电缆故障的产生及测试方法分析

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哈尔滨理工大学学士学位论文 电缆故障的产生及测试方法分析

摘要

电缆供电以其安全、可靠、有利于美化城市与厂矿布局等优点，获得了越来越广泛的应用。尤其是近几年来新开发区的建设、旧城的改造中，掀起了架空线入地的高潮。城市中电缆的用量迅速增加。

电力电缆多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难，往往要花费数小时，甚至几天的时间，不仅浪费了大量的人力、物力，而且会造成难以估量的停电损失。如何准确、迅速、经济地查寻电缆故障便成了供电部门日益关注的问题。

电缆故障情况及埋设环境比较复杂，变化多，测试人员应熟悉电缆的埋设走向与环境，确切地判断出电缆故障性质，选择合适的仪器与测量方法，按照一定的程序工作，才能顺利地测出电缆故障点。

电缆故障探测有其固有的特点，现场测试人员曾形象地说探测电

缆故障点“七分靠仪器,三分靠人”，说明单纯地靠购买先进仪器是不能解决问题的。要重视操作人员的培训工作，生产单位和使用部门要经常交流信息、积累经验，加强电缆故障探测技术的研讨，以促进我国电缆故障探测技术整体水平的提高。

本文介绍了电缆故障的产生原因，电缆故障的诊断，性质以及分

类。通过对电缆故障的研究导出电缆故障测试方法的研究，主要介绍了电缆故障测试方法，电缆故障定点方法，电缆故障在线监测以及现阶段低压电缆故障检测装置存在的问题。最后介绍了电力电缆故障测试的新方法，

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哈尔滨理工大学学士学位论文 主要有测试低压电力电缆的新方法-直流比值法，电力电缆绝缘击穿定位的新方法等。

关键词 电力电缆 故障测试 故障定点 在线监测

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哈尔滨理工大学学士学位论文 Cable Fault analysis and test generation

Abstract

Power cable power supply for its safe, reliable, and is conducive

to beautify the city and the layout of factories, mines, etc., gained more and more widely。In particular, the construction of the new development zone in recent years, the transformation of the old city, set off overhead line to the climax. The amount of cables in the city is increasing rapidly.

Buried power cables and more, in the event of failure, it is very

difficult to find, often spend hours, even days, not only wasting a lot of manpower, material resources, but also incalculable power loss. How accurate, rapid and economical search for cable fault has become a growing concern for the electricity sector.

The laying of the cable fault conditions and the environment is

complex, changing, testing personnel should be familiar with the laying of the cable into the environment, determine exactly the nature of cable fault, select the appropriate instruments and measurement methods, in accordance with certain procedures before we can successfully measure Cable fault.

Cable fault detection has its inherent characteristics, field

testers have said the image of the cable fault detection, \by the instrument, one-third by the people \that simply by buying advanced equipment can not solve the problem. Should pay attention to the training of operating personnel, production units and departments should use the regular exchange of information, gain experience, strengthen the cable fault detection technique in order to promote our cable fault detection technology to improve the overall level.

This article describes the causes of failure of the cable, cable

fault diagnosis, nature and classification. Research by exporting cable fault test method of cable fault, the main cable fault testing methods are introduced, cable fault point method, cable fault-line monitoring, and current low-voltage cable fault detection device problems. Finally, the power cable fault testing of new methods, mainly testing new method of low-voltage power cable - DC ratio method, the power cable insulation breakdown of the new positioning methods

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哈尔滨理工大学学士学位论文 Keywords Power cable Fault test Failure point Online Monitoring

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目录 摘要 ........................................................... I Abstract ...................................................... II

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 电缆故障的原因 ...................................................................................... 1 1.1.1 机械损伤 .......................................................................................... 1 1.1.2 绝缘受潮 .......................................................................................... 1 1.1.3 绝缘老化变质 .................................................................................. 1 1.1.4 过电压 .............................................................................................. 1 1.1.5 设计和制作工艺不良 ...................................................................... 1 1.1.6 电缆外皮的的外腐蚀 ...................................................................... 2 1.1.7 护层的腐蚀 ...................................................................................... 2 1.1.8 电缆绝缘物流失 .............................................................................. 2 1.2 电缆故障的性质与分类 .......................................................................... 2 1.3 电缆故障检测基础 .................................................................................. 5 1.3.1 电缆故障性质诊断 .......................................................................... 6 1.3.2 电缆故障测距 .................................................................................. 6 1.3.3 电缆故障定点 .................................................................................. 6 1.3.4 电缆故障性质的诊断 ...................................................................... 7 第2章 电力电缆故障测试方法-行波法 .......................................................... 8 2.1 电缆故障测距方法 .................................................................................. 8 2.1.1 二次脉冲法 ...................................................................................... 8 2.1.2 低压脉冲反射法 .............................................................................. 8 2.1.3 低压脉冲反射法工作原理 .............................................................. 8 2.1.4 脉冲电流法 ...................................................................................... 8 2.1.5 直流高压闪络测试法 ...................................................................... 9 2.1.6 冲击高压闪络测试法 .................................................................... 10 2.2 低压电力电缆故障检测装置现状及存在的问题 ................................ 10 2.2.1 在测距原理上存在的问题 ............................................................ 10 2.2.2 在故障精确定点方法上存在的问题 ............................................ 10 2.2.3 故障测距主要方法——电桥法基本原理及存在的不足 ............ 11 第3章 电力电缆故障测距方法-电桥法 ........................................................ 12 3.1 测试低压电力电缆的新方法-直流比值法 .......................................... 12 3.1.1 基本原理 ........................................................................................ 12 3.1.2 单相接地短路 ................................................................................ 12 3.1.3 相间短路 ........................................................................................ 13 3.1.4 两相短路接地 ................................................................................ 13

