高压电缆绝缘电阻低故障的查找与排除方法分析

高压电缆绝缘电阻低故障的查找与排除方法分析

房兴,倪志磊

宝胜高压电缆有限公司 江苏省扬州市 225800

摘要：在供电系统中，电力传输系统是非常重要的组成部分。国内现有的高压电缆绝缘性能检测主要有两种方式:破坏性检测和非破坏性检测。破坏性检测需要将电缆的某一段提取出来对存在缺陷的部位进行高压击穿，从而检测电缆的绝缘性能，检测后的电缆无法再次投入使用。非破坏性检测，就是在电缆正常工作的情况下，通过使用外部的电缆绝缘性能检测设备对电缆进行检测，不会影响电路系统的供电。本文首先分析了高压电缆故障类型，其次探讨了高压电缆绝缘在线检测总体方案设计以及常见检查方法，最后就故障的查找以及故障的排除与恢复进行研究，以供参考。

关键词：高压电缆；绝缘电阻；故障查找；排除方法

引言

高压电缆用半导电缓冲阻水带简称“阻水带”，由两层无纺布带中间加一层膨胀阻水粉组成的，阻水带应用于高压电缆绝缘屏蔽层和铝波纹管铠装层之间，起到电气连接的作用，降低绝缘表面电荷的富集，降低局部放电的可能;同时阻水带可填充铝波纹管，防止水进入铝波纹管护套，降低高压电缆水树等失效性能的发生。因此，阻水带是在高压电缆使用时降低电缆失效的有效辅助材料。

1高压电缆故障类型

1.1低阻故障

以脉冲反射法衡量电缆故障部位，其绝缘电阻大幅度下降，即时状态表现是电缆绝缘电阻比特性抗阻低，个别时段可能表现为线路零电流和零电阻。低阻故障的主要类型有断路故障和短路故障两种（1）断路故障。断路故障是指连接状态的线路在某个部位发生断裂，线路断裂是故障部位绝缘电阻突然变大的间接诱因，通行电流无法通过断裂部位，电流不能形成回路，最终导致电路无法配送电能。（2）短路故障。短路故障的成因是电缆芯线断开，一条或数条相线接地，拉低了绝缘系数，绝缘层被瞬间击穿而导致系统崩溃。常见的短路故障-三相短路接地故障如图1所示。

图1三相短路接地故障示意图

1.2绝缘层老化变质

电缆长期在高压作用下工作，受到伴随着高压作用带来的机械作用和化学作用，某些腐蚀性气体与表面绝缘层材料反应，导致绝缘层老化变质，导致电缆的绝缘性能降低。

1.3测试施工问题

因为施工环境较为复杂，电缆接头施工操作质量不过关，没有依据标准化规范落实具体工作，也会造成安全隐患的留存。

1.4高阻故障

电缆和大地之间存在很小的绝缘电阻，发生高阻故障理时，电缆故障部位的即时绝缘电阻数据远远高于其自身的特性抗阻。高阻故障有泄露故障与闪络性故障两种类型。（1）泄露故障。电缆芯线外部包裹的绝缘层损坏时，内部仍有正常运行电流，电能具备较高负荷，大概率会伤害供电线路。（2）闪络性故障。闪络性故障比较极端，在预防性试验期间最常见。随着电压的持续加大，电压会逐渐接近并突破线路极限，导致电流泄漏，击穿供电电缆；如果减小电压，闪络问题会慢慢消失，电缆可恢复正常。科技人员结合脉冲反射法和闪络原理，制作了闪络测试仪，能很好地检测电缆故障。线路在闪络放电作用力下产生击穿放电，可以用于精准测试故障点位和距离。

