1、故障分析与反措电力电缆故障分析及检测高侠（江西南昌供电公司）摘要本文详细介绍了各种行之有效的电缆故障检测方法，分三个部份，分别为电力电缆故障性质的分析方法、电力电缆故障粗测方法、电力电缆故障的精确定点方法。此类研究工作将对本公司今后电缆故障抢修工作带来一定的意义。关键词分析故障性质 故障点粗测 故障点定位0前言随着我国经济的迅猛发展，城市规模的不断扩大，高层建筑越来越多，人口越来越密集，以及电力两网改造的完成，安全方便的电力电缆应用日益广泛。但由于电缆长时间运行，就难以避免的因外力破坏和自身绝缘老化等原因引起各种类型的电缆故障。同时由于电缆多数敷设于地下，属于隐蔽工程，故障点的查找不如架空输电
2、线路直观，如不能及时排除故障、恢复供电，往往造成停电停产的重大损失。所以如何用最快的速度、最低的维修成本恢复供电是各供电部门在遇到电缆故障时最关心的课题。电缆故障的检测，无论选用哪种测试方法，均需按照一定的程序和步骤进行。一般来说分三个步骤：分析故障性质、故障点粗测、故障点定位。1电力电缆故障性质的分析方法1.1电力电缆故障的分类目前电力电缆故障可能涉及到三大类故障：导体故障（芯线及金属屏蔽层）。主绝缘故障。护套故障。但由于电力电缆的种类繁多，结构组成不尽相同，加之根据不同部门的需要，可以有不同的分类方法，简单归纳为以下几种情况。1.1.1电缆故障按故障部位分类1）主绝缘故障。电缆的导体芯线与
3、地或金属屏蔽层之间绝缘受损形成各种性质故障。一般来讲，35KV及以下等级电缆，其绝大多数故障属于此类故障。2）护套故障。一般指电缆的金属护套（层）或绝缘护套受损形成的故障，实际中能够发现的是金属护套对大地之间绝缘护套的故障。此类故障以泄漏性故障居多。护套故障只有在35KV及以上高电压等级的单芯电力电缆才涉及到。3）本体故障。完整的输电电缆由电缆本体和电缆接头两大部分组成，因此电缆的故障肯定发生在电缆本体和电缆接头。电缆的本体可出现不同性质的故障，通常因产品质量和外因损坏为主要原因。4）接头故障。使用电缆供电，不论电缆长短，肯定存在终始端两个接头。对于长距离供电电缆或者电缆出现故障修复后，电缆也
4、肯定有连接头，即中间接头。通常电缆故障的相当一部分为接头故障，其表现性质各不相同，但通常以多相并对地泄漏性高阻故障居多。1.1.2电缆故障按故障时间分类1）运行故障。运行故障是指电缆在运行中因绝缘击穿或导线烧断而引起保护器动作，突然停止供电的故障。此类故障通常以单相或多相并对地泄漏性故障较多。2）试验故障。试验故障是指在预防性试验中绝缘击穿或绝缘不良而必须进行检修后才能恢复供电的故障。1.1.3电缆故障按故障责任分类1）人员过失。电缆选型不当，三头结构设计失误，运行不当，维护不良等。2）设备缺陷。电缆制造缺陷，电缆三头附件材料缺陷，利用旧设备的遗留缺陷，安装方式不当或施工工艺不良等原因造成的三
5、头质量缺陷。3）自然灾害。雷击、水淹、台风袭击、鸟害、虫害、泥石流、地沉、地震、天体坠落等。4）正常老化。一般电缆运行30年以上的绝缘老化，户外头运行20年以上的浸潮，垂直敷设油纸电缆在20年以上的高端干枯等。5）外力损坏、腐蚀、用户过失及新产品、新技术的试用等。1.1.4电缆故障按故障性质分类1）短路（接地）型：电缆一相或数相导体对地或导体之间的绝缘发生贯穿性故障。根据短路（接地）电阻的大小又有高电阻、低电阻和金属性短路（接地）故障之分。2）断线型：电缆一相或数相导体不连续的故障。3）闪络型：电缆绝缘在某一电压下发生瞬时击穿，但击穿通道随即封闭，绝缘又迅速恢复的故障。4）复合型：电缆故障具有