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3.1.5 三项短路接地 ................................................................................ 14 3.1.6 直流比值法在断线接地故障点中的应用 .................................... 15 3.1.7 直流比值法的误差分析 ................................................................ 15 3.1.8 短路点过渡电阻对测距精度的影响 ............................................ 15 3.1.9 测量装置中 值对测距精度的影响 .............................................. 16 3.1.10 电源波动对测距的影响 .............................................................. 16 第4章 电缆故障定位方法分析 ...................................................................... 17 4.1 电缆故障定点方法概述 ........................................................................ 17 4.1.1 声测法 ............................................................................................ 17 4.1.2 音频感应法 .................................................................................... 17 4.2 电缆故障在线监测的发展 .................................................................... 17 4.2.1 直流叠加法 .................................................................................... 17 4.2.2 直流分量法 .................................................................................... 17 4.2.3 介质损耗因数法 ............................................................................ 18 4.2.4 分布式光纤温度传感器 ................................................................ 18 4.3 一种电力电缆绝缘击穿定位的新方法 ................................................ 18 4.3.1 传统的电阻法对高压击穿定位原理 ............................................ 18 4.3.2 护套定位的新技术 ........................................................................ 19 4.3.3 绝缘击穿点定位的新方法 ............................................................ 20 4.3.4 试验结果 ........................................................................................ 21 结论 .................................................................................................................... 23 致谢 .................................................................................................................... 24 参考文献 ............................................................................................................ 25 附录 .................................................................................................................... 26

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第1章 绪论 1.1 电缆故障的原因

在对电缆故障发生原因的分析中，极重要的是要特别注意了解高压电缆铺设中的情况，若电缆外表观察到可疑之点，则应查阅电缆安装铺设工作完成后的正确记录，这些记录应包括这样的细节：铜芯或铝芯导线的截面积；绝缘方式；各个对接头的精确位置；三通接头的精确位置；电缆路径的走向；在地下关系中，某一电缆到别的电缆或接头的情况（这一点，特别要注意）以及两种不同截面积的电缆对接头的精确位置；有无反常的铺设深度或者有特别的保护措施，如钢板、穿管和排管等；电缆铺设中的技工和技术员的姓名（这也常常是提供重要线索的来源之一）；历次发生故障的地点及排除经过。当欲快速定位故障时，所有这些资料是非常有价值的。由于制造缺陷而造成的电缆故障是不多的，因而，对于事故的其它原因分析，如果充分考虑到上述细节，将使电缆维修技术人员得到巨大的好处。

致使电缆发生故障的原因是多方面的，现将常见的几种主要原因归纳如下。

1.1.1 机械损伤

主要是指外力作用造成的电缆损伤。这主要是由于车辆振动等机械作用，使电缆变形。电缆变形导致弯曲过度，损坏了内绝缘或导致绝缘内部产生气隙。 1.1.2 绝缘受潮

使接头封装物内混入水蒸气而耐不住试验电压，往往形成闪络性故障。

1.1.3 绝缘老化变质

电力电缆绝缘要受到伴随电作用带来的热、化学及机械作用，从而使绝缘介质发生物理及化学变化，使介质的绝缘水平下降。绝缘受潮。中间接头或终端头因结构上下密封或安装质量不好而造成绝缘受潮；制造电缆包铅时留下砂眼或裂纹等缺陷，也会使电缆受潮。 1.1.4 过电压

大气过电压和内部过电压使电缆绝缘所承受的应力超过允许值而造成击穿。而且，对实际故障进行分析表明，许多户外终端头故障，是由于大气过电压引起的。

1.1.5 设计和制作工艺不良

剥离半导体时，损坏内绝缘或绝缘表面有微粒、灰尘等杂质；电缆头密封不良，使绝缘内部有水分，导致绝缘受潮；电缆接头工艺不标准，密封不规范，造成接地；制作环境湿度偏大，引起制作部位（电缆头）绝缘整体性受潮；电缆接地出现错误，导致接地线形成环流或断裂。

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1.1.6 电缆外皮的的外腐蚀 如果电力电缆埋设在附近有强力地下电场的地面下（如大型行车、电力机车轨道附近），往往出现电缆外皮铅包腐蚀致穿的现象，导致潮气侵入，绝缘破坏。 1.1.7 护层的腐蚀

由于电解作用或化学作用使电缆铅包腐蚀，因腐蚀性质和程度的不同，铅包上有红色、黄色、橙色和淡黄色的化合物或类似海绵的细孔。 1.1.8 电缆绝缘物流失

电缆铺设时地沟凹凸不平，或处在电杆上的户外头，由于电缆的起伏、高低落差悬殊，高处的电缆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。

