10kV电缆故障查找及防火抗爆电缆装置研究

国网湖南省邵阳供电公司 罗 达 岳万里 张 力 国网湖南综合能源服务有限公司 向运琨

随着电力工业电力时代的到来，电缆凭借其敷设在地下，不占地面、空间，同一地下电缆通道可容纳多回线路，在众多自然气象条件（如雷电、风雨、盐雾、污秽等）和周围环境对电缆的影响下得到广泛应用，但是电缆线一旦出现故障电缆损坏后则探测难度十分大，电缆故障隐蔽，测试较难并且大量发生在电缆中间接头处，由于能量堆积时有爆炸的情况发生，严重时会危及人生安全，因此研究电缆线路故障探测方法、快速定位故障点和研制防火抗爆中间接头装置是十分必要的。

湖南省内新建变电站进出配网线路大都采用的电缆线路。阐述配电网线路故障原因及其性质，有助于使用电缆故障查找仪探测准备、故障性质判断、故障点距离测量、故障点定位等步骤的进行。

目前大多发现的电缆故障都是中间接头故障，所产生的危害不仅造成停电，还可能对城市经济甚至人身安全造成巨大伤害[1]，甚至发生二次事故。而随着城市发展越来越快、电缆的数目也在越来越多，电缆发生故障的概率也就越来越大，而大部分故障又都发生在中间接头处，以湖南某地区为例：2020年110kV 线路85条线路，其中电缆长度约246公里，电缆中间头约610个，2020年6到8月共计发生电缆中间头爆炸3次，影响配变停电总时长3621小时。造成了电缆供电设备的跳闸，还影响到了其他设备的安全运行，扩大了故障范围，对公司的供电系统安全造成了威胁。

1 电缆故障原因及分类

普通城市所用电缆绝缘材料等外层包裹大都为可燃物，一旦发生故障将会在内部燃烧，只是延伸范围小。引起电缆火灾或者爆炸的原因97%以上的事故都是电缆本身故障引起。

1.1 原因分析

电缆本体质量问题。电缆在制作过程中就很容易出现质量问题，如操作失误导致绝缘层制作厚度不够、或内部含有杂质、材料偷工减料、漏水漏气等。由于电缆长时间敷设在地下，在泥土酸碱度过高的地区会因电缆的铠装、铅皮或外保护层质量不佳被腐蚀分解，致使保护失效、丧失绝缘性。

外界破坏。由于配电网电缆安装在城市道路当中，容易被施工人员暴力或安装方式不当导致电缆绝缘破损，比如在城市中电缆井中因电缆井盖缺失受到外力损伤出现缺陷导致击穿或接地短路，一旦造成机械损伤，严重会发生短路故障。

环境因素导致的老化、绝缘丧失。电缆都会有它的使用周期，长时间运行导致的老化不可避免，一旦老化就会有外皮开裂和破损情况，另外温湿度的苛刻环境也会导致绝缘击穿甚至爆炸。

超负荷运行过长。由于电流具有热效应，负荷电流必然导致电缆内部发热，加上电缆内电荷流动的集肤效应加上钢铠的涡流损耗等热量的叠加，所有电缆都有规定的负荷范围，长时间处于超负荷运行状态会导致绝缘层受损，从而电缆安全稳定运行受到威胁，因此夏季电缆故障多很大一部分是因为这个原因。

中接接头制作工艺不达标[2]。电缆中接头十分常见，是常用连接电缆与电缆、电缆或其他电气设备的制作技术，但如安装人员水平不足会导致制作工艺不达标从而产生电缆故障。

1.2 故障性质分类

根据情况可分为一相接地、两相接地故障、单相断线且接地故障，电缆线故障主要分为断线故障、低阻故障、高阻故障、闪络性故障[3-5]。不同的线路故障绝缘电阻不同，故障的击穿情况也不同，见表1，表中Z0为电缆的特性阻抗值，电力电缆阻抗一般为10～40Ω 之间。

表1 故障性质及适用情况

2 配电网电缆线路故障探测流程

采用TDR（时域反射法，Time Domain reflec_tometry）原理，对被测电缆发射一系列电脉冲，并接受电缆中因阻抗变化引起的反射脉冲，电缆传播的速度和反射回来的拐点时间就可算出距离，可测出故障点到测试端的距离为S=VT/2，式中：S 代表故障点到测试端的距离，V 代表电波在电缆中的传播速度，T 代表传播时间。配网线路故障查找流程主要分为五步：准备-分析电缆故障性质、了解故障电缆的类型-用低压脉冲法测试电缆长度、校对电缆的电波传输速度-选择合适的测试方法进行电缆故障粗测-探测埋地缆的走向-对故障点精确定位-处理故障。