6、两种以上的故障特点。电力电缆线路常见故障故障性质故障特点常见类型低电阻接地或短路故障电缆线路一相导体或数相导体对地或数相导体之间的绝缘电阻低于某一种数值（此数值并非固定不变，它主要取决于测试设备的条件，如测试电源电压的高低、检流计的灵敏度等），而导体的连续性良好。单相接地、二相短路、二相短路接地、三相短路接地等。高电阻接地或短路故障与低电阻接地或短路故障相似，但区别在于接地或短路的电阻大于某一数值（此数值并非固定不变，它主要取决于测试设备的条件，如测试电源电压的高低、检流计的灵敏度等）。单相接地、二相短路、二相短路接地、三相短路接地等。断线故障电缆各相导体的绝缘电阻符合规定，但导体的连续性试验
7、证明有一相或数相导体不连续。单相断线、二相断线、三相断线。闪络故障低电压时电缆绝缘良好，当电压升高到一定数值或在某一较高电压持续一定时间后，绝缘发生瞬时击穿现象。单相闪络、二相闪络、三相闪络。复合型故障电缆线路具有两种或两种以上故障特性。接地断线、断线闪络、断线短路等。1.2电力电缆故障的判别方法上述较详细地分析了电力电缆的故障分类，以下仅从用户管理的角度讲述电力电缆故障的判别方法。分析故障类型，总结如下：电力电缆故障导体损伤断线故障绝缘损伤泄漏性故障低阻故障高阻故障闪络性故障高阻故障护套故障低阻故障高阻故障1.2.1断线故障断线故障的判断方法见图1（附图1）图1断线故障的判断方法（a）单芯电
8、缆；（b）三芯电缆附图1：对于单芯电缆，在终端将线芯与金属屏蔽层短接，在始端用欧姆表（三用表）测试A到屏蔽层的电阻值，R应稍大于R0=L/S（），一般应满足RA2 R0条件。若RA=，为断线故障。对于三芯电缆，若电缆有金属屏蔽层，在终端将三相与金属屏蔽层短接，用欧姆表在始端分别测试三相对屏蔽层以及三相间的电阻值，三相电阻应基本平衡且应满足RA、B、C2 R0条件。若RAB、RBC、RAC任意两组数数据与RA、RB、RC任意一组数据中的电阻值为时，可判断为断线故障。若电缆无金属屏蔽层，可不测试相对地电阻，应测相间电阻。注意在判别时尽可能不要使用兆欧表，因为断线故障的故障点处绝缘可能碳化并形成较低
9、电阻的碳化通道，从而在兆欧表测试下可能呈现电阻为零的假象，造成误判断。另一种判别方法就是应用低压脉冲法测试。通过用脉冲法测试电缆的相对长度及脉冲反射波形来判断电缆是否存在断线故障，此时无需将电缆另一端短接。此方法对芯线及金属蔽层都可非常有效地检测。1.2.2泄漏性低阻故障（简称低阻故障）依据电阻电桥法或依据低压脉冲法，低阻故障有两个不同的定义。1）依据电桥法。用欧姆表或万用表测试电缆相间和对地（或金属屏蔽层）的电阻值，若电阻值小于10K可认为是低阻故障。2）依据脉冲法。最好的判别方法是用低压脉冲法测试相间或相对地的波形，若波形中产生与仪器发射脉冲反极性的反射波形时，一般可判定电缆存在有低阻故障
10、。但应区分是否是电缆中的接头反射波，因为有些接头的反射极性与低阻故障类似。一般来讲，低阻故障应小于几千欧。1.2.3泄漏性高阻故障相对于低阻故障，若用电阻电桥和脉冲法测试不了的相间或相对地泄漏性故障，通常还有两种判别方法：1）兆欧表或欧姆表法。若用兆欧表或欧姆表测得相间或相对地电阻远小于电缆正常绝缘电阻值时，可判别为泄漏性故障。一般电阻值在数千欧至几十兆欧。2）直流耐压预试。在电缆的额定电压下分相加直流电压，当电缆的泄漏电流值Ig随预试电压的升高而连续增大，并远大于电缆的允许泄漏值时，即可判断电缆有泄漏性故障，其阻值可进一步通过兆欧表来测试。1.2.4闪络性高阻故障（简称闪络性故障）由于闪络性