1.2 电缆故障的性质与分类

电力电缆故障的分类方法比较多，通常有以下几种方法： （一） 据电缆故障点的绝缘电阻分类 1、开路（断路）故障：

凡是电缆绝缘电阻无穷大或虽与正常电阻的绝缘电阻值相同，但电压不能馈至用户端的故障。（低压脉冲测试时故障有反射，且反射波与发射波同相）

2、低阻（短路）故障：

凡是电缆故障点的绝缘电阻小于该电缆的特性阻抗，甚至直流电阻为零的故障均称为低阻故障或短路故障（低压脉冲测试时故障有反射，且反射波与发射波反相）。 3、高阻故障：

电缆故障点的直流电阻大于该电缆的特性阻抗的故障均称为高阻故障（低压脉冲测试时故障无反射）。

高阻故障可分为两种故障形式：

高阻泄漏性故障：在做电缆高压绝缘试验时，泄漏电流随试验电压的升高而增加，试验电压升高到额定值时（有时还远远达不到额定值），而泄漏电流超过了允许值。

高阻闪络性故障：试验电压升至某值时，泄漏电流突然升高，监视泄漏电流的表针闪络性摆动，电压稍下降时，此现象消失，但电缆绝缘仍有极高的阻值。

（二） 据电缆故障发生的方式分类 1、击穿故障

电缆在做预防性试验时，由于较高直流电压的作用，使电缆隐患处被击穿。这种故障多为相对地的闪络性高阻故障。 2、行击穿故障

这种故障是电缆运行在工作电压时所发生的故障，一般多为相间或相

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对地的高阻或低阻故障。 （三）根据故障发生的部位分类 1、本体故障

由于各种原因，诸如人为因素，如过负荷运行，外力破坏等，还有物理化学性腐蚀，自然老化等造成的各种性质的故障。 2、接头故障

电缆始终端头，中间接头等部位发生的故障。一般多见于泄漏性高阻故障。

电缆故障从型式上可分为串联与并联故障。串联故障指电缆一个或多个导体（包括铅、铝外皮）断开；通常在电缆至少一个导体断路之前，串联故障是不容易发现的。并联故障是导体对外皮或导体之间的绝缘下降，不能承受正常运行电压。实际的故障型式组合是很多的，图1.1给出了可能性较大的几种故障形式。例如：图1.1.c所示，导体断路往往是电缆故障电流过大而烧断的，这种故障一般伴有并联接地或相间绝缘下降的情况。实际发生的故障绝大部分是单相对地绝缘下降故障。

a. 一相对地

b. 两相对地

c.一相断线并接地

图1.1 几种电缆故障形式

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电缆故障点可用图1.2所示电路来等效。Rf代表绝缘电阻，G是击穿电压为Vg的击穿间隙，Cf代表局部分布电容，上述三个数值随不同的故障情况变化很大，并且互相之间并没有必然的联系。 图1.2 电缆故障等效电路 间隙击穿电压Vg的大小取决于放电通道的距离，电阻Rf的大小取决于电缆介质的损伤程度，而电容Cf的大小取决于故障点受潮的程度，数值很小，一般可以忽略。 根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障，如表1.1所示。 表1.1 电缆故障性质的分类 故障性 Rf 间隙的击穿情况 质 开 路 ∞ 在直流或高压脉冲作用下击穿 低 阻 高 阻 闪 络 小于10Z0 Rf不是太低时，可用高压脉冲击穿 大于10Z0 高压脉冲击穿 ∞ 直流或高压脉冲击穿 说明：表中Z0为电缆的波阻抗值，电力电缆波阻抗一般在10-40Ω之间。 以上分类的目的也是为了选择测试方法的方便，根据目前流行的故障测距技术，开路与低阻故障可用低压脉冲反射法，高阻故障要用冲击闪络法，而闪络性故障可用直流闪络法测试。以上几种故障都可以用二次脉冲法测试，这是目前世界上最先进的故障测试技术，国外以德国、奥地利为代表，国内则以淄博信易杰电气公司为代表。现场人员有把Rf<100KΩ的故障称为低阻故障的习惯，主要是因为传统的电桥法可以测量这类故障。 据统计，高阻及闪络性故障约占整个电缆故障总数的90%。 现场上是通过试验方法区分高阻与闪络性故障的。 - 4 -

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图1.3给出了电缆耐压试验等效电路，其中Rs为试验设备内阻，E为设备所能提供的直流电压值，电阻Rf与临界击穿电压为Vg的间隙并联代表故障点。

图1.3 电缆耐压试验等效电路

由图1.3可知，在对电缆进行高压绝缘试验时，电缆故障点所能获得的电压为：

对闪络性故障来说Rf较大，故障间隙两端电压可以增加至很高，当试验电压升至某一值时，故障点击穿放电，电流突然升高，电压突然下降。预防性试验中发生的故障多属闪络性故障。高阻故障的故障点电阻Rf较小（但大于10Z0），导致故障点两端所加电压不能升至高于故障点击穿电压，也就不能使故障点击穿。因此，可以从在对电缆进行高压绝缘试验时有无故障点击穿现象判断电缆存在高阻还是闪络性故障。显然，高阻与闪络性故障的区分不是绝对的，它与高压试验设备的容量或试验设备的内阻等因素有关。

实际上还存在一种封闭性故障，它多发生于电缆接头或终端头内，特别是多发生在浸油的电缆头内。发生这类故障时，有时在某一试验电压下绝缘击穿，待绝缘恢复，击穿现象便完全消失，这类故障称为封闭性故障，因故障不能再现，寻找起来就比较困难。