2高压电缆绝缘在线检测总体方案设计

高压电缆绝缘在线监测系统不仅需要满足对高压电缆的基本监测和诊断功能，同时需要满足煤矿井下环境要求等，具体功能要求如下。(1)诊断系统能够准确、实时、在线监控电缆的各种状态参数变化，能够显示电缆接线盒的各种状态参数变化并迅速做出反应。(2)具有良好的可视化性能，直观清晰展示电缆的运行状态，通过采用直观的图表或曲线展示电缆内部电流或电压等参数的变化。(3)具有分析功能，系统对电缆运行故障进行综合评判，对电缆进行智能化诊断和分析。高压电缆绝缘在线监测与故障诊断系统主要由数据采集模块、网络通讯模块、数据处理分析模块、上位机显示模块组成。通过电压互感器、电流互感器、温度传感器采集电缆运行状态，并通过数据采集与分析处理模块对采集到的物理信号转变为电信号，在线检测模块通过ＲS－485总线联系，最后通过以太网与上位机监控系统界面联系，实现对远程在线监控。相比于现有的高压电缆绝缘检测方法而言，采用本套方案可以实现对高压电缆在线检测，建立了井下检测与地面监控网络，检测结果可信度更高，信号质量更加稳定。

3常见检查方法

第一，遥感检测。一般是指维修检测人员要借助遥感检测技术方案，对电缆的故障进行集中遥测，配合三相表完成实时性绝缘电阻的分析检测工作。第二，全方位查验。如果线路电缆出现了异常故障问题，维修人员要结合设计图纸确定整体铺设的路线图，并且综合分析实际铺设情况，大致判定配电线路电缆故障的位置，然后组织专业人员进行全面的核查，并且配合故障点分析数据进行集中的查找和处理，确保全方位查验工作的精细化水平。第三，电缆烧穿分析法，主要是指在声磁同步、声波分析等方式无法应用的情况下，借助电缆烧穿设备发射高压小电流，然后直接形成击穿操作，收集声音信息后判定故障位置。这种方式的排除效率较好，能协助操作人员对电压泄露、残压电流数值进行集中的分析和评估，保证检测实时性效果。

4故障的查找

4.1电桥检测法

电桥检测法是先通过双臂电桥测量电缆内部芯线阻值，再测量电缆长度，得到电缆长度与阻值的相互关系，据此测算电缆线路故障的精准点位。应用电桥检测法时，需要从不同角度分析电缆故障，重点诊断短路点位的接触状态。如果线路连接故障部位的阻值＜1Ω，要保证故障点位诊断结果误差不超过3m；如果线路连接故障部位的阻值＞1Ω，要先通过高电压烧穿技术降低阻值，再通过电桥检测法完成测量。电桥检测法诊断电缆故障的优点是测量精准。

4.2数据传输模块

高压电缆绝缘监测系统中，数据传输模块主要对现场局放信号采集模块通过光纤传输过来的信号进行接收，与此同时，信号也要传输至工控机完成数据的分析与处理。数据传输模块选择型号为TMS320F2812的DSP芯片，技术成熟，应用较为广泛，具有数据处理速度快、性价比高和功耗低等优势，外设配置齐全，自带32K存储能力的Flash和56个双向通用的I/O端口。足够的双向I/O端口能够与光电转化模块输出的数字信号进行直接交换，省去了扩展I/O端口的芯片，保证了足够高的数据处理速度。

4.3试验具体流程

操作人员要明确电缆故障检测仪器的使用标准，并及时向相关厂家技术指导人员进行资讯，更好地掌握高压组件箱中放电金属小球放电间隙的调整方式，然后落实具体工作。（1）依据3000V/mm的基础参数完成调控流程，并且，在实际测量的过程中，要先按照2mm的方式进行调整，也就是说，直接将电压升高到6000V，对电缆予以高压击穿试验分析，此时，就能在高压组件箱中获取高压小球放电声音。（2）操作人员要戴上电缆故障点应用设备，完成放电声音的获取工作，并且要合理调整试验电压数值，有效按照实际情况进行记录，得出结论是放电声音每间隔数秒进行一次放电。此时，矿区工作人员配合使用电缆故障定点仪器进行故障点的查找，但是却没有获取准确的结果。（3）操作人员第二次进行调整，将高压组件箱中放电金属小球的间隙控制在5mm，此时，将测试电压调整为15000V，并且，依旧对放电声音进行标注和测定记录，安排相应的电气技术人员佩戴电缆故障定点仪器设备下井寻找故障点位置，发现，故障点在皮带机道中，主要集中在电缆冷缩接头位置，检测到异常的放电声音。

