配网电力电缆故障探测及定位技术的实现

刘泊辰，张卫东，高盛，刘冰，高原

（国网淄博供电公司，山东 淄博 255000）

0 引言

在我国经济快速发展的大背景下，电力工业也面临着深化改革和快速发展的艰巨任务，国家电网必须加快电力工业的智能化发展，提高电力利用效率和配网电力电缆的安全性和可靠性。电力电缆作为电力传输的主要通道，相比于传统的高空架设线路，电力电缆常埋于地下，在空间方面不受地面和建筑物的影响，在外部环境方面不受风吹、日晒等恶劣天气因素的影响，具有安全、隐蔽、耐用等优势，应用非常广泛，尤其是在城市化快速发展的今天，电力电缆的覆盖面积不断扩大。配网电力电缆虽然具有很多优势，但是长期埋于地下处在潮湿环境当中，容易受到腐蚀，影响电力电缆的绝缘性，如果不能及时发现并进行维护，将会造成严重故障，因此，配网电力电缆故障探测和定位技术就成为了电力工作者所关注的焦点问题。

1 配网电力电缆故障原因的评价

在城市建设过程中，由于土地资源的稀缺，传统的架空线路已经严重影响城市的规划和发展，逐步使用地下电缆线路替代传统架空线路。因此，配网电力电缆在城市电力基础设施中具有重要地位，配网电力电缆的质量，将直接决定着城市生产、生活用电的安全性和稳定性。随着电缆技术的发展，承受电压等级也由低到高逐渐得到突破，绝缘材料也由天然橡胶，转化为油浸纸绝缘、气体绝缘、合成橡胶、聚氯乙烯、交联聚乙烯等新型材料，但是，由于电力电缆常深埋于地下，日常维护和检修工作存在诸多不便，因此，在对配网电力电缆维护管理过程中，需要对其故障产生的原因进行深入分析，制定针对性的维护措施。实践调查得知，配网电力电缆故障根据其故障产生的原因，主要分为本体故障和外体故障两个方面，（故障类别如图1所示：）下文对配网电缆故障产生的原因进行具体分析：

1.1 电缆本体故障

图1 配网电缆故障类别Fig. 1 Fault category of distribution network cable

电力电缆本体故障包括：制作工艺问题和材料缺陷，而导致的电缆过热和过电压等问题。由于电缆在传输电能的过程中会产生一定的热量，这种热量会随着电流的增加而升高，如果电缆在设计过程中电阻不符合要求，超出核定负荷时，会产生发热现象。当传输电能所使用的电力电缆选择不当，导体截面过小，就会在运行中产生过载现象，长时间在过载状态下运行可能导致电缆集中发热，一旦散热不均匀同样会造成发热现象[1]。在配网电力电缆安装过程中，如果通风设计不合理，电缆安装过于集中，或者靠近其他热源，在长期使用过程中也会导致通风散热效果不好，产生发热现象。此外，如果配网电力电缆制造工艺存在缺陷，电力电缆压接不紧密，会导致接触点的电阻过大，在相同的电流情况下，电力电缆阻值较大的部位，所产生的电压就越高，进而导致发出的热量不断增大，从而产生故障隐患，影响电缆的正常运作。

1.2 电缆外体故障

配网电缆的外体故障，主要包括：环境因素影响和敷设施工过程中造成的机械损伤。由于长期处在地下潮湿环境当中，一旦受潮电缆的绝缘设施很容易受到腐蚀的渗透，保护层受到腐蚀导致电缆绝缘老化或者受潮，性能受损，影响电力电缆承受电压等级和载流量，出现电缆故障。由于受到敷设施工工艺的影响，在敷设电缆过程中造成电缆外皮机械损伤，长期使用过程中，防水和绝缘性能下降，再加上一些电缆材料自身的材料缺陷，在外力作用下导致电缆断裂等现象，一旦出现这类故障，很容易导致电力电缆短路，影响电力传输的安全性和可靠性[2]。

2 配网电缆故障诊断与定位技术的实现

配网电缆作为电能主要输电线路，主要分为地下输电线路、水下输电线路以及空气中输电线路三种类型，由电缆线路路径、电缆本体、电缆附件、接地系统和在线监控设备组成。其中监控设备主要负责对电缆运行状态进行实时监控。由于电缆处于不间断工作状态，电缆故障可能出现在线路施工、调试、维护等任何阶段，除了少量的电缆故障出现在施工、调试阶段外，更多的电缆故障出现在维护运行期间。配网电力电缆在长期使用过程中，绝缘老化等问题会逐渐显现，一旦造成配网电力电缆故障会给用户带来极大的困扰，这就要求电力企业必须熟练的掌握电缆检测方法。对于配网电缆故障的检测，首先，需要探测电力电缆敷设路径，对于多条电缆同时敷设的电缆沟，还需要将故障电缆从多条电缆中区分出来。目前。在电缆故障检测中，多数采用高压检测和低压检测两种方法，其中高压检测适用于低阻、断路、高阻等各种情况的电缆故障，低压检测方式适用于低阻、断路情况，因此在实际检测中多数采用高压检测方法，从而提高电缆故障检测的准确性[3]。