11、故障几乎全在高阻状态，且阻值很高，通常稍低于或相等于电缆正常的绝缘电阻值。因此，在现场只有通过做预试一种方法来判别。在电缆的允许额定试验电压下，当试验电压高于某一电压值时（未超过额定试验电压），泄漏电流值突然增大，而当试验电压下降后，泄漏电流值恢复正常，此时可判断电缆存在闪络性故障。1.2.5护套故障实际中，在66KV及以上等级或特殊电缆才存在护套故障，其故障性质多为泄漏性高阻或低阻故障，所以一般可通过兆欧表或欧姆表来判知。1.3电力电缆故障的成因及其特征电力电缆除运行故障外，一般是通过不同的检查、试验方法发现其故障的存在，但电力电缆故障绝不是检查试验所造成的。通过分析统计得出，电力电缆故障主
12、要与以下几种因素有关。1.3.1机械损伤。机械损伤类故障比较常见，所占的故障率最大（约为57%），其故障形式比较容易识别，大多造成停电事故。一般造成机械损伤的原因有以下几种：1）直接受外力损坏。如进行城市建设，交通运输，地下管线工程施工、打桩、起重、转运等误伤电缆。2）施工损伤。如机械牵引力过大而拉损电缆；电缆弯曲过度而损伤绝缘层或屏蔽层；在允许施工温度以下的野蛮施工致使绝缘层和保护层损伤；电缆剥切尺寸过大、刀痕过深等损伤。3）自然损伤。如中间接头或终端头的绝缘胶膨胀而胀裂外壳或附近电缆护套；因自由行程而使电缆管口、支架处的电缆外皮擦破；因土地沉降、滑坡等引起过大拉力而拉断中间接头或电缆本体；
13、因温度太低而冻裂电缆或附件；大型设备或车辆的频繁振动而损坏电缆等。1.3.2绝缘受潮。绝缘受潮是电缆故障的又一主要因素，所占的故障率约为13%，绝缘受潮一般可在绝缘电阻和直流耐压试验中发现，表现为绝缘电阻降低，泄漏电流增大。一般造成绝缘受潮的原因有以下几种：1）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）电缆护套被异物刺穿或被腐蚀穿孔。1.3.3绝缘老化。电缆绝缘长期在电和热的作用下运行，其物理性能会发生变化，从而导致其绝缘强度降低或介质损耗增大而最终引起绝缘崩溃为绝缘老化，绝缘老化故障率约为19%。运行时间特别久（3040年以上）的则称为正常老化。如属
14、于运行不当而在较短年份内发生类似情况者，则认为是绝缘过早老化。引起绝缘老化过早老化的主要原因有：1）电缆选型不当，致使电缆长期在过电压下工作。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。1.3.4过电压。电力电缆因雷击或其他冲击过电压而损坏的情况在电缆线路上并不多见。因为电缆绝缘在正常的运行电压下所承受的电应力，约为新电缆所能承受的击穿试验时承受电应力的十分之一。因此，一般情况下，34倍的大气过电压或操作过电压对于绝缘良好的电缆不会有太大的影响。但实际上电缆线路在遭受雷击时被击穿的情况并不罕见。从现场故障实物的
15、解剖分析可以确认，这些击穿点往往早已存在较为严重的某种缺陷。雷击仅是较早地激发了该缺陷。容易被过电压激发而导致电缆绝缘击穿的缺陷主要有：1）绝缘层内含有气泡、杂质或绝缘油干枯。2）电缆内屏蔽层上有节疤或遗漏。3）电缆绝缘已严重老化。1.3.5过热。电缆过热有多方面的原因，从近几年我单位电缆运行情况的统计分析上来看，主要有以下原因：1）电缆长期过负荷工作。2）火灾或邻近电缆故障的烧伤。3）靠近其他热源，长期接受热辐射。过负荷是电缆过热的重要原因。电缆过负荷（在电缆载流量超过允许值或异常运行方式下）运行，未按规定的电缆温升和整个线路情况来考虑时，会使电缆发生过热。例如在电缆比较密集的区域，电缆沟及
16、隧道通风不良处，电缆穿在干燥的管中部分等，都会因电缆本身过热而加速绝缘的损坏。橡塑绝缘电缆长期过热后，绝缘材料发生变硬、变色、失去弹性、出现裂纹等物理变化；油纸电缆长期过热后，绝缘干枯、绝缘焦化，甚至一碰就碎。另外过负荷也会加速电缆铅包晶粒再结晶而造成铅包疲劳损伤；在大截面较长电缆线路中，如若装有灌注式电缆头，因灌注材料与电缆本体材料的热膨胀系数相差较大，容易造成胀裂壳体的严重后果。对于因火灾或邻近电缆故障的影响等外来的过热损伤，多半可从电缆外护层的灼伤情况加以确认，比较容易识别。由于我单位比较重视电缆线路与热力管线接近情况，并采取一定的措施，因此引起过热损坏情况及为罕见。1.3.6产品质量缺