5故障的排除与恢复

要想从根本上保证高压电缆绝缘电阻故障分析工作的水平，就要落实标准化工序，完成查找工作后，结合对应的问题开展相应排除和恢复工作，及时完成电缆设备的控制和修补工作，避免安全隐患问题的留存，大大提升工作效率和安全效益。本文中，技术人员在完成电缆结构故障点判定工作后，就需要落实完整的电缆故障处理和恢复方案。

5.1断开接头

在相关技术部门共同商讨后得出，因为是井下皮带机道区域故障问题，因此，需要对此处的高压电缆进行断开处理，去除故障电缆后重新连接。因为要尽量减少操作的难度和操作行为对周围区域产生的影响，相关部门在变电所和地面35kV变电站各指派1名工作人员对高压电缆两端进行观察和监督，然后完成高压电缆两端地线的封存，及时悬挂“严禁送电”的警示牌，避免电缆送电对故障排除工作和人员安全产生影响。此时，技术员协同主管部门完成高压电缆的断开处理工作。需要注意的是，在电缆结构断开前，要对现场环境进行集中管理，确保安全措施满足要求，并且利用电缆故障定点设备进行故障点判定，且在故障点位置的附近楔入3根长钢钉，保证钢钉穿透电缆的芯线，钢钉处理完成后若是没有异常情况，就能完成地线一端的连接控制和处理，佩戴绝缘手套完成高压电缆的拆除。

5.2监测系统整体设计

电流传感器的安装部位处于电缆接地线的外部，其作用在于对局部脉冲信号进行测量；数据采集单元配置在被测电缆的周围；信号调理电路安装在采集板块的内部前置环节，其作用在于对信号的滤波及放大等实施预处理，处理器单元的功能是对信号实施数字化处理及去噪。光纤传输板块包含了两个部分，分别为光电转化与光纤传输线，其中转化与采集模块相互连接，将电信号转化成为光信号，利用光纤线可以将信号传输到信息传输板块。信息传输板块的安装部位在煤巷监控站内，其作用在于接收光纤信号，同时可以利用串口通信将数据信息及时传输到地面上位机，实现数据的进一步分析，通过电缆的局部放电信号来计算出电缆绝缘层的老化状态，如果老化程度超出了标准值，系统将会发出警报信号，此时操作人员需要及时更换老化电缆。

5.3高压电缆绝缘在线检测系统软件设计

高压电缆在线监测与诊断系统软件主程序是采用模块化设计，将各个控制功能作为独立的控制模块，单独进行设计，实现对应的功能，最后将所有的模块汇总到主程序中。高压电缆绝缘在线监测与诊断系统电控系统主程序的执行过程为:在对DSP2012寄存器进行初始化之后，外部中断打开，主程序开始正式运作，首先判断是否接收到指令，当接收到指令时开始调用数据采集模块的子程序，采集电缆的电压、电流和温度信号，随后调用数据处理和分析子程序，对采集到的数据进行分析和处理，将物理信号转变为电流信号，并对电缆信号进行监测和诊断，最后在上位机中显示监测到的数据和诊断结果，自动生成历史纪录、随时查看监测结果和近期的电缆运行状况。

