10 kV单芯电力电缆故障成因分析及查找方法

陈 飞 中国铁路上海局集团有限公司南京供电段

1 引言

高速铁路供电系统中采用了大量的单芯10 kV 电力电缆，从而提高了铁路供电系统的供电可靠性。但是电缆运用过程中会出现各类故障。由于由于高速铁路单芯电缆的长度较长、故障点较隐蔽，故障查找较困难，查找周期长，极易影响高铁电力系统的安全稳定运行。因此，分析10kV 单芯电力电缆的故障成因，总结故障类型，提升电缆故障的处理效率，是提高行车安全的有力保障。

2 常见故障原因

2.1 机械械损伤

机械损伤引起的电缆事故占电缆事故60%左右比例，如：（1）直接受外力损伤，这方面的损坏主要有施工和交通运输所造成的损坏；（2）安装时的损伤，在安装时碰伤、拉伤电缆或者因弯曲过度而损伤电缆；（3）自然力造成的损坏，中间接头和终端接头受自然拉力和内部绝缘胶膨胀的作用所造成的电缆护套裂损等。

2.2 绝缘受潮

中间接头或终端头结构不密封或安装不良而造成绝缘受潮。电缆制造不良在金属护套上留有小孔和裂缝等缺或金属护套被外物刺伤也会使电缆受潮。

2.3 过热

电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热而使绝缘炭化以及电缆过负荷都会产生过热。安装于电缆密集地区或电缆沟以及电缆隧道等通风不良处的电缆，都会造成电缆过热从而使绝缘加速损坏。

2.4 过电压

过电压主要是指大气过电压（雷击）和电缆内部过电压。实际运行经验表明，许多电缆终端头的故障是由大气过电压引起的。

2.5 设计和安装的问题

中间接头和终端头的防水设计不周密，选用的材料不当，电场分布的考虑不周，工艺要求不严密，机械强度的裕度不够等是设计中常见的问题。拙劣的接头与不按技术要求敷设电缆或者在潮湿的气候条件下作接头，使接头混入水气也是形成电缆故障的重要原因。

3 故障类型

按故障现象分类，可分为开放性故障和封闭性故障。按故障位置分类，可分为接头故障和电缆本体故障。

（1）接头故障：2017年初管辖范围内发生一起10 kV高压电缆因前期新线施工过程中，电缆中间接头铜连接管压接不实，又遇冬季温度变化电缆线芯逐渐从中间接头铜连接管中缩出并与铜连接形成尖端放电，导致电缆主绝缘逐渐被击穿，形成故障跳闸。

（2）电缆本体故障：通常因为电缆制作工艺不高，铜芯电缆杂质较多，主绝缘与半导体层工艺不良而导致，也可能在运输过程中，电缆发生严重的磕碰，导致电缆绝缘性能下降而导致。

按接地现象分类，可分为单纯的开路故障、相间短路、单相接地。

（1）开路故障：类似一根电缆被完整的一切为二，线芯钢铠完全分离。通常由电缆路径上遭遇施工器械（比如挖掘机）野蛮施工切断而致。

（2）相间短路：这类故障在高铁电力上比较少见，高铁线路多为单芯电缆，不同于三芯电缆一体式组成，完全是由三根单芯电缆组成，相间有一定距离，同时发生两根或以上击穿短路的可能性较低。

（3）单相接地：高铁电力最常见的故障。发生故障原因基本是由于单芯电缆绝缘薄弱点被击穿，造成线芯与钢铠距离接近，或线芯与大地接触，造成短路跳闸故障。

按绝缘电阻的大小分类：低阻故障、高阻故障、开路故障、闪络性故障。

（1）低阻故障：通常为主绝缘击穿后线芯与钢铠距离过近或接触造成，一般使用万用表测得线芯与钢铠接地间的电阻＜200 Ω。

（2）高阻故障：通常为主绝缘击穿后线芯与钢铠保持一定距离，未直接接触或是线芯被击穿后与地保持一定距离，一般使用万用表与绝缘电阻表配合使用，线芯与钢铠间的绝缘电阻＞200 Ω，＜400 MΩ。2018 年、2019 年管辖设备分别遇到该类故障，检查发现是电缆外护套在施工中在电缆槽道中强行拖拽磨破，在经过雨水浸泡，钢铠锈蚀后，内护套受到影响，造成电缆出现薄弱点，形成放电跳闸。