17、陷。电缆及电缆附件是电缆线路中不可缺少的两种重要材料。它们的质量优劣，直接影响电缆线路的安全运行。由于一些施工单位缺乏必要的专业技术培训，使电缆三头的制作质量存在较大的质量问题。这些产品质量缺陷可归纳为以下几个方面：1）电缆本体质量缺陷。油纸电缆铅护套存在杂质砂粒、机械损伤及压铅有接缝等；橡塑电缆主绝缘层偏芯、内含气泡、杂质，内半导电层出现节疤、遗漏，电缆贮运中不封端而导致线芯大量进水等；上述缺陷一般不易发现，往往是检修或试验中发现其绝缘电阻低、泄漏电流大，甚至耐压击穿。2）电缆附件质量缺陷。传统三头质量缺陷有：铸铁件有砂眼，瓷件强度不够，组装部份加工粗糙，防水胶圈规格不符或老化等。热缩和冷缩
18、电缆三头质量缺陷有：绝缘管内有气泡、杂质或厚度不均，密封涂胶处有遗漏等。3）三头制作质量缺陷。传统式三头制作质量缺陷主要有：绝缘层绕包不紧（空隙大）、不洁、密封不严，绝缘胶配比不对等。热缩三头制作质量缺陷主要有：半导电层处理不净，应力管安装位置不当，热缩管收缩不均匀，地线安装不牢等。预制件套装时剩余应力太大等。另外，电缆线路中也有一些是拆用旧电缆及附件的情况，这种以旧充新或以旧补旧的做法虽然在利用材料，节省资金方面有好处，但对设备完好率却影响很大，建议施工和运行单位谨慎对待。1.3.7设计不良。电力电缆发展到今天，其结构与型式已基本稳定，但电缆中间头和终端头的各种电缆附件却一直在不断地改进。这
19、些新型电缆附件往往在新设备、新材料、新工艺上没有取得足够的运行经验，因此在选用时应慎重，最好根据其运行经验成熟与否，逐步推广使用，以免造成大面积质量事故。属于设计不良的主要弊病有：1）防水不严密。2）选用材料不妥当。3）工艺程序不合理。4）机械强度不充足。注：在对电缆故障发生原因的分析中，特别重要的是要了解电缆敷设中的情况。若电缆外表观察到可疑之点，则应查阅电缆安装敷设工作完成后的正确记录。这些记录应包括以下细节：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；某一电缆到别的电缆或接头的情况（这一点，十分重要），以及两种不同截面积的电缆对接头的精确位
20、置和有无反常的敷设深度或者有特别的保护措施，如钢板、穿管和排管等；电缆敷设的技工和技术员的姓名（这常常能提供重要的线索）；历次发生故障的地点及排除经过等。电力电缆故障的成因分析： 电力电缆故障粗测方法所谓粗测，就是测出故障点到电缆任一端的大致距离。粗测是故障精确定点前的必要准备。近些年来，国内外都很重视电力电缆故障探测技术的开发研究。早期的方法是，使高阻故障经过烧穿后变成低阻故障，而后再用电桥法或低压脉冲反射法进行粗测。因为采用这种方法进行“烧穿”很费时间、人力和电力，而且需要庞大的设备。目前已经开发出可靠的冲击高压闪络法、二次脉冲法、智能高压电桥法等先进测试技术。所以，现在探测电力电缆故障时
21、，不再将高阻故障“烧穿”，而是直接对故障电缆的故障相施加直流高压或冲击高压，使故障点电离放电闪络，然后再通过闪络脉冲的反射波粗测出故障点的位置。粗测法实际上可归纳为两类，即经典法（如电桥法及其变形等）和现代法（如脉冲反射法）。现代法与经典法相比，具有下列优点： 可以不依赖准确的电缆资料。如长度、截面、接头或分支位置、敷设图等。 测试简便。由于不需要“烧穿”降阻，使测试设备得到简化，测试程序变得简单。 测试效率高。由于高阻故障无需漫长的“烧穿”降阻过程，缩短了测试时间，使得测试效率大为提高。 测试更精确。现代的脉冲反射法采用先进的微电子技术，尤其是引入了人工智能技术，无需人工换算使现代测试结果更