1.3 电缆故障检测基础

电力电缆供电以其安全、可靠、有利于美化城市与厂矿布局等优点，获得了越来越广泛的应用。尤其是近几年来新开发区的建设、旧城的改造中，掀起了架空线入地的高潮。城市中电缆的用量迅速增加。

电力电缆（以下简称电缆）多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难，往往要花费数小时，甚至几天的时间，不仅浪费了大量的人力、

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物力，而且会造成难以估量的停电损失。如何准确、迅速、经济地查寻电缆故障便成了供电部门日益关注的问题。

电缆故障情况及埋设环境比较复杂，变化多，测试人员应熟悉电缆的埋设走向与环境，确切地判断出电缆故障性质，选择合适的仪器与测量方法，按照一定的程序工作，才能顺利地测出电缆故障点。

电缆故障探测有其固有的特点，现场测试人员曾形象地说探测电缆故障点“七分靠仪器,三分靠人”，说明单纯地靠购买先进仪器是不能解决问题的。要重视操作人员的培训工作，生产单位和使用部门要经常交流信息、积累经验，加强电缆故障探测技术的研讨，以促进我国电缆故障探测技术整体水平的提高。

1.3.1 电缆故障性质诊断

即确定电缆故障属于高阻还是低阻故障；是

闪络还是封闭性故障；是接地、短路、断线故障，还 是上述综合故障；是单相、两相还是三相故障。通 常可以根据故障现象初步判断故障的性质。如运 行中的电缆发生故障，同时出现单相接地信号，则 有可能是单相接地故障；过流保护动作跳闸则可 能发生两相或三相短路，也可能接地故障，还可能 发生了短路和接地的混合故障，发生这些故障时， 短路电流或接地电流烧断电缆线芯就会形成断路 故障。对电缆故障做出初步判断后，通过测量电 缆绝缘电阻和进行电缆导通试验来进一步确定电 缆故障的性质。

! ! 一般方法是用兆欧表测量电缆线芯之间和线 芯对地的绝缘电阻，判断是否存在短路（ 接地）故 障。如果测出的绝缘电阻良好，就要做导体的连 续性试验，如果测出的直流电阻远大于计算值，则 可以确定电缆导体存在断线故障。如果上述# 个 步骤都未发现异常，就应对电缆线路进行耐压试

验，判断电缆是否存在闪络故障［ 1.3.2 电缆故障测距

电缆故障测距，又叫粗测，在电缆的一端使用仪器确定故障距离，现场上常用的故障测距方法有古典电桥法与现代行波法

1.3.3 电缆故障定点

电缆故障定点，又叫精测，即按照故障测距结果，根据电缆的路径走向，找出故障点的大体方位来，在一个很小的范围内，利用放电声测法或

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其它方法确定故障点的准确位置。 。

1.3.4 电缆故障性质的诊断

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第2章 电力电缆故障测试方法-行波法 2.1 电缆故障测距方法

、根据不同性质的故障，电缆故障的测距采用不同的方法。目前主要有电桥法和根据行波原理发展的低压脉冲反射法、脉冲电压法、脉冲电流法、二次脉冲法。电桥法测试电缆受条件限制较多，对于高阻故障无法进行测试。随着新技术的不断进步，现在现场上电桥法用得越来越少。 2.1.1 二次脉冲法

20世纪90年代，国外发明二次脉冲法。它先用高压脉冲将故障点击穿，在故障点起弧后熄弧前，由测试仪器向电缆耦合注入一低压脉冲。此脉冲在故障点闪络处（电弧的电阻值很低）发生短路反射，并记忆在仪器中。电弧熄灭后，测量仪器复发一测量脉冲通过故障处直达电缆末端并发生开路反射，比较两次低压脉冲波形可非常容易地判断故障点（击穿点）位置。二次脉冲法使得电缆高阻故障的测试变得十分简单，是目前电力电缆故障

离线测试最先进的基础测试方法。

2.1.2 低压脉冲反射法

通过计量发射脉冲和故障点反射脉冲之间的时间差△t来测取故障距离。若设脉冲电波在电缆中的传播速度为v，则电缆故障距离S可由下式计算：S=0.5v△t。低压脉冲反射法适于测定电缆的低阻和开路故障，也可用于校对电缆的全长和显示电缆中间接头的位置，还可用于测定电缆的波传播速度，测量准确率较高，应用较广。 2.1.3 低压脉冲反射法工作原理

低压脉冲法适用于测试电缆线路断线故障和小于l OO 欧的低电阻短路(接地)故障。其基本原理是，在测试端向电缆线路注入一低压脉冲，仪器记录发射脉冲波和至故障点返回的反射脉冲波的时间间距△t。已知脉冲波在电缆中传播速度，即可计算出故障点距离。 2.1.4 脉冲电流法

脉冲电流法是20世纪80年代初发展起来的一种测试方法，以安全、可靠、接线简单等优点显示了强大的生命力。它与脉冲电压法大致相同，区别只在于：脉冲电流法是通过一线性电流藕合器来测量电缆故障击穿时产生的电流脉冲信号。脉冲电流法也包括直闪法和冲闪法两种类型。直闪法用于测量闪络性高阻故障；而冲闪法主要用于测量泄漏性高阻故障，也可测量闪络性高阻故障。直闪法测量线路中包括：电流耦合器、调压器、高压试验变压器、整流硅堆、储能电容。测量时，调整仪器从0开始给电缆加直流电压，当电压升到一定值时，故障点闪络放电，线性电流耦合器输出第一个电流脉冲。放电脉冲到达故障点后又被反射，折回到仪器端。这一过程不断进行，直到放电过程结束，则故障点到测量端的距离可由此计算出来。冲闪法测量线路中则有一球间隙，用以改变加到电缆上的冲击