（3）开路故障：一般为断线故障，一根电缆被分为两根电缆，绝缘阻值等正常，需要通过电缆故障测距仪测得电缆长度与原电缆长度进行比对。

（4）闪络性故障：一般测得电缆绝缘阻值＞400 MΩ，正常使用时不会出现情况，一旦线路电压电流升高就会出现绝缘薄弱点瞬间击穿放电引发跳闸，放电过后重合闸电压电流未达到击穿绝缘临界值，又能正常运行。通常采用直流耐压测试，升高电压持续耐压，已达到彻底击穿电缆的绝缘薄弱点，使故障点直接暴露出来后再进行处理。

4 故障点的现场查找方法

目前高铁单芯10 kV 电力电缆故障查找对人员技术与经验的要求较高，故障点查找一般要经过查看故障电缆基本情况、故障性质诊断、故障测距、精确定点4个步骤。

4.1 查看故障电缆基本情况

电缆基本情况是指完善的电缆资料，包括长度、路径走向、中间接头位置、电缆出厂资料等。这些电缆资料的完整齐全能使故障点查找事半功倍。

4.2 故障性质诊断

通过绝缘电阻表测量电缆的导电性能和绝缘性能来了解故障电缆的有关情况，初步确定故障的性质，从而选择适当的测试方法对电缆故障进行具体的诊断，具体情况如下表。

4.3 故障测距

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，为精确定点提供足够精确的信息。 这是电缆故障测试过程中最重要的一步，下面为几种为高铁单芯10 kV电力电缆故障常用测距方式。

4.3.1 测距方法之低压脉冲法

适用范围：低阻短路故障（绝缘故障电阻小于几百欧的故障）、开路故障。此类故障约占电缆故障的10%。低压脉冲法还可用于测量电缆的长度、电磁波在电缆中的传播速度，还可用于区分电缆的中间头、T型接头与终端头等（见图1）。

图1 断线故障波形

4.3.2 测距方法之脉冲电流法

适用范围：脉冲电流法可测量向故障电缆施加高压后，故障点能击穿放电的故障。适用于高阻泄漏性故障、闪络性故障与低阻故障等，此类故障约占电缆故障的90%以上（见图2）。

图2 典型的脉冲电流波形

4.3.3 测距方法之二次脉冲法

适用范围：二次脉冲法可测量向故障电缆施加高压使故障点击穿放电后，放电电弧能长时间存在的故障。含有：高阻泄漏性故障、高阻闪络性故障等，据统计这类故障约占电缆故障的60%左右（见图3）。

图3 二次脉冲法故障波形

4.4 精确定点

用高压信号发生器向故障电缆中施加脉冲高电压；携带声磁同步故障定点仪，依照故障测距结果与电缆的路径走向沿电缆的路径移动探头，准确找到故障点。

5 提升电缆故障查找效率的几点建议

5.1 完善资料

提高电力电缆故障点查找的效率，日常工作管理中必须完善电力电缆运行基础资料，如电缆路径图、电缆中间接头分布图及区间平面图并做好现场标识。

5.2 电缆分两头进行测量

在查找过程中，无论使用哪种方法测试故障点波形，若故障点距离测试端太近，均会产生盲区，使得测试波形难以判断识别，此时可尝试到电缆的另一端进行测试，建议每次查找电缆故障点时最好电缆两侧各测试一次以作对比，这样的成功率较高。

5.3 日常材料准备充足，工器具保管良好

电缆故障处理必须的材料、工器具合理布置，区域存放，比如较重的高压发生器、电容器，可以选择放在离门口较近宽敞的区域，以提高出动效率。日常加强工器具保养，定期检查工器具状态，对设备及时充电或更换电池。每月检查电缆附件的有效期限，确保电缆附件符合要求。

6 结束语

综上所述，高速铁路铁路电力系统中单芯电缆的使用越来越广泛，作为铁路信号、通信、防灾等一级负荷的电源，重要性不言而喻，铁路供电部门必须在短时间内查找出故障原因，并及时排除，以保证高速铁路电力系统的安全稳定运行。