22、加精确。 适用范围广。现代脉冲反射法不像经典法那样具有应用的局限性，无论是哪种电缆故障，都可以通过脉冲反射测试技术得到快速、准确的测试结果，因此具有更加广泛的适用性。 适于发展。现代的脉冲反射测试技术具有设备简单、轻便，一机多用（各类故障）、操作方便等优点而成为电缆故障诊断技术的发展方向。人工智能设备的出现，为操作者提供了更快捷、准确的测试结果。2.1电力电缆故障粗测方法（一）电桥法“电桥法”用于电力电缆故障测试，其历史比较悠久。由于“电桥法”的操作相对简单，在一些单位和地区一直把“电桥法”作为测试电缆故障的主要测试方法。 “电桥法”最主要的缺点是，对于电缆主绝缘出现的大部分高阻故障不能很有效
23、地进行测试，因此在现场，电桥法用得越来越少了。但对有些特殊结构类型电缆出现的故障，“电桥法”有它本身的独到之处。本文只对现今常用的几种“电桥法”从概念上做个简单介绍，不作全面的分析。2.1.1直流电阻电桥法“直流电阻电桥法”（简称“电阻电桥”）主要用于测试阻值小于10K电力电缆的绝缘故障。2.1.2直流高压电阻电桥法直流高压电阻电桥法（简称“高压电桥”）主要用于测试阻值大于10K而小于数兆欧的主绝缘单相接地故障或相间并对地故障，还用于测试66KV及以上高压电缆外护套绝缘故障、没有金属屏蔽层结构电缆、电缆故障点处没有金属屏蔽层的单相对地、相间并对地泄漏性故障等。高压电桥与直流电阻电桥的测试原理基
24、本相同，所不同的是高压电桥的直流电源功率及输出电压要比电阻电桥高得多。2.1.3电容电桥法电容电桥也叫西林电桥，它是一种交流电桥，这里主要用来测试电力电缆的开路、断线故障，但实际中很少应用。2.2电力电缆故障粗测方法（二）行波法行波法也叫脉冲反射法，采用这一原理进行电力电缆故障测试，目前在国内外已得到非常广泛的应用。其主要特点是，它对电缆故障的可测率相当高，据不完全统计，95%以上的电力电缆故障都能采用这种方法进行有效且满意地测试；测试速度快，通常大部分故障可在数分钟以内用仪器显示出故障点的位置；测试范围宽，一种测试仪器可以有效地测试所有类型的电缆故障；安全性能好，整个测试过程对被测电缆无损伤
25、，由于新技术的进一步应用，也使得操作人员在测试过程中更加安全。2.2.1准备知识为了更好的理解并掌握这一技术，有必要了解电波在电缆中传播的基本概念。1）距离的基本概念在这我们所谓的距离指的是从一个原点到另一个已知点的直线长度或有形的曲线长度，用Lg表示，其基本单位是m或Km。测试两个已知点的距离，通常有两种方法：直接测试法和间接测试法（也叫计算法）。“行波理论”测试电缆故障点到测试端距离，采用间接测试法：物体在匀速运动时，物体所走的段路程与其速度和时间三者之间的关系如下：Lg=vt如果知道物体从一个点到另一个点运动所需的时间t以及运动速度v，通过上式可计算出两点的路程长度，由于物体匀速运动可以
26、是直线形，也可以是非直线形，因此，通过上式计算出的长度是物体的实际运动路程，而不是直线距离。因此值得注意的是，用“行波理论”的任何一种方法测试所得的故障点到测试端的距离，它是故障点到测试端的实际电缆长度，而不是故障点到测试端的直线距离。我们把故障点到测试端的电缆实际长度，简称为故障距离。2）长线与短线电力电缆是电力传输线路的一种，传输线路本身几何长度L大于它所传输电流的波长（波长=传输速度v/电波频率f），或二者可以相比拟时，则称该传输线路为长线，否则视为短线。当传输的电波为脉冲波时，波长等于脉冲宽度。当在电缆线路上利用脉冲反射测试技术进行故障检测时，一般来说，低压脉冲的宽度=0.22s，脉冲