5.4硬件设计

（1）数据采集模块。数据采集模块作为高压电缆绝缘监测系统的重要组成部分，负责将高频电流传感器采集得到的局部放大信号提取出来进行滤波和放大处理，之后传输至模数转换模块进行信号形式的转换，输出数字量信号。数据采集模块使用的FPGA芯片采集得到的数字量信号经光纤转化电路再次转换成光电信号传输至地面。光纤传输信号能够有效的降低周围电磁和噪声的干扰，保证了电力电缆现场采集模块信号数据的精度，提高了绝缘监控系统的监测精度。（2）数据传输模块。高压电缆绝缘监测系统中，数据传输模块主要对现场局放信号采集模块通过光纤传输过来的信号进行接收，与此同时，信号也要传输至工控机完成数据的分析与处理。数据传输模块选择型号为TMS320F2812的DSP芯片，技术成熟，应用较为广泛，具有数据处理速度快、性价比高和功耗低等优势，外设配置齐全，自带32K存储能力的Flash和56个双向通用的I/O端口。足够的双向I/O端口能够与光电转化模块输出的数字信号进行直接交换，省去了扩展I/O端口的芯片，保证了足够高的数据处理速度。（3）高频电流传感器。局部电流变化信号的采集由高频电流传感器完成，工作原理如下：线圈缠绕在环形磁性材料上，当高频脉冲电流经过线圈的中心时，能够在线圈中产生感应电压，进而监测得到电流的变化波形。电缆绝缘监测系统使用的高频电流传感器具有线性度高，在±2~±4000mV范围内能够监测得到不失真的电流波形，响应速度快，灵敏度高，幅频响应带宽范围在10kHz~10MHz，安装时不需破坏高压电缆，使用的是钳夹嵌套式安装方法。上述高频电流传感器的使用，具有很好的抗干扰能力，满足井下电力电缆绝缘监测系统的要求。

5.5连接接头

在完成高压电缆断开处理工作后，要将断开的接头全部清除干净，然后剥离电缆接头，并且联系地面留守工作人员，拆除电缆两端的封地线，配合遥测工序以及获取的相关数据，评估断开位置到井下变电所电缆的绝缘数值，也要实际测量35kV站段电缆的绝缘数值，测定后可知：①对地A相1000兆欧、对地B相2000兆欧、对地C相1500兆欧；②对地A相1500兆欧、对地B相1500兆欧、对地C相1500兆欧。现场完成电缆接头的处理工作，此时，临时使用高压接线盒就能有效将断开的电缆结构连接在一起，维持良好的应用状态，并且实现高压电缆的地线引出模式，确保接线盒地线和临时性安装的局部接地线连接效果符合预期，从而有效完成排除工作。

5.6恢复送电

在操作工序中，因为高压电缆中间接头采取重组模式，所以，变电所内要对高压电缆三相电源的相位予以分析，并且对电缆三相芯予以标记，从而进行完整记录。并且，定期指派专业的技术人员予以监督，确保整体定相工作和供电恢复工作有序落实，才能完成本次监督工作。

6注意事项

对于绝缘电阻试验，标准允许同一个样品重复测量，GB/T3048.5-2007第8.3条规定：“重复试验时，在加电压之前应使试样短路放电，放电时间应不少于试样充电时间的4倍；如因试样有剩余电荷而造成测量结果有明显差别时，必须先进行充分放电。对于这类试样，无论是第1次测试或重复测试，均需充分放电。”某项目研究过程中，在进行水温测试时发现，水温只控制在90±1℃之间时，同样条件下的绝缘电阻值偏差较大，故而采用带有循环系统的恒温水浴仪，尽量减少水温波动，并采用措施防止温度过冲。而样品则遵照标准要求进行“充分放电”后的重复测试。但根据介质中静电场的理论，介质极化出现的电荷属于束缚电荷，与金属中的自由电荷不同，它不会因短路放电而消除。若要使极化完全消除，必须加反向电场（矫顽场），或者使用衰减的交变电场来消除极化现象。在项目研究中严格遵照国家标准的规定，没有使用矫顽场，而是在重复测量前对被测电线样品进行了5~10min的“充分放电”后再进行测量，得出测量结果。但是由于极化电场没有消除，重复测量得到的绝缘电阻值明显大于第1次测量值，两者复现性并不好。于是又再一次“充分放电”后对该组样品进行了重复测试。选用YJV-0.6/15×25黑色线芯样品5份（23℃时，D=8.65mm，d=6.48mm）各10.0m，在SYY-12型恒温水浴仪中浸泡1h（温度设定90℃），施加DC500V，保持时间1min时测量，其中R1、R2、R3、R4分别表示第1、2、3、4次测量的绝缘电阻；Ki1、Ki2、Ki3、Ki4分别表示第1、2、3、4次绝缘电阻常数。同一个样品，即使经过“充分放电”，绝缘电阻值总的趋势还是随着测量的次数增加而越来越大，首先是因为多次的复测会让束缚电荷越来越多，并不会因为放电而彻底消除，其次是重复的复测事实上会让样品在热水中浸泡的时间超过最佳测量时间而导致绝缘性能发生变化。

