10kV电力电缆的故障检测方法
介绍了10kV电力电缆故障产生的主要原因及故障类型，给出了电力电缆故障点查找的基本流程，同时对目前常用的故障粗测和精确定位方法进行了阐述。结合一起10kV电缆故障查找案例，对故障检测全过程进行了梳理与分析。最后，介绍了目前电缆故障检测新技术的应用。
随着城市建设的快速发展，电力电缆供电以其安全、可靠、稳定、节约线路走廊且利于城市美化等优点，被城市配电网广泛采用并逐步取代架空线路。然而由于电力电缆多埋设于地下，运行环境复杂，一旦发生故障，很难尽快的检测出故障点的确切位置。
如果长时间找不到故障点，将影响电力运行的可靠性和安全性，造成时间、物力及人力的极大浪费。如何提高故障检修效率，及时修复故障电缆，从而保证供电可靠性、提升优质服务水平、践行优质服务承诺，是供用电部门非常关心的问题。
1 电力电缆故障的原因和分类
1.1 电力电缆故障的原因
(1)机械损伤。机械损伤是电缆故障中最常见的，所占比例也最大。主要由于安装时损伤(划伤、扭曲、打折等)、外力直接破坏（建筑施工开挖、道路建设开挖、自来水管道开挖等等）、车辆碾压损伤、土地沉降造成的电缆接头和导体损伤。
(2)绝缘受潮。电缆终端头或中间接头密封工艺不良、附件制造质量不合格、金属护套被异物刺穿或腐蚀破损。
(3)电缆接头故障。电缆接头是电缆线路中最薄弱的环节，由人员直接过失(施工不良)引发的电缆接头故障时常发生。如接头压接不实、加热不充分等原因等。
(4)绝缘老化变质。电缆在运行中受电、热、化学、环境等因子的影响，电缆的绝缘都会发生不同程度的老化。
1.2 电力电缆故障的分类
目前电力电缆故障只可涉及三大类故障：导体故障（芯线及金属屏蔽层）、主绝缘故障和护套故障。但由于电力电缆的种类较多，结构组成不尽一致，加上人们的工作属性和人们的目的要求不尽相同等原因，使得电缆故障分类方法较多。
本文主要结合目前故障检测技术及故障点电阻值的大小对电缆故障进行分类，其电缆故障示意图及故障分类表分别如图1、表1所示。
图1 故障电缆示意图
表1 电力电缆故障的分类
2 10kV电力电缆故障点的查找
2.1 电力电缆故障点的查找流程
图2 电力电缆故障查找流程图
2.2 电力电缆故障检测方法
2.2.1 电力电缆故障粗测
（1）电桥法
电桥法是电力电缆测距的经典方法，其历史比较悠久。包括直流电阻电桥法、直流高压电阻电桥法和电容电桥法等。电阻电桥法只能测试一些单相对地或两相间绝缘电阻比较低的电缆故障；高压电桥法主要用于测试阻值大于10KΩ而小于兆欧的主绝缘单相接地故障或相间并对地故障;电容电桥法主要测试电缆的开路断线故障。
电桥法操作相对简单方便，但需要事先知道电缆的准确长度等原始资料，同时不适用于检测高阻故障。而实际电力电缆故障中的绝大多数为高阻故障。因为在故障电阻很高的情况下，电桥电流很小，一般灵敏度的仪表难以探测。
（2）行波法
1）低压脉冲法
低压脉冲法主要用于测量电缆的开路、短路和低阻故障的故障距离；同时还可用于测量电缆长度、波速度和识别定位电缆中间头、T形接头与终端头等。
测试原理：从测试端向电缆中输入一个低压脉冲信号，该脉冲信号沿着电缆传播，当遇到电缆中的阻抗不匹配点时，如开路点、短路点、低阻故障点等，会产生反射脉冲。根据反射脉冲和发射脉冲的往返时间差Dt及脉冲传播速度V，计算故障点的位置。如图3、图4所示，分别为开路故障测试原理电路、泄漏性故障（低阻故障）测试原理电路图。
图4 泄漏性故障（低阻故障）测试原理电路
2）高压脉冲法
高压脉冲法是利用高压信号使电缆故障瞬间变成短路或低阻故障，使故障点反射系数接近-1，故障点近乎产生全反射。通常有两种基本的闪络法，即直闪法和冲闪法。闪络法测试电缆故障时，电缆故障点形成的反射波是高电压脉冲波，不能直接通过仪器进行显示，通常需要取样器，将故障点在高电压作用下形成的高压脉冲转换成仪器所需要的低压脉冲信号。根据取样方式的不同，又分为电压法、电流法及电压感应法，其取样器原理图如图5所示。
图5 三种取样器原理图
其中, R1为分压电阻、R2为取样电阻、Lp 为电流取样器、C为储能电容、B为变压器。
直流高压闪络法（直闪法）：在故障电缆上施加直流电压，使故障点击穿房放电，发生闪络。然后通过记录测量故障点击穿产生的电流行波信号在测试端和故障点之间往返一次所需的时间t,再根据行波在电缆中的传输速度V，就可以计算出故障距离。直闪法主要用于测试电力电缆闪络性高阻故障，也可用于测试阻值特别高，但与完好相相比阻值较低的泄露性高阻故障。如图6所示为直闪法测试原理线路。
冲击高压闪络法（冲闪法）：由于直闪法所采用的直流高压电源的等效内阻比较大，电源输出功率受到了一定限制，对于绝大多数泄露性高阻故障，直闪法不能进行测试。
冲闪法正是利用大容量的充电电容作为直流高压电源，接到故障电缆使故障点闪络放电形成瞬间短路。主要用于测试电力电缆的泄露性高阻故障，也可用于测试电力电缆的低阻、开路及闪络性高阻故障。其测试原理线路与直闪法基本相同，不同的只是在储能电容与电缆之间串入一球形间隙，如图7所示为冲闪法测试原理线路。