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电压高低和放电间隔时间。测量时从0调节T，当电压增加到某一值时，球间隙G击穿，使电容对电缆芯线放电。当电压信号幅值大于故障点临界击穿电压，则高压信号沿电缆行进到故障点一定的时间后，故障点电离，击穿放电。闪测仪将记录到相应的波形，则故障点到测量端的距离可由此计算出，△t表示相邻两个同极性脉冲（第一个脉冲除外，因为故障点击穿有延时）的时间差。 2.1.5 直流高压闪络测试法

测试原理：在直流高压的作用下，使高阻故障点发生闪络放电，形成瞬间短路电弧，从而产生来回反射波。故障点到测试端的距离为L=vT/2(v--电波在电缆中的传波速度)。测试线路如图2.1所示。

首先对电缆C相进行测试：①按图2.1接线，并检查无误后，接通电源，缓慢升压，当电压升至约8kV时，听到有规律的\嗒、嗒、嗒\的放电声，毫安表指针有规律地摆动。②降压、断电、放电。③打开主机，选择电缆绝缘介质种类：交联电缆(波速v=172m/μs)，调节脉冲波在显示屏中的位置，使脉冲波形基线距荧屏下端约1cm，调节脉冲幅度约为3cm。按\工作选择\键使仪器处于\闪络-1\工作状态(\闪络-1\工作状态用于测量10～10000m以内的闪络故障)。按\采样/保持\键，使仪器进入\正在采样\状态。④调压器升压，故障点再次放电，出现图2.2典型的直闪波形，t1为故障点闪络放电后形成的一次反射波，t2为二次反射波，t3为三次反射波，依次循环。则故障点的距离L=v(t2-t1)/2=v(t3-t2)/2=v(t4-t3)/2=?。按\采样/保持\键，使仪器处于\保持状态\，降压、断开调压器电源、放电。⑤通过波形处理，游标定位，游标移动，打印、显示的故障点的距离为距测试端282m处。

图2.1

VT--调压器，0～250V，容量3kVA

PT--高压变压器，50000V/200V，容量＞1.5kVA D--整流硅堆，反向耐压＞200kV，工作电流＞50mA

C--隔直流电容，容量＞0.1μF，并根据电缆所加直流高压， 最大可为电容标称耐压值的4倍，来选择电容的连接数目

R1、R2--组成分压器

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图2.2

2.1.6 冲击高压闪络测试法

冲击高压闪络测试法适用于测试故障点泄漏电流较大、直流高压不易使故障点放电的闪络故障和大于l OO欧的短路(接地)故障。与直闪法的区别在于，冲闪法的接线中，在高压试验设备和电缆之间串接了一对球间隙，直流高压先对电容器充电，当加在电缆上的直流高压幅值大于故障点临界击穿电压时，球间隙击穿，电容器对电缆故障点放电并产生放电脉冲波。这一放电脉冲波在测试端和故障点之间往返，仪器记录到脉冲波形，并根据时间间隔计算出故障点距离。

2.2 低压电力电缆故障检测装置现状及存在的问题 2.2.1 在测距原理上存在的问题

压电力电缆的绝缘水平低，会使得低压电力电缆无法承受故障测试时所加的高电压。若在低压电力电缆上用高压电桥法、脉冲直流法、冲击法来进行故障测距，都可能使电缆出现二次击穿，产生新的故障。因此，低压电力电缆常用测距方法是低压脉冲反射法与电桥法。

低压脉冲法简单、直观，但这种方法有以下不足：

（1）当故障电阻高时，脉冲反射系数幅值小于5%，故障点反射脉冲较难识别，因此低压脉冲法不适用于故障电阻高的电缆高阻故障测距；

（2）电力电缆线路较短，使用低压脉冲进行故障测距时，脉冲的发射波与反射波之间的时间差非常小，不易分辨；

（3）低压脉冲反射法的使用必须具有脉冲发射装置与接受装置，整个测距装置的成本高。

2.2.2 在故障精确定点方法上存在的问题

目前，常用的电缆精确定点的方法是声测法和音频感应法。声测法主要用于高阻故障的故障点精确定位。在实际应用中，声测法常因受到电缆

故障点环境因素的干扰，如振动噪声大，电缆埋设过深等，造成定点困难。

电阻小于10Ω的低阻电缆故障，传统的定点方法是音频感应法。音频感应法频率较低(1KHz)，音频信号的发生器功率较大；音频感应法是通

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过人的耳朵对声音信号强弱的分辨来判断故障点的位置，操作人员的经验要求较高。

2.2.3 故障测距主要方法——电桥法基本原理及存在的不足

电桥法被当作电力电缆故障测距的主要方法，其工作原理是利用缆芯导体构成电桥的回路长度成正比的原理(见图2.3)。电桥平衡时： R'X=(2L-X)R 则：X=2LR/(R+R') (m)