27、电压、电流波的宽度不足1s，而电波在电缆中的传播速度一般不超过200m/s。因此低压脉冲的波长=40400m，而脉冲电压、电流波的波长不大于200m。可见当电缆线路长度在几十米以上时就可以等效为长线。3）长线等效电路电力电缆被看做长线时，就不再是简单的导体（线芯）绝缘对地（外护套）回路，而是由许许多多的等效电阻、电导、电容构成，这些参数沿整个电缆线路均匀分布，称之为分布参数。电缆等效长线分布参数电路如图2（附图2）图2电缆等效长线分布参数电路ro电缆线路单位长度的电阻go电缆线路单位长度的电导Lo电缆线路单位长度的电感Co电缆线路单位长度的电容附图2：当信号电流流过每一单位长度电缆线路上的电阻
28、和电感时，都会产生电压降，并会通过电导和电容分流而中途返回。当电缆传输高频电波时，可以忽略电阻和电导的损耗，即认为r0=g0=0，这种电容被称为无损耗电路。如无特别说明，所讨论的电缆等效电路均指这种无损耗电路。电缆无损耗等效长线分布参数电路图如图3（附图3）图3电缆无损耗等效长线分布参数电路附图3：4）电波在电缆中的传播速度电缆中电波的传播速度只与电缆绝缘材料的相对介电系数和相对导磁系数有关，而与电缆的长度、结构、导体材料等无关。由于不同绝缘材料的介电系数差别较大，所以电波在不同绝缘材料电缆中的传播速度也互不相等。但对于同种绝缘材料电缆中的电波传播速度却是恒定的常数。 常用电缆电波传播速度参考
29、值电缆绝缘材料波速（m/s）名称计算值推荐值油浸纸154173160不滴流纸140150144聚苯乙稀186190184交联聚乙稀194172聚氯乙稀134150142天然橡胶190190乙丙橡胶202200丁苯橡胶179212195丁基橡胶198200注：1计算值是按纯净绝缘材料计算而得。2推荐值是经过大量实测统计而得。实行中，不同厂家或同一厂家生产的不同批次电缆，其电缆波速会略有差异，现场测试时，最好重新测试后再设置该电缆波的波速，会使测试精度更高一些。5）电缆的特性阻抗当电缆被等效地看做长线时，可以用一个特性参数来描述电缆中电压与电流的对应关系。这个特性参数就是特性阻抗，又称波阻抗。一般
30、来说，我们把从电缆始终端推进的入射电压波U+与入射电流波I+之比定义为电缆的特性阻抗Z0，则Z0可表示为：Z0= U+/ I+经分析可知，电缆的特性阻抗其数值大小只与电缆的几何结构和绝缘介质有关，而与电缆的长度、导体材料、所传播电波的频率等无关。对于同一耐压等级相同绝缘介质的电力电缆，导线截面积越大，其特性阻抗越小，反之亦然；对于同一绝缘介质，导体截面相同的电力电缆，耐压等级越高，其特性阻抗越大，反之亦然。通常电力电缆的特性阻抗在几欧到100欧之间。6）电缆中电波的反射电缆中电波的传播情况是由电缆线路阻抗决定的。两条特性阻抗不同的电缆连接时，连接点处将出现阻抗失配；当电缆线路中出现低阻或断线故
31、障时，故障点的等效阻抗与特性阻抗不相等，也将出现阻抗失配现象；当电缆中间接头结构较电缆本体改变较大或材料特性差异较大时，该电缆中间头部位的阻抗也就产生了较大的改变，形成阻抗失配。当电波到达这些阻抗失配点时，会产生部分或全部反射，即行波（所谓“行波”，它是入射波和反射波的总称）回送。在低阻故障（但故障电阻不为零）时，还会有电波透射现象，即有一部分电波越过故障点继续往前运动。为了表示行波中的入射波与反射波的关系，引入反射系数概念，用Pf表示。所谓反射系数，是指电缆某一点的反射电压波U（或反射电流波I）与入射电压波U+（或入射电流波I+）之比，即：Pf= U/ U+=I/ I+式中的负号是假设I+与