图6 直流高压闪络法接线原理图
图7 冲击高压闪络法接线原理图
其中，T1为调压器、T2为高压试验变压器、C为储能电容器、L为线性电流耦合器、Js为放电间隙。
2.2.2 电力电缆故障点精测
（1）声测法
利用故障点放电时所产生的声波进行定点，声音传感器在电力电缆上方将声音信号检测出来，声音最大的地方为故障点所在的位置，离故障点越远，振动声音越小。
（2）声磁同步法
利用故障点在冲击电压作用下闪络放电时，同时接收故障点放电所产生的电磁波和振动声波，判断出所测信号是否由故障点的放电产生来准确的判断故障点位置。
（3）音频感应法
在被测电路的一端给电缆的故障相加一定功率的低压音频信号，当被测信号传输到短路或断线点后，却不能继续沿着电缆传输，从而电缆故障点两边将有明显的信号大小变化，如果在电缆路径的上方通过接收器来探测信号的变化情况，即可确定故障点位置。
同时电缆各项基础资料的准确性与完整性对提高故障点查找效率也非常重要，如电缆敷设走向、电缆总长度、电缆中间接头分布等。
3 现场应用实例
3.1 故障电缆基本情况
电缆型号为VLV22-8.7/10kV-3*35mm2 ；电缆敷设方式为直埋敷设；电缆标注长度为675m，测试长度为673.2m；1个中间接头。
3.2 确定故障电缆并诊断电缆故障性质
用兆欧表及万用表测量电缆三相对地绝缘电阻，A相对地为∞，B相对地为0.4MΩ，C相对地为∞；分别通过A相对金属护层、C相对金属护层，采用低压脉冲法测试电缆全长，测试长度为673.2m，与标注长度基本相符，从而确定故障为单相泄露性高阻故障，测试波形如图8所示。
图8 低压脉冲法实测波形
3.3 对电缆故障进行粗测与精确定点
采用冲闪电压感应法（CVGF），即在使用冲闪法时采用如图（5）c所示取样器。工作时，当电容C上的直流电压足够高时，球隙Js被瞬间击穿，产生瞬间脉冲电流和电压信号，电压信号由变压器B采集并输出，电流信号由Lp采集并输出[3]，通过测试仪器接收信号并显示测试波形。当电压升到12kV时，故障点形成闪络放电，闪测仪出现如图9所示波形，故障点粗测距离为656.6m。
图9 采用CVGF法实测波形
在粗测距离的基础上，采用声磁同步法精确定位。由于故障点距离对端较近，利用同步接收定点仪直接到对端定点，在距离对端约17m处（即距离测试点656.6m处）很清晰的听到了故障点放电声音，开挖后故障点就在此处。
故障点确认后，将其在故障点锯开并作简单处理，分段进一步用摇表测量电缆对地绝缘低阻，测量结果表明电缆不存在其他故障点。
4 目前电缆故障检测的新方法
4.1 电缆故障测距的方法
（1）实时专家系统
专家系统，即用计算机来模拟专家思维，解决某一领域内的重大问题。文献[5-6]指出，电缆故障测距专家系统将专家知识库作为电脑的基本数据库，用一套规则来维护和更新知识库。它根据故障定位的三个主要内容把任务分为三个阶段：故障诊断、故障预定位、故障精确定点。
（2）小波变换应用在电缆故障测距中
小波变换，具有表征特征信号突变特征的能力以及对非平稳信号的良好的处理效果，可以从不同尺度下信号小波变换的结果进行干扰分析和抑制、提取信号故障特征参数，实现故障测距。有学者用小波变换来检测行波准确到达时间，在输电线路上已经成功应用。相同的原理也可以用于电缆的故障检测，但因为电缆的距离比较短又埋于地下，行波传播过程更为复杂，要达到几米的精确测距，需要克服更多的困难。
4.2 电缆故障定点的新方法
（1）人工神经网络
人工神经网络(ANN)是一种新的信息处理理论，是以计算机网络系统模拟生物神经网络的智能计算系统。其具有良好的自适应性、自组织性和容错性，具有较强的学习、记忆、联想、识别等能力，现已广泛应用于电力系统中。电缆的故障测距是一种映射关系，即单端与两端故障电气量与故障点之间为一一映射关系，这种映射关系受到故障过渡电阻、系统运行方式等多种因素的影响[8]，很难用精确的数学模型来描述，而神经网络可以避开模型问题，从而为故障测距提供了崭新的途径。
（2）GPS(全球定位系统)行波故障定位
文献[9]成功地将全球定位系统(GPS)应用于电缆故障测距，将电缆故障测距技术推进了一步。该系统采用故障浪涌到达电缆两端的时间差来定位。
（3）分布式光纤温度传感器(FODT)
有学者利用分布式光纤传感器，将光纤复合到电缆中，做成光纤复合电缆，通过激光脉冲的注入时间反射光线的到达时间差来计算故障距离，同时通过检测故障点附近温度变化情况来实时监测电缆线路运行情况。这种检测技术成本较高，主要用于新敷设的重要电缆。
5 结论
电力电缆故障的检测需要理论知识和实践经验的结合，掌握绝缘击穿机理、测试仪器的结构和波形的形成过程来分析故障类型，抓住波形突变拐点进行比较对照，及时准确地查找出故障点并及时修复，提高电力电缆运行的可靠性。同时，在熟悉理论知识并不断实践的基础上多摸索、多总结，使得电缆故障测距、定点方法不断发展，不断改进。
（编自《电气技术》，原文标题为“10kV电力电缆故障检测”，作者为刘义平、曹婷 等。）