基于故障点电流检测法的高压电缆故障研究

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　　摘   要：随着我国电力系统不断的发展，高压电缆在发电、输电、变电以及配电等环节中起到重要的作用。本文首先通过对高压电缆常见故障类型进行阐述，然后介绍当前国内外高压电缆故障检测方法以及不足，最后采用独创的故障点电流检测法，提出一套完整的高压电缆金属性接地故障快速定点检测方法，这对于及时发现和排除电缆安全隐患，提高故障处理水平具有重要意义。
　　关键词：高压电缆  故障  电流检测法
　　中图分类号：TM755                                文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0027-04
　　Abstract： With the continuous development of China's power system， high-voltage cables play an important role in power generation， transmission， substation and power distribution. This paper firstly describes the common fault types of high-voltage cables， then introduces the current high-voltage cable fault detection methods and shortcomings at home and abroad， and finally uses a unique fault point current detection method to propose a complete high-voltage cable metal ground fault rapid fixed-point detection method. This is of great significance for the timely detection and elimination of cable safety hazards and the improvement of fault handling levels.
　　Key Words： High voltage cable; Fault; Current detection method
　　1  高压电缆故障类型
　　电缆故障根据发生情况不同可分为不同的故障类型。当故障出现在内部结构可分为主绝缘故障和金属护套故障;当故障出现在不同的电缆线路位置可分为本体故障和接头故障;而短路和开路故障则属于按故障性质进行的分类。电缆的绝缘损伤和缺陷是高压电缆的绝大多数故障出现的原因，其中最为常见是短路故障。根据故障电阻的大小，低电阻故障、高阻抗故障和闪络故障为短路故障的三种类型。
　　低阻故障：该故障是指电缆的绝缘电阻小到特定阻抗值时，其绝缘性相对地损坏，此时低压脉冲法是一种比较好的测量方法。出现低阻故障时，绝缘电阻将会变小到特定阻抗值，低于10Z0（Z0电缆波阻抗，一般小于40Ω）。低阻故障一个常见的特例就是短路故障。
　　高阻故障：该故障是指绝缘电阻较大，但这是与低阻故障相比较的，具体来说一般大于10Z0，此时低压脉冲法测量已经不适用了。
　　闪络性故障：一般故障在故障点都会形成电阻通道而闪络性故障仅在放电间隙或闪络性表面。它的明显的特点是它的阻值可以为无限大，但是降压后绝缘可自行恢复其绝缘性。
　　从可靠性来讲，电缆线路是明显高于架空线路的，但由于各种因素的影响，电力电缆在实际运行中也会发生故障。例如强大的外力损坏，设计和制造工艺不过关，绝缘性受潮，绝缘出现老化变质，过电压，电缆的绝缘物流失，护套遭受腐蚀和材料存在缺陷等，这些都是导致电缆出现故障的主要原因。电缆由于深埋地下，发生故障时很难准确寻找到它的故障点。因此，如何以较低的经济成本精确、迅速地找出电缆出现故障的地方，成为了在高压电力电缆故障测寻技术中困扰供电公司和施工单位的重要难题。
　　2  当前国内外电缆故障检测方法
　　高压电力电缆故障测寻技术分为故障性质确认、故障预定位、测寻故障电缆的敷设路径、故障精确定点四个步骤。
　　2.1 故障性质确认
　　当故障出现在电力电缆上时，故障的性质的诊断是技术人员面对的首要问题，在此之后才开始确定采取的故障的预定位方法。预定位方法的选择十分关键，如果选择不恰当不仅故障测寻的时间会延长，并且还会造成测试仪器的损坏。