32、I的方向一致，但实际方向相反。那么电缆的特性阻抗也可表示为：Z0= U+/ I+= U/ I如果电缆中某一点的特性阻抗发生变化，其等效阻抗为ZD，那么这一点的电压及电流应为入射电压、入射电流与反射电压和反射电流之和，即：UD= U+ U；ID= I+ I同时也符合欧姆定律，即：ZD= UD / ID联合求解以上式可得：Pf =（ZDZ0）/（ZD+ Z0）通过分析上式，可得出以下几点： 若ZD= Z0，即电缆中不存在特异点，那么该点就不存在反射波。 若ZD=0，即该点短路，Pf =1，U+= U，称为短路全反射现象，电波传输到该点后全部返回电源端，不可能再越过短路点向终端传输。 若ZD=，即该
33、点电缆断线，Pf =+1，U+= U，称为开路全反射现象，同样，电波传输到开路点后将全部返回电源端，也不可能越过开路传输。 对电缆的终端点。若负载为电阻RL，当RL= Z0时，Pf=0，电缆上不存在反射，电波全被负载吸收，这种情况即为终端匹配情况；若RL= 0，Pf=1，电波在终端产生反极性全反射；若RL= ，类似于电缆断线情况，即终端开路无负载，Pf=+1，电波在开路终端产生同极性全反射。以上叙述说明了电缆故障点的等效阻抗在不同数值时，反射回波的幅值和极性变化的理论解释。2.2.2电缆故障按行波反射理论分类目前，电力电缆故障使用最多的粗测方法就是行波反射法，也叫脉冲反射法。按行波反射理论将电
34、缆故障分为以下几种类型故障。1）断线故障。2）低阻故障。3）高阻故障（相对于低阻故障，凡不能用所提供仪器的低压脉冲法测试的电缆绝缘损伤故障都叫做电缆的高阻故障）。2.2.3行波法在电力电缆故障测试方面的应用电缆故障按行波反射理论分为断线故障、低阻故障、高阻故障。除了使用传统的高压电桥法进行测量外，目前测寻故障的方法都是通过分析脉冲波在电缆线芯内传播的波形进行预定位。利用低压脉冲法粗测断线故障和低阻故障；对于高阻故障，可用高压闪络法（电流取样法、电压取样法、二次脉冲法）进行粗测。粗测电缆故障的一般方法故障性质断线故障接地故障低阻故障高阻故障粗测电缆故障方法低压脉冲法低压脉冲法高压闪络法（电流取样
35、法、电压取样法、二次脉冲法）二次脉冲法是近年来发展起来的一种专门为电缆的高阻故障，闪络性故障而设计的最先进、易行的测试方法。因此本文就低压脉冲法和二次脉冲法做个全面的分析。1）低压脉冲法低压脉冲法是通过观察发射脉冲和故障点反射之间的时间差T（s）来测取故障距离，如果假定脉冲电波在电缆中的传播速度为V（m/s），则电缆故障距离Lx（m）可由下式计算：Lx=VT/2低压脉冲反射法的优点是简单，不需要掌握电缆线路的原始资料，无需高压脉冲产生设备，整个测试过程均在低压下进行，更为安全、简便。低压脉冲法反射法适用于低阻短路或接地、断线（开路）性故障，并可测试电缆的全长和电波在电缆中的传播速度。由于电缆全
36、长及电波在电缆中传播速度的测试方法与开路性故障完全相同，就不作特别介绍。 短路性故障。测试仪器产生的发射脉冲（正极性），入射脉冲到达故障点后形成反极性反射脉冲到测试端。 开路性故障。测试仪器产生的发射脉冲（正极性），入射脉冲到达故障点后形成同极性反射脉冲到测试端。 电缆中间接头反射。电缆线路上常常存在着一个或多个中间接头。由于电缆接头处的绝缘材料及其几何结构等发生了变化，因此电缆接头处的特性阻抗就与电缆本体的特性阻抗不同，因此，脉冲波在电缆中间接头处也将产生反射现象。电缆接头处的反射系数一般为大于或等于零。因此电缆中间接头的反射波与入射波同极性，当采用适当的绝缘材料和电缆接头结构时，可以减小或
