广东电网有限责任公司清远佛冈供电局 广东清远 511600
摘要：随着国民经济的快速发展，电力电缆因其具有安全、可靠、美化城市布局等优点，在城市配电网中获得了广泛的应用。然而电缆线路数量的增加以及运行时间的持续增长，加之外力施工对电缆的破坏，导致配电网电力电缆故障发生率越来越高，给电力用户和供电企业带来了一定的经济损失。因此，快速检测电力电缆故障，精确找到电缆故障位置，对保障用电安全具有重要的意义。本文首先分析了电力电缆绝缘故障原因及电缆故障类别；引入一种直流高压闪络的新型电力电缆故障探测方法，研究了直流高压闪络法的监测机理和测试方法。利用MATLAB软件，对电力电缆故障测距进行仿真，说明了理论分析的有效性。
关键词：电力电缆；绝缘；直闪法；故障位置
国民经济的快速发展对电能供应的依赖性日益增加。我国城市化的快速发展，使得电力电缆广泛地应用于城区规划、建筑行业、发电厂、变电站和工矿企业等，电力电缆已成为国民经济能源输送必不可缺的材料。然而一旦电缆发生故障，不仅中断企业生产，而且可能引发一连串的恶性连锁反应，如配套电器设备的烧毁、火灾事故等，其损失不可估量。因此如何实现预防、检测电缆故障已成为电力工作人员亟需解决的重要问题。
本文首先分析电力电缆绝缘故障原因及类型，介绍电力电缆绝缘老化到击穿的发展过程；依据不同类别方式，对电力电缆故障进行划分；引入一种电力电缆故障探测新方法，即直流高压闪络法；分析了直流高压闪络法的监测机理和测试方法，依据直闪脉冲电流波形，建立直流闪络电流行波网格图，直闪法可直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，具有测试速度快，测量过程简单的突出优势。最后，利用MATLAB软件，采用小波原理对电力电缆故障测距进行仿真，说明了理论分析的有效性。
1 电力电缆绝缘故障原因及类型
1.1 电缆绝缘故障的原因分析
从电力电缆机理入手，电缆故障原因主要包括：电缆绝缘老化、电缆绝缘受潮、电缆绝缘物流失、线路过电压等[1-2]。
1）电缆绝缘老化
在长时间电和热的作用下，电力电缆的物理性能会发生变化，导致其绝缘强度降低、介质损耗增大，进而最终转化为绝缘老化。年份较短的绝缘过早老化，主要原因为：（1）电缆选型不当，电缆长期在过电压条件下工作；（2）电缆线路周围靠近热源，使电缆局部或整个电缆线路长期受热而过早老化；（3）电缆工作在与电缆绝缘起不良化学反应的环境中而过早老化。
2）电缆绝缘受潮
电缆的绝缘受潮主要原因包括：（1）电缆中间接头或终端头密封工艺不良或密封失效；（2）电缆制造不良，电缆外护层有孔或裂纹；（3）电缆护套腐蚀或穿孔。
3）XLPE绝缘物流失
交联聚乙烯电力电缆，油浸纸绝缘敷设时地沟凹凸不平，或处在电杆上的户外头，由于起伏、高低落差悬殊，高处的绝缘油流向低处而使高处电缆绝缘性能下降，导致故障发生。
4）线路过电压
对于架空和电力电缆混合线路，因雷击或其它冲击过电压而损坏的情况，虽然不多但依旧不可忽视。一般情况下，3-4倍的大气过电压或操作过电压对绝缘良好的电缆不会有太大的影响。从现场事故分析得知，击穿往往存在较为严重的某种缺陷，线路过电压较早地激发了绝缘损坏。
此外，因外力破坏而导致的电力电缆机械损伤是电缆绝缘故障的主要原因，约占电缆故障率的57%，其故障形式比较容易识别。电力电缆绝缘老化到击穿的发展过程，如图1所示，由图1可以看出电树枝老化是绝缘击穿故障的直接原因，无论如何故障原因，最终都会转化为电树枝老化的形式。
图 1 电力电缆绝缘老化到击穿的发展过程
1.2 电缆的故障分类
电力电缆的故障类别，可依据不同方式划分：按停、送电分类，可分为运行中故障和试验击穿故障；按电缆线路故障部位分类，可分为中间接头故障、终端头故障和电缆本体故障；按故障点电阻的高低为依据，将故障分为高阻故障和低阻故障[3-4]。低阻故障的表现是：导体连续性良好，但电缆一芯或数芯对地绝缘电阻值或芯与芯之间的绝缘电阻值一般低于10万欧，高阻故障的表现是：导体连续性良好，但电缆一芯或数芯对地绝缘电阻值或芯与芯之间的绝缘电阻值高于10万欧。
闪络性故障及封闭性故障这两类故障大多数是在进行预防性试验时发生的，并多出现于电缆中间接头或终端头内，特别是封闭性故障多数发生在注油的电缆头内，发生这类故障时有时在某一试验电压下绝缘被击穿，然后又恢复，有时连续击穿，有时隔数秒钟或数分钟后再击穿。
2 直流高压闪络测试法