图2.3 电桥法测试电缆故障的原理接线图

电桥法操作简单、精度高，而且装置成本低，但作为电缆的测距方法，它还存在以下不足：

(1)在故障电阻很高的情况下，由于电桥里的电流很小，一般灵敏度的仪表很难探测到这么小的电流。这时，为了得到在测距时所需的电流(10～15mA)，传统的方法是使用高压电桥法，或烧穿故障点，使接地电阻变小后，再使用低压电桥法。低压电力电缆的电压绝缘水平不高，如果为提高电桥的灵敏度而升高电压，有可能造成在定位时电缆的二次击穿，形成新的故障；而在故障点上施加高压，让适当的电流流过并烧穿故障点形成炭化物，使故障电阻值下降的方法，由于其费时费力，效果又不太理想而逐渐被淘汰。

因此，从上面的分析可知，电桥法不适用于电缆高阻故障的测距。 (2)当低压电力电缆发生三相短路、三相短路接地和断线故障时，从图2.3可以看出，由于无法构成测量回路，电桥不能进行电缆的故障测距。

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第3章 电力电缆故障测距方法-电桥法 3.1 测试低压电力电缆的新方法-直流比值法 3.1.1 基本原理

为了克服电桥法的缺点，我们在电桥平衡原理的基础上提出了一种全新的故障测距方法——直流比值法。其原理如图3.1所示。

如图所示，当电缆发生短路故障时，若使Rm>>Rf，则IG≈0。这时UA0=UD0，而UA0=U2+U3。设电缆的直流电阻参数为r0，根据基尔霍夫定律可得：

UA0=UD0= Uf+Xr0I+U3 U1=Xr0I+ Uf+Xr0I

图3.1直流比值法测距原理图

在测试端测得电压值U1、U2、U3，并调节电阻R，使得

U1=U2+U3=UA0

则 U1-UA0 = Xr0I -U3=0 由于 U3=RI

所以 Xr0I-RI=0

X= (2-1)

式(2-1)即为直流比值法计算故障距离的一般公式。这种方法的新颖之处在于——用U3(IR)来补偿测试点到故障点之间的电压。直流比值法与电桥法相比的优越性在于：

a解决了低压电力电缆故障检测中高阻故障的测距问题；b解决了三相短路、三相短路接地及断线故障的测距问题；c不需要检流，检测微弱电流难以用数字的方法实现，而使用电压量进行比较；d仪器易于实现数据化，只需要一只可调电阻。

3.1.2 单相接地短路

（1）单相接地短路接线原理如图3.2

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图3.2 单相接地测距原理接线图

3.1.3 相间短路

两相之间短路的测距接线如图3.3所示。三相短路、接线的原理如图3.3。

图3.3 三相接地测距原理接线图

3.1.4 两相短路接地

两相短路接地测距原理接线如图3.4所示。

图3.4两相短路接地测距原理接线图

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3.1.5 三项短路接地 三相短路接地测距接线如图3.5所示。

图3.5三相短路接地测距原理接线图

为分析方便，先将图3-4中的故障电阻经星-三角形（Y/△）变换后，等效为图3.6(与三相短路故障相同)。

图3.6三相短路接地测距原理等效图

在图3.6中

Rf1=R＇f1+R＇f2+R＇f1R＇f2/R＇f3 Rf2=R＇f2+R＇f3+R＇f2R＇f3/R＇f1 (3-1) Rf3=R＇f1+R＇f3+R＇f1R＇f3/R＇f2

从(3-1)式中可见，若R＇f2﹥R＇f3﹥R＇f1，则Rf2﹥ Rf1 ﹥Rf3。为了提高精度，应将电源加在故障电阻为最小的两相之间(如图AC两相之间的Rf3最小)；将大电阻Rm加在故障电阻为最大的两相之间(如图BC两相之间的Rf2为最大)；最后将故障电阻为中间值的两相芯线(如图AB两相)，在测试端的另一侧用跨接线连接起来。

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由于Rm阻值很大，因此IG≈0，这时UB0=UD0，如图3-5可见 Uf3=Uf1+ Uf2 Uf1=[Rf1∥2(L-X)r0]·Uf3/{R ∥2(L-X)r0] f2[Rf1

(3-2)

由于芯线直流电阻参数非常小，Rf1∥2(L-X)r0的值非常小，即 Rf1∥2(L-X)r0＜＜Rf2，因此Uf1也非常小，若将Uf1的值忽略不计，则 Uf3≈Uf2 (3-3) 根据基尔霍夫定律可得：

U1=Xr0I+Uf3+ Xr0I (3-4) UB0=U2+U3=Uf2+ Xr0I+U3 (3-5)

