使用电子科技大学思创公司的SP-310电缆故障测距仪系统（波速度160M/US），用低压脉冲反射法测出电缆全长1450m。使用冲闪法粗测故障点位置：接线如图1所示，得到了不规则波形，无法判断故障点位置，后改进接线，使电缆接地线悬空，接线如图5所示，将接地线D2悬空，同时把电容与电缆铠甲之间的连接线更换为短粗的连接线，获得规则波形，测出电缆故障距离426m。
使用RSD-7A声磁同步定点仪，精确定点故障位置为425m处。与粗测位置相差1m。挖出电缆后，证明此方法非常有效。整个测距时间不到2小时，省时省力。
5 二次脉冲法
5.1 二次脉冲法的原理
二次脉冲法又称“高压弧反射法”（即集合高压发生器冲击闪络技术），在故障点起弧的瞬间，通过内部装置触发一低压脉冲，此脉冲在故障点闪络处（电弧的电阻值很低）发生短路反射并记忆在仪器中，电弧熄灭后，复发一测量脉冲通过故障处，直达电缆末端并发送开路反射，比较两次低压脉冲波形，可非常容易地判断故障点位置。
二次脉冲法的实质仍然是冲击高压闪络法[2]。故障点被冲击高压击穿时，必然会产生余弦大振荡和击穿时故障点所产生的阶跃电流波形，这些波形对于一般冲击高压闪络法电流取样法判断故障点是否击穿和标定故障距离非常有用，但是对于二次脉冲法的波形观察却是一种干扰波，所以必须对二次测试脉冲的发射时机给予适当延时，如果延时太短，不能完全避开大振荡周期，如果延时太长，又可能因为电缆故障点电弧熄灭，测不到故障回波[3]。
二次脉冲法的接线原理如图6所示，典型波形如图7所示。
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5.2 二次脉冲法的测距技巧
使用二次脉冲法探测电缆故障时，必须注意以下几个方面：
（1）工作地线必须和系统地线连接在一起，以确保被测试相与仪器成为一闭合回路，便于获得正确的测试波形。同时为了确保人员及仪器的安全，各接地点一定要接触良好。
（2）冲击高压的幅值一定要高，必须保证故障点充分击穿，否则采集不到故障回波。这时只能看到两个终端开路波形，故障点击穿后，屏幕上显示的两个波形是有区别的。上半部波形是用低压脉冲法测得的电缆开路全长波形，下半部波形是故障点被高压击穿电弧短路时用低压脉冲法测得的短路故障波形。故障回路波的极性一定向上，与开路全长的终端反射回波的极性相反，且标定距离一定小于电缆全长。
（3）在二次脉冲法测试中，关键点是冲击高压击穿故障点后，必须在故障点电弧持续时间内发送故障测试脉冲，同时还必须避开冲闪形成的余弦大振荡，以保证测试波形平直，没有大振荡和故障闪络回波的干扰。现场测试中，每打一次冲击高压，都要观测故障回波波形是否平直，如果波形严重倾斜，表示发射脉冲过早，应增大延时系数，也可通过储能电容的容量，延长击穿电弧持续时间，同时加大延迟系数，来得到理想的波形。
（4）对于远距离故障，由于回波较弱，其回波前沿拐点变化较缓，判断故障点拐点的起始点有一定困难。此时应将两次测得的脉冲基线重合起来，其故障回波基线的前沿与全长波形的基线分叉处，用游标卡在该处也可较精确测得故障距离。
（5）由于在二次脉冲法测试过程中，高压设备与故障电缆之间串有“二次脉冲产生器”，实际上加到电缆故障相上的冲击高压较高压发生器输出的电压低一些，如果高压发生器的输出电压已经达到35KV，故障点还未被击穿，此时应更换测试方法，如采用二次脉冲终端测试法，将被测电缆的终端完好芯线和故障芯线用放电球隙连接，在电缆始端将35KV的直流高压通过完好芯线加在终端球隙上，并且利用完好芯线的分布电容，加大冲击功率，此方法可以有效击穿故障点，得到较为理想的波形。
6 结束语
本文给出了在电力电缆的高阻故障中，应用高压脉冲电流取样法和二次脉冲法来探测电缆故障的经验技巧。因为电缆的故障多种多样，且有的电缆故障隐蔽性较强，不论是利用何种设备和方法，最关键的因素还是需要操作人员具有扎实的理论基础和大量的实践经验。所以，电缆维护和测试人员必须通过不断学习理论知识，通过对大量现场实测波形的具体分析，才能提高电缆故障距离的准确判断能力。