常用的电力电缆测距方法有电桥法、低压脉冲放射法等，本文介绍一种电力电缆故障探测新方法，即直流高压闪络法。直流高压闪络测试法（简称直闪法）用于测量闪络击穿性故障，即故障点电阻高，在用高压试验设备把电压升到一定值时就产生闪络击穿的故障。据统计，能用直闪法测量的电缆故障，约占电缆故障总数的20％，在预防性试验中出现的电缆故障多属于该类故障。直闪法获得的波形简单、容易理解。
2.1 测试接线机理
直闪法接线如图2所示，T2为高压试验变压器，容量在0.5-1.0kVA之间，输出电压在30-60kV之间；C为储能电容器，一般大于0.1uF；L为线性电流耦合器。线性电流耦合器上的输出经屏蔽电缆接测距仪器的输入端子。注意：一般线性电流耦合器三的正面标有放置方向，应将电流耦合器按标示的方向放置，否则，输出的波形极性会不正确。储能电容C对高频行波信号呈短路状态，在故障点击穿产生的电压、电流行波到达后，起产生电流信号的作用，可选用脉冲电容器，也可使用6kV（直流高压在30kV以下时）或10kV（直流高压在30-50kV之间时）电力电容器，电容容量宜选在1-4 uF。
实际测试中，应仔细斟酌放电电容的大小，选择的放电电容容量较大时，有助于故障点充分放电，但是如果电容容量太大，将会使脉冲信号宽度增加，脉冲边沿变缓，这会给信号的后期处理带来困难，使得脉冲时刻检测难度加大。
3 电力电缆故障距离计算方法的仿真
3.1 小波理论
大多数信号含有非稳态成分，例如偏移、趋势、突变、事件的起始与终止等情况，这些信号往往相当的重要，它反映了信号的重要特征[7]。传统的信号处理方法是傅立叶变换，但是傅立叶变换一个严重的不足就是它只是一种纯频域的分析方法，做交换时会丢掉时间信息，无法判断特定的信号是在什么时候发生的。利用小波变换可以非常准确的分析出信号在什么时刻发生畸变，此外还可以检测出信号的变化趋势，对信号实现压缩和消噪等等[6]。因此，小波变换被誉为信号分析的数学显微镜。
3.2 电力电缆测距的实现
利用小波分解和信号相关技术，对得到的波形进行分析。首先对原始的故障信号进行小波分解，运用小波方法及分解层数，得到分解后的高频信号和低频信号，然后对低频信号应用信号技术，得到粗略的脉冲时刻，再根据前面所介绍的模极大值搜索法，逐层向高频信号进行搜索，最终得到精确的脉冲时刻。不同频率条件下，电力电缆脉冲信号仿真波形如图5所示。
电缆线路大多敷设在电缆沟内或埋入地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难，不仅浪费大量的人力、物力，而且还会造成难以估量的停电损失。因此迅速、准确地确定电力电缆故障点，快速地检测并排除故障对提高供电的可靠性，减小停电带来的经济损失具有重要的意义。本文研究了一种新型直流高压闪络法，来实现电缆故障测距快速性和精确性，并利用MATLAB软件，对电力电缆脉冲信号进行仿真，说明了理论分析的有效性。
参考文献：
（1）Juddmd，Farisho，Hamptonbf.The Excitation of UHF Signals by Partialscharges in GIS.IEEE Trans on Dielectric and Electrical Insulation，2006，3（2）：213-228.
（2）李景禄.高电压技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
（3）肖登明.电力设备在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2005.
（4）蔡丹宙.交联电缆绝缘热线诊断的一些问题[J].电网技术，1997：154-156.
（5）熊元新，刘兵．基于行波的电力电缆故障测距方法．[J].高电压技术，2002.
（6）Juddmd，Farisho，Hamptonbf.et al.Dielectric Windows for UHF PartialDischarge Detection.IEEE Trans on Dielectric and ElectricalInsulation，2010，8（6）：953一958.
（7）周力行，李卫国，小波分析用于局部放电特征分析.[J].高电压技术，1999，25（2）：25-27.
作者简介：
XXX（出生年），性别，学历，工程师，主要从事XXX（结合工作实践和研究方向写）。
论文作者:李松汉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/2
标签：故障论文; 电缆论文; 电力电缆论文; 信号论文; 过电压论文; 脉冲论文; 高压论文; 《基层建设》2017年第36期论文;