2.1 故障诊断技术

本文主要研究红外热成像技术（TIS）在配网电力电缆故障诊断过程中的应用，该技术借助红外辐射探测技术能够快速、有效的通过非接触的方式获取配网电力电缆的运行状态信息，波长为0.75μm到1000μm，具有抗干扰性能强和高可靠性等特点，突破人类视觉障碍，使人们可以直观获取物体表面的运行状态。因此，在电力行业具有广阔的应用前景。基于TIS技术的红外辐射探测仪，缩小了单点红外测温仪与热像仪之间的差距[4-5]。由于搭载了微型红外传感器，该设备可以通过扫描配网电缆表面，然后快速探测其运行的热量，拍摄出热度场分布图像，然后经二次处理得到温度场数据分布图，建立传热数学模型，根据配网电缆的结构参数、性能参数，环境温度进行故障诊断，从而准确定位测量点[6-7]。如图2所示：

图2 红外成像技术过程Fig. 2 Infrared imaging technology process

常见的电缆故障分为：开路故障、低阻故障以及高阻故障三种类型，其中开路故障通常是指电缆间或电缆对地的电阻值在规定值范围内，但实际工作电压无法向终端传输或电压传输没有负载能力，这些都属于开路故障，同时也是最为常见的一种故障类型。当电缆与电缆间的绝缘有损坏现象或电缆对地的绝缘有损坏现象时，电缆绝缘电阻必然会减小，在电缆绝缘电阻小于电缆特性阻抗时，称之为低阻故障。当电缆间或电缆对地的绝缘电阻小于正常值，但比电缆特性阻抗大时，称之为高阻故障。由此可见，配网电缆故障主要是根据故障电阻值的大小来确定，而故障电阻值又直接影响着发热功率，进而影响着红外辐射探测仪器的探测精度。当配网电缆发生故障时，红外辐射探测技术能够轻松探测到故障部位出现的热点和冷点，即刻排除故障，并存储图像和数据，生成故障报告并提交给用户。

2.2 故障定位技术

配网电缆故障探测诊断过程，需要经过故障类型的诊断、故障点测距、精确定点三个主要步骤。故障类型诊断主要是确定电缆故障点的故障相别，属于高阻接地或者低阻接地，以便于检修人员选择适当的检测方法。故障点测距也叫预定位，故障电缆芯线上施加测试信号或者在线测量、分析故障信息，初步确定故障的距离，尽量缩小故障范围，以方便精确定点的进行[8]。配网电力电缆故障定位仪器主要采用低压脉冲、冲击高压电流以及多次脉冲的测试方法，具有接收灵敏度高、静态漂移小、抗干扰能力强、准确度高、工作稳定、交直流两用等特点。本文设计的电缆故障定位仪器主要由：主机、发射机、接收机、感应式探头、电位差式探测架等组成。其中，主机具有液晶数字显示屏以及触摸控制功能，具体工作参数如表1所示：

表1 电缆故障定位仪器工作参数Tab 1 Cable fault location instrument working parameters

主屏显示器具有触摸控制功能，全电脑操作平台集成化软件，彻底实现了智能化控制。电缆故障定位仪器采用最新的USB通信接口，采集信号稳定，主机可自动选择最低6MHz、最高达48MHz四种采样频率，能满足电压等级下的配网电力电缆故障探测要求，并且具有较高的探测精度。同时，该电缆故障定位仪的软件可以进行故障自动搜索，方便管理人员进行远程控制，双游标移动可精确到0.15m，波形可任意压缩、扩展重叠，同屏随机显示多个更接近标准波形的低压脉冲波形供您选择叠加位，最大限度的提升故障探测精度，减少误差。此外，电缆故障定位仪器还具有声磁同步净噪精确定点功能，直接采用数字显示故障点距离，具有故障点定位准确、时效性好等优点。该设备具有高端采样器，取代了繁琐的现场接线步骤，先进的主机脉冲电源电路，使得波形更加直观和分析判断。该电缆故障定位仪还可测试各种不同电压等级、不同截面、不同介质及各种材质的电缆故障，包括：开路、短路、低阻、高阻泄漏、高阻闪络性故障，从而满足不同电缆运行环境的定位监测，提高电缆故障检测的适用性和可靠性[9]。

3 结论

综上所述，在智能化电网快速发展的大背景下，智能电缆故障测试仪是迎合工业级电力行业方案以及互联网技术发展的需要，突破传统电缆故障测试方法的局限性，采用工控嵌入式计算机平台、网络通信、USB传输技术等进行整合，极大提高了仪器的使用功能和利用价值。特别是在城市化快速扩展的过程中，对于日益增多的地埋电缆故障，提供了一套多方案电缆故障检修服务方式，从而有效提升电力电缆运行的可靠性及稳定性，增加电力企业管理的经济效益。