将(3-4)代入(3-5)并减去(3-6)得

U1-(U2+U3)= Xr0I-U3= Xr0I-RI

调节可调电阻R，使测试端的电压值U1＝(U2+U3)，则 Xr0I-RI＝0 X＝R/r0

由上式可见，三相短路及接地短路故障也可用直流比值法求出故障距离，且计算公式与其它类型短路故障的测距公式一致。

3.1.6 直流比值法在断线接地故障点中的应用

通过以上的讨论，我们同理可以推导出，电缆发生断线接地故障时也可用直流比值法求出故障距离，直流比值法计算故障距离的公式与短路故障的测距公式一样。

3.1.7 直流比值法的误差分析

从理论上分析，影响直流比值法测距精度的因素主要有三个：a短路点过渡电阻值的大小；b大电阻Rm的取值；c电源的波动。 3.1.8 短路点过渡电阻对测距精度的影响

从直流比值法测距的原理分析中可知，测距误差主要是由IG≈0和UDA≈0的假设引起的。

在用直流比值法测距时，应尽量使流过电缆故障段的电流增大，即尽量将电源接在故障电阻小的回路中。在发生相间短路故障和两相接地短路故障时，都是将电源接在故障电阻小的电缆上，其目的就是为了增大流过故障电缆的电流，提高测距精度；在发生三相短路及三相短路接地短路故障时，为提高测距精度，不仅应将电源接在故障电阻为最小的电缆回路中，而且应将故障电阻为最大的故障电缆接在测量装置中的大电阻IG两侧(见图3-5)。

UGD=2(L-X)r0∥Rf1Uf3 / [2(L-X)r0∥Rf1+ Rf2]≈2(L-X)r0Uf3 / Rf2 当故障点为一定时，(L-X)r0为电缆的参数，不会发生改变，若越大，

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Uf3 越小，UGD越接近零，则测距误差越小。

3.1.9 测量装置中 值对测距精度的影响

从(3-5)式可知，Rm值越高，IG越小，则测距精度就越高。因此，Rm值的大小，应根据故障的电阻Rf来选定。Rm值可有多个数十兆欧的电阻串联而成，无论短路点故障电阻Rf值有多大，都可以通过切换选取合适的Rm值，使得Rm＞＞Rf，IG≈0来保证直流比值法的测距精度。

3.1.10 电源波动对测距的影响

低压电力电缆测距所使用的直流电压源，是开关电源将交流电整流、滤波、稳压处理后所提供的。因此，直流电压源的电压特性曲线不是一条理想的直线，而是一条由于受到开关电源谐波干扰和环境噪声干扰，在直流电压值附近有上下波动的曲线。曲线中的纹波是开关电源的谐波引起的，曲线中较大的波动是由环境噪声所引起的。直流电压源的波动，使得低压电力电缆测距装置所采集的电压U1、U2、 U3数据中，含有高次谐波和环境噪声的干扰信号，这必然会引起故障测距的误差。

为了消除电源波动对测距精度的影响，除了对电压采样进行低通滤波，将信号中的高频干扰滤掉外，还应对数据进行数字滤波处理，以滤掉数据中的低频干扰信号。

。

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第4章 电缆故障定位方法分析

4.1 电缆故障定点方法概述

目前，常用的电缆精确定点的方法有声测法、音频感应法和声磁同步法。声测法主要用于高阻故障的精确定点。实际应用中，声测法常因受到电缆故障点环境因素的干扰，如振动噪声大，电缆埋设过深等，造成定点困难。电阻小于10Ω的低阻故障，传统的定点方法是音频感应法。音频感应法是通过人的耳朵对声音信号强弱的分辨来判断故障点的位置，对操作人员的经验要求较高。声磁同步法利用故障点放电同时产生的电磁波和声波确定故障点。通过监测接收到的磁声信号的时间差，可以估计故障点距离探头的位置，比较在电缆两侧接收到脉冲磁场的初始极性，亦可在进行故障定点的同时寻找电缆路径。 4.1.1 声测法

声测法提高了抗振动噪声干扰的能力；通过检测接收到的磁声信号的时间差，可以估计故障点距离探头的位置；比较在电缆两侧接收到脉冲磁场的初始极性，亦可以在进行故障定点的同时寻找电缆路径。

4.1.2 音频感应法

音频感应法是通过人的耳朵对声音信号强弱的分辨来判断故障点的位置，对操作人员的经验要求较高。

4.2 电缆故障在线监测的发展

随着城网的发展，原有主要依靠定期停电后进行绝缘预防及检测电路的方法已难以满足现实的要求。近年来不少研究者提出了一些新的在线带电检测方法，这些方法对早期发现电力电缆特别是交联聚乙烯电缆存在的绝缘缺陷及老化情况，很有作用。通常有以下几种方法： 4.2.1 直流叠加法

在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源（通常为50V），使该直流电压与运行中电缆的交流电压叠加，检测通过电缆绝缘层的极微弱的直流电流，即可测得整条电缆的绝缘电阻，从而可对电缆的好坏进行判断。直流叠加法的特点是抗干扰能力较强。但绝缘电阻与电缆绝缘剩余寿命的相关性并不好，分散性相当大。绝缘电阻与许多因素有关，即使同一根电缆，也难以仅靠测量其绝缘电阻值来预测其寿命。 4.2.2 直流分量法

通过检测电缆芯线与屏蔽层电流中极微弱的直流成分，对电缆中某一点或某一局部存在的树枝化（水树枝、电树枝）绝缘缺陷进行劣化诊断。

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直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差。研究表明，这些干扰主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流，因杂散电流及真实的由水树枝引起的电流，均通过直流分量测量装置，以至造成很大误差。可考虑采取旁路杂散电流或在杂散电流回路中串入电容将其阻断等方法。目前国外将用直流分量法测得的值分为大于100nA、1～100nA、小于1nA 三档，分别表明绝缘不良、绝缘有问题需要注意、绝缘良好。 4.2.3 介质损耗因数法