7电力电缆故障诊断案例

（1）案例概况。2020年6月28日14点24分，某变电站110kV春叶Ⅰ轨回177线路Ⅰ段发生了零序过流Ⅰ段保护动作，动作持续时间长达33ms，故障电流值高达7.97kA，故障相别为A相，重合闸未投。经检查，故障录波与变电站相距5.478km，产生的最大故障电流高达8.26kA，一、二次设备皆正常。（2）故障原因。在现场检查故障发生地点的电缆、接头及终端，并没有发现异常现象，申请停电检查后，发现110kV春叶Ⅰ回A相绝缘电阻值为零，故障击穿点在110kV春叶Ⅰ回二号点的中间接头A相。观察电缆外表，没有发现异常。打开电缆确认故障发生点时，拆除玻璃钢壳和防水胶，观察铜壳外观，没有出现损坏和击穿点。使用喷枪融掉铜壳封铅，打开铜壳，可以确定击穿点的位置位于短端电缆，在铜壳内部及包带上有击穿造成的黑色粉末。击穿点位于距铝包断口40mm的位置，这个位置是电缆阻水缓冲层。拆除中间接头，发现中间接头橡胶件完好，其内外没有出现放电痕迹。检查长端电缆，未发现异常情况。分析发生击穿的原因，可能是在安装中间接头的过程中，在剥除电缆阻水和缓冲层时，由于操作失误，美工刀划破了电缆，因划伤较轻且位置不易发现，所以电缆一直带伤工作。（3）暴露的问题。①技术问题。厂家没有严格按标准制作电缆中间接头，导致在安装过程中容易损伤电缆表层。同时，在制作电缆中间接头时，厂家没有遵循准确度的要求，通过拆解可以发现，接头两侧的阻水缓冲带切割尺寸不一致，较短的为20mm，较长的为40mm，并没有按照要求的20mm进行切割。②管理问题。1.在施工安装之前，施工人员没有严格检查中间接头的质量是否达到施工要求，缺少质量监理工作，导致电缆长时间带伤工作。2.在施工过程中，施工人员没有进行严格的施工现场管理工作，没有做到全面监管。3.监理人员不具备责任心，不了解安装的具体流程，在施工过程中没有发挥应有的作用。（4）故障解决措施。首先，拆除110kV电缆终端头与101间隔线路PT的联络线，单独隔离出故障电缆，恢复正常送电。然后，对故障电缆进行维修，分离故障部位，再在断口处制造出新的电缆中间接头，并选取一段新的电缆与电缆接头相连。（5）故障预防措施。①对安装施工过程进行全过程管理，并将施工安全放在施工管理第一位，严禁由于赶工而缩短中间接头的制作时间。为了保证电缆安全，在整个施工过程中，监理人员需要进行全面的监理工作。在进行接头组装时，需要重新核对剥切尺寸，然后进行安装工作。②在切割电缆时，严禁使用美工刀垂直切割阻水缓冲带，应使用美工刀倾斜45°进行切割工作。切除完成后，应该全面检查电缆是否出现损伤，如果存在损伤，应立即停止施工，避免任何损伤电缆的行为。

结语

电力成为日常生活和电力生产的主要能源，社会各界对电力系统稳定运行提出了更高要求。电力电缆长期处在高负荷运行状态，电力电缆故障率较高，要想提升电力系统运行效率，最关键的是加强电力电缆故障诊断，以此提升电力系统运维管理和故障排除能力。

参考文献

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