　　故障性质的确定主要包括几个方面：就电阻而言需判断故障电阻是高阻状态还是低阻状态;就故障点位置而言是闪络性故障还是封闭性故障;就故障类型而言是接地、短路、断线故障;就相数类型而言是单相、两相，还是三相故障。通常，不同的故障现象代表着不同的故障类型，通过这个故障的性质可以进行初步判断。如果故障的性質还无法通过上述判断完全将确定下来，此时就必须对绝缘电阻进行测量和“导通试验”。故障点的击穿电压有时难以弄清时而确定故障的性质时，可以采取进行直流耐压试验来确定。
　　2.2 故障预定位
　　故障预定位是指能够测量出故障点到电缆任意一处的距离。预定位有很多种方法，主要可分为阻抗法和行波法两大类。
　　（1）阻抗法。
　　阻抗法是基于线路单端或者多端的电压、电流和阻抗间的关系，列写和求解故障点方程进而进行故障点预定位。经典电桥法是一种典型的阻抗法，基本原理是被测电缆存在故障相和非故障相，在电缆末端短接它们，并且故障相与非故障相分别接导电桥两臂上，为了使电桥达到平衡，需要通过两臂上的一个可调电阻器进行调节。利用比例关系和电缆长度是已知的，通过他们计算计算可以得出故障距离。电缆预定位时，低压电桥测量法常用在电缆低阻击穿情况上，电缆电容电桥测量则一般用于开路断线。测试过程简单而结果比较精确是电桥法测量的主要优点，但该方法中的测试回路需要有完好线芯，而且电源电压不能加太高。此外，在遇到探测高阻和闪络性故障的情况该方法无法轻易进行，因为此时故障的电缆有很大的故障电阻、很小的电桥电流。另外，如前面所述，电缆长度是已知的，但现实中有时候无法得知它的长度，并且由不同导体材料或不同截面组成的电缆线路还需要进行换算。例如，电桥法无法测量电缆三相短路故障。因此，它的适用范围比较小。 　　（2）行波法。
　　故障点的位置可以通过测量行波在电缆线路故障点和测量端之间往返的传播时间来确定，这就是常说的行波法。脉冲电压法、脉冲电流法、低压脉冲法和二次脉冲法是常见的基于行波法的离线测距方法，其故障定位原理如下。
　　①脉冲电压法。
　　脉冲电压法能够测试出高阻泄漏与闪络性故障。它的基本原理是：电缆故障點通过引入脉冲高压或直流高压信号进行击穿，放电电压脉冲将在测量端与故障点之间进行往返，通过观察往返一次的时间可以准确地对故障进行预定位。值得注意的高阻与闪络性故障在脉冲电压法并不会烧穿，而是通过产生于故障点击穿瞬时的脉冲信号来直接预定位，故该方法有测试过程比较简化并且测试速度快。
　　②脉冲电流法。
　　脉冲电流法利用线性电流耦合器测量电缆故障击穿时产生的电流脉冲信号，该信号将在测量端与故障端进行往返，测量往返一次所需时间即可对故障进行测距。这种方法不仅成功磁耦合了仪器与高压回路，不考虑串联电阻与电感带来的影响，并且简化了接线过程，使传感器耦合出的脉冲电流波形更容易被辨别。
　　③低压脉冲反射法。
　　低压脉冲反射法注入脉冲电压信号到故障电缆测试端，入射电压行波和反射电压行波会有时间差，通过测量该时间差来进行测距。简单、直观是使用低压脉冲发射法进行测试的一大优点，在现实工况中，电缆原始参数可能遭受了缺失，此时，脉冲反射波能够发挥出它的长处，将电缆接头与分支点的位置轻易识别出来。
　　电缆中的低阻故障和开路故障常采用低压脉冲法进行测距。在测量电缆全长时应用该方法可以得到比较具有良好的效果。但是，在电缆发生的是高阻或闪络性故障时，该方法就不太适用了。因为采用低压脉冲法测试高阻故障或闪络性故障时需先将故障点烧穿，然后才能得到较低的故障电阻。由于故障点烧穿的具有及其繁琐的过程并且耗费时间很长，需要配备经验比较丰富的操作人员。
　　④二次脉冲法。
　　二次脉冲法是指向故障电缆释放一个低压脉冲（不大于20～160V），使故障电缆相对于低压脉冲是开路。当观察到故障点的接地电阻大于电缆波阻抗5倍时，可认为开路情况达到了。此时在脉冲释放端能够接收到一个反射波形，该波形相当于一个线芯绝缘良好电缆情况下的波形。然后再向故障电缆释放一个高压脉冲，使线芯绝缘故障点能够发生闪络，为了使故障点相对于低压脉冲是完全短路，需要同时触发释放第二个低压脉冲，那么在故障点的电弧未熄灭时，可以认为在脉冲释放端接收到一个的低压脉冲反射波形，该波形相当于一个线芯对地完全短路的波形。反射波形点的确定是通过两个低压脉冲反射波形在进行叠加时将会出现一个明显的发散点来进行的。
　　低压脉冲宽度可调、精度高是此方法的优点。此外，在用该方法进行测量故障点闪络故障时，可以避免强烈电磁干扰。不过，此方法存在着不少的不足之处，比如需要用到的仪器比较多，需要降低故障点电阻到很低值。此外，故障点击穿时间在绝缘受潮严重时会变得比较长，从而导致了使用该方法的测试时间相应增加。并且，由于故障点电阻需降低到很低，而能维持这个状态的时间很难确定，所以在第二次施加低压脉冲的有一定控制的难度，致使现实测试中成功率不高。