分析电缆故障性质，了解故障电缆的类型。性质不一样的电缆故障要用各自所需的方法测试，介质不一的电缆更有各异的测试速度。首先根据相接地或不接地的情况初步分析，然后故障有相接地不导通、相不接地导通和直接导通。然后需要使用绝缘电阻表（摇表）进行各相绝缘电阻测试：如果发现相接地不导通的绝缘电阻无穷大或正常则为断线；如果发现相不接地的值非常小（一般实际值小于1kΩ）则为低阻，如果非常大就是高阻故障；如果正常导通情况下绝缘电阻值也正常，进行直流耐压测试，如果直流耐压击穿则闪络故障。

用低压脉冲法测试电缆长度，校对电缆的电波传输速度。电缆故障的实际走向情况一般需要去了解到电缆线路总长，判别阻值的高低可使用低压脉冲方法，也可根据具体实际情况用度量的方法测得。用电缆测试仪进行电缆故障测试，测得故障类型后选择相对应的方法进行故障测距：低阻故障用低压脉冲法测量，高阻故障、闪络故障优先使用多次脉冲法测试，也可用高压闪络法测量验证。

探测埋地电缆的走向。精确定点前首先必须知道电缆的路径，城市配网线路一般电缆铺设线路就有规律可循，探测故障点前对路径信息、电缆走向、环网柜标识方向、或者中接头位置信息可探知，另外使用路径仪也可探测电缆走向；对故障点精确定位。对粗侧出来的故障点位置借助声磁定位仪器进行精确查找定位，一般当靠近故障点附近位置会有啪啪的声音，最后确定位置。

3 10kV 电缆中间接头防火抗爆装置研制

3.1 总体设计

电缆中间接头防火抗爆装置设计为全密封状态，该新型电缆中间接头防火抗爆外壳一次性制作成型无焊接。优化了防火防爆盒的功能，实现更高的性价比，同时专为10kV 电缆性能定制，以防用料过度增加生产成本，研制构造如图1。该装置外观上留有了能泄压的孔导向管，可向外排出水分和过量的气压，参照电力行业的标准设计规范，按照原有的中间接头敷设架构构建，不仅能适用于各种规格的安装，在内部温度超过200°C 时可自行降温灭火。

图1 10kV 电缆中间接头防火抗爆装置研制构造图

装置主要分为主体材料（满足设备的防爆需要，同时质量要轻，价格便宜）、连接件（满足现场安装人员的快速安装要求，同时在一些狭窄空间也能正常拆装）、增强防火材料（对于设备本体内产生的1000度以上的火焰有隔离作用）共3个部分。

3.2 结构设计

研制的10kV 电缆中间头防火防爆装置，满足现场运行环境的防火与防爆的功能，这些主要功能能够有效避免电缆中间头爆燃后波及周边电缆头的正常运行，导致用户的停电时长大增，从理论上分析，电缆中间头防火防爆装置无法解决电缆中间头的爆燃，但可将电缆爆燃的范围控制在单条线路、不波及同井的电缆线路。外观盒结构图如图2。

图2 10kV 电缆中间头防火防爆装置的研制方案设图

3.3 电缆中间接头防火抗爆装置实施结果

在使用故障查找仪器找到故障点之后，验证电缆中间接头防火防爆盒的防火抗爆功能，2020年9月28日某线路只做好的中间接头进行功能测试，该线路由两端YJV110kV1×600mm2电缆和一套电缆中间接头组成。防火功能效果：耐1000度火极限大于80min；防爆功能效果：达到国标GB 50058-2014设备保护级别Gb，防爆型式d 型。

电缆中间接头安装防火抗爆妆之后对其进行防火测试：中间接头故障发生概率占比改善前为12.50%，目标值为3.85%，实际值为3.85%。试验结果显示有保护装置后线圈温度能够耐受1260°C 以内高温。最后对改善后的已安装的62个点上进行数据统计，在26次事故中只有一次电缆中间头爆燃。把发生的概率下降了8.65%。通过对比柏拉图可知，改善后电缆中间头占比明显降低。

综上，电缆故障的快速检测和为经常发生故障的中间接头制作防火抗爆的保护装置，不仅为故障抢修提高效率、也为城市运作提供巨大帮助。接下来要优化电缆中间头的运维工作，思考如何优化电缆中间头自动监控，提高效率效益。为此，下一步将电缆中间头运行维护过程中出现运维不及时、故障定位不精准的薄弱环节作为目标。