将加于电缆上的电压用电压互感器或分压器取出，将流过绝缘中的工频电流用电流互感器取出，然后在自动平衡回路中检测上述信号的相位差，即可测出电缆绝缘的介质损耗因数 4.2.4 分布式光纤温度传感器

利用分布式光纤温度传感器，通过检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障定位。这种检测技术成本较高，主要应用于新敷设的重要电缆。 4.3 一种电力电缆绝缘击穿定位的新方法 4.3.1 传统的电阻法对高压击穿定位原理

RR图3.7是电力电缆绝缘击穿时的等效电路图，AC表示铠装钢带，a和cRRR为钢带电阻；BD表示导电线芯，b和d为线芯电阻；e为绝缘击穿点的电阻；电缆总长是L，绝缘击穿点距B端是x。

ARaRcCReBRbERdD

图3.7 电力电缆绝缘击穿时的等效电路图

通过测量A、B、C、D四个端点中的任意三个端点的电阻，就可以对高压击穿点进行定位。以A、B、C三个端点为例。则可得

RAB?Ra?Re?Rb?a （1） RAC?Ra?Rc?b （2）

RBC?Rb?Re?Rc?c （3）

由式（1）、（2）和（3）可推导出

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Ra?(a?b?c)2 （4） 根据欧姆定律，导线电阻与其长度成正比，则可求得x

x?Ra?LRAC?(a?b?c)?L2b （5）

R从测试数据的结果可以看出，如果绝缘击穿点的接触电阻e较大，则会产生较大的误差，这在文献[2]中做了讨论。另外测量时接线用的夹具的固有电阻以及接线方式产生的接触电阻对本结果的精度都有影响。

4.3.2 护套定位的新技术

图3.8是高压电力电缆护套击穿时的等效电路图，Ra和Rb为金属护套R电阻；i表示测试电路中测试导线的固有电阻和接触电阻之和；Rv是电压表的内阻，远远高于导线电阻；Re为护套击穿点的电阻。

VRiAURiRaRvRbRe

图3.8 高压电力电缆护套击穿时击穿点定位的等效电路图

通过施加电压，电流表和电压表分别有读数U和I，由于电压表的内

R阻很高，可以认为电流表的读数是流过电阻a的电流，则由等效电路图可知

U （6） IR对于金属护套单位长度的电阻0可以由生产厂家提供，这样故障点的

Ra?位置是

lx?Ra （7） R0- 19 -

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从测试的等效电路来看，由于在测试的过程中，击穿点电阻和测试导线的固有电阻以及接触电阻对测试的结果没有影响，因此可知此种方法具有较高的精度。

4.3.3 绝缘击穿点定位的新方法

图3.9是绝缘击穿点定位的测试电路，其中

Rs是限流电阻，以防电压

U过大，而击穿点的接触电阻很小时，电流表超量程。但多数情况下，由于击穿点的电阻较大，电压U应施加较大的电压，使电流表和电压表有一个较明显的读数。当电压表的两测试夹具夹在导电线芯的两端时，电压表要有微伏级的精度，这样测量结果误差可控制在1m范围内。A和C端相接原因是减少外部的干扰。

2K1URsAACBVD

图3.9 电力电缆绝绝缘击穿点定位的测试电路图

图3.10是电力电缆绝缘击穿时击穿点定位的等效电路图，RcRdReRR、和的定义同图3.7；i和v的定义同图3.8。

Ra 、

Rb、

测量时，首先将开关接通1，得到电压表和电流表的读数是I1和V1；然后将开关接通2，得到电压表和电流表读数是I2和V2。由此可得故障点距离B端为

x?L?I2?V1(I1?V2) （8）

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2K1URsRiRiARiABRiRaRbRiReVERvRcRdCD

图3.10 电力电缆绝缘击穿时击穿点定位的等效电路图

从等效电路图可以清楚地看到，测试导线的电阻和接触电阻，以及击穿点的电阻对测量的结果不再有影响。

4.3.4 试验结果

依据新的方法对聚氯乙稀绝缘聚氯乙稀护套钢带铠装型号为VV22 3×35+1×10mm2，总长度是332m电力电缆发生高压击穿后进行定位。测试的结果列在表1中。

测试电流表次读数I1数 (mA) 1 2 3 由于测量的结果不再受接触电阻和导线电阻等因素的影响，从表1可以看出根据测试计算出的结果与实际值较近，该方法具有较高的精度。

11.6 11.3 11.9 表1 绝缘击穿点测试的结果 测 试 项 目 电压表读数V1(?V) 595 581 613 电流表读数I2(mA) 5.3 4.4 4.3 电压表读数V2(?V) 917 764 740 每次计算的位置(m) 98.4 98.3 99.4 电缆击穿点平均位置（m） 98.7 实际的 电缆击穿点的位置(m) 98 - 21 -

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结论

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致谢

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参考文献

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作者.书名.版次（第一版应省略）.出版者，出版年：引用部分起止页 作者.书名.译者.版次（第一版应省略）.出版者，出版年：引用部分起止页

作者.文章名.学术刊物名，年，卷（期）：引用部分起止页

作者.文章名.编者名.会议名称，会议地址，年份：引用部分起止页 研究生名.学位论文题目.学校及学位论文级别，答辩年份：引用部分起止页

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附录

#include “stdio.h” main() { for (;;) printf(“成功到永远！”); }

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/iyj.html