　　2.3 测寻故障电缆的敷设路径
　　为了对直埋电缆进行精确定点，需要确定出故障电缆的敷设路径与埋设深度。并且需要测寻电缆的敷设路径以便绘制埋地电缆敷设路径的图纸。具体的测寻方法是向电缆中通入音频信号电流，然后利用路径接收机天线线圈接收此音频信号。根据电缆正上方的电磁场变化规律确定电缆在地下的准确敷设位置和深度。
　　2.4 故障精确定点
　　故障定点也就是确定故障点的精确位置，目前常用声磁同步法与音频感应法。
　　（1）声磁同步法。
　　由于磁信号和闪络声音信号在地面的传播速度不同，这就引起了时间差。声磁同步法是根据两者的最小传播时间差来定位故障的。磁信号以接近光速进行传播，但是闪络声音在接近声速进行传播，不论哪种情况，闪络声的传播要慢一些。当处于故障点的正上方时，时间差达到最小值。这种方法相对比单纯的依靠耳机最大声音，可靠性更加的高。由于闪络最大声处很难确定，尤其是在周围环境复杂的地方，如遇到电缆本体内闪络、故障点附近有空腔共振或管线交叉的地方。这时放电声在很大范围内都能听见。有干扰的情形下使用这种方法存在一定的局限性。现场声磁同步信号原理图如图1所示，越接近故障点，声音和磁信号的时间差就越小。
　　（2）音频感应法。
　　当电网中的短路故障出现在电缆上并且电缆的接地电阻的阻值较低时，故障处的放电声音很微小，尤其是在金属性接地故障点处，因无放电声而无法进行故障点定位。此时，就要用音频感应法来对上述无法定位故障点的情况进行故障点定位。音频感应法是将1kHz的音频信号发生器发出的音频电流信号注入待测电缆，使其发出电磁波。垂直或者水平地将接收线圈放置于地面上，并将接收线圈接收到的信号传输到接收机进行放大。地面上的磁场主要是在两个通有电流的导体间产生的，并且随着电缆的扭距的变化而变化。因此，当探测器的探头沿着电缆向故障点移动时，会听到声音有规则的变化。当探测器的探头到达故障点上方时，听到声响会增强，再从故障点继续沿着电缆向前移动，音频信号会明显变弱甚至是中断。所以，在声响明显变强或中断的点即是故障点。
　　综上所述，无论是国内还是国外的电缆故障检测、故障定点方法（见图2），均无法实现接地金属性故障的准确定点，因此亟需找到一种新的能够对高压电缆金属性接地故障快速定点的方法。
　　3  故障点电流检测法
　　高压电缆金属性接地故障快速定点检测思路：在出现接地故障的高压电缆一侧施加高压脉冲电流，通过检测故障点前后形成的电磁波辐射脉冲的波形形状与幅值，利用独创的定位算法，对金属性接地故障点进行快速查找定位。具体实施步骤如下。 　　3.1 构建故障快速定点检测装置系统架构
　　实现重复脉冲法检测装置系统架构，通过自耦变压器、高压变压器及高压整流硅堆对电容器进行充电，充電电压约10kV左右，充好电的电容器通过间隙对故障电缆进行间隔约3～5s的脉冲放电，放电形成的电磁波会在整条电缆上对外环形辐射。
　　3.2 设计与优化磁场测量传感器参数
　　在出现接地故障的高压电缆一侧施加直流高压脉冲电流，整条故障电缆上都会产生有规律的间断电磁波辐射，对于电流所产生的磁场，用安培右手定则辨别通电导线的电流方向及其产生的磁场方向，从而设计磁场测量传感器。
　　3.3 研究磁场信号接收与判别算法
　　故障点前后形成的电磁波辐射，无论是辐射波形幅度数值还是辐射波形的形状都会发生变化，将电磁波的大小形成量化数值，利用安培右手定则，根据计算得到的电磁波方向和数值大小进行判别电缆发生故障点的前后。
　　另外根据有无有规律的间断电磁波，根据计算得到的电磁波方向和数值大小可以区别好电缆和故障电缆。
　　研究信号接收电路的屏蔽与滤波接收电路为去除干扰杂波，采取了硬件电路和软件算法进行特定频率的滤波，以便精确结果判断。
　　3.4 设计高速采样系统
　　硬件系统包括采集模块、供电模块、数据分析模块等。采样率定为125Ms/s。为了完整保存采样信号，采集模块的数据存储容量为32MB。
　　4  结语
　　电缆一旦发生故障，故障点的寻找异常艰难，当前电缆故障越来越频繁，这需要花费大量的人力物力，并且还可能承担巨大的停电损失。所以，本文所提的故障点电流检测法不仅能够迅速查找并定位高压电缆发生的高阻故障、闪络故障、泄漏故障，还可准确定位金属性接地故障，这对于整个电力系统的安全运行起到重要的作用。
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