37、消除电缆中间接头的反射。另外，电缆T接处也将存在反射现象。T接处的等效阻抗必定较原来减小，从而使其反射系数为负值。可见，电缆T接处的反射脉冲与入射脉冲极性相反。低压脉冲法适用范围：（1）主要用于测试电力电缆的开路（包括断线）、相间或相对地泄漏性低阻故障（包括短路）；同轴线及两芯以上电线电缆的开路、低阻故障。（2）测试已知绝缘介质电缆的全长。（3）校准已知长度电缆的电波传输速度。（4）判断电缆开路故障和低阻故障属性。（5）测试电力电缆中部分中间接头的位置。2）二次脉冲法二次脉冲法的英文为Seconddary Impulse Method，简称SIM。其应用的原理与低压脉冲法一致。即分析低压脉冲波
38、在电缆波阻抗变化处产生反射的波形。对故障电缆释放一个低压脉冲，只要故障点的接地电阻大于电缆波阻抗5 Z0（Z0=3050），我们可以认为此时故障电缆相对于低压脉冲是开路，那么在脉冲释放端接收到的反射波形相当于一个线芯绝缘良好电缆的波形。对故障电缆释放一个足以使线芯绝缘故障点发生闪络的高压脉冲，同时触发释放第二个低压脉冲，在故障点的电弧未熄灭时，故障点相对于低压脉冲是完全短路，那么在脉冲释放端接收到的低压脉冲反射波形相当于一个线芯对地完全短路的波形。将前后两次接收到的低压脉冲反射波形进行叠加，两个波形将会有一个明显的发散点，这个发散点就是故障点的反射波形点。SIM巧妙地将低压脉冲法和高压脉冲闪络
39、技术结合在一起，使操作人员判断故障点的位置极其简单，从而把测寻故障点的成功概率大大提高了。尤其对有“T接”的电缆线路，由于在T接点电缆的波阻抗发生了改变，电压脉冲在T接点的折反射使一般的测试方法几乎无法进行波形判断，而SIM法的波形对比原理在根本上解决这个问题。图4二次脉冲原理接线图SSG冲击电压发生器；SA32耦合单元；IRG2000回波测量仪；OV过电压保护；TR低压脉冲自动触发装置附图4：我公司于2007年引进了奥地利保尔公司的电缆故障测试系统。这套系统除了能使用一般的方法进行故障测寻外，最突出的特点是配置了二次脉冲SIM测试设备。它的设计原理图见图4（附图4）：在整个装置中，IRG20
40、00（回波测量仪）能对整个工作的操作进行控制，SA32负责实现各种工作方式的转换，另外还能扩展冲击电流的冲击宽度，起到延长电弧燃烧时间的作用。TR负责低压脉冲的触发释放工作。3电力电缆故障的精确定点方法精确定点是电缆故障测寻工作的最后一步，也是十分重要的一步。定点的准确与否，直接影响到故障处理工作的效率，对于直埋电缆也决定着开挖土方量的大小。目前精确定位的方法包括冲击放电声测法、音频法及声磁传播时间测量法。3.1冲击放电声测法（含声磁同步法）冲击放电声测法目前在国内是最常用的定点方法，实践证明它是十分有效的。在故障测寻过程中，给故障电缆加上一个幅度足够高的冲击电压，故障点发生闪络放电的同时，还
41、会产生相当大的“啪、啪”放电声，这种声音可传至地表面，利用这种现象来定点可以准确地找出故障点。定位仪的原理是采用高灵敏度的声电转换器将地面微弱的地振波变电信号，然后用晶体管放大器将此电信号进行足够的放大，再用耳机还原成声音。用定点仪寻找故障点，一般是在预定位后，已确定大概的距离，并且已知电缆路径的基础上进行的。一方面在电缆上加冲击高压使其闪络放电，另一方面用定点仪的探头在概略估计的故障位置上沿电缆路径测听，在听到故障点放电声后还要沿电缆路径寻测最大发声处。只要找到最响点，挖开土层或掀开电缆盖板即是。但如果放电声音是从电缆穿管、排管中传出，则最响点在穿管、排管的端部，下图是接线原理图5（附图5）
42、：图5声测定点法原理TV调压器；T高压变压器；VD高压整流二级管；储能电容；Js放电球间隙；拾音器；Ix放电电流；Rx故障电阻；Jx等效故障间隙附图5：在实际测试中，往往由于环境噪声的干扰而增加辨别的困难。这就要求放电设备能产生周期稳定、功率强大放电脉冲，使定点的人能据此区别噪声脉冲干扰。但在实际定点中，定点的人远离放电设备，在有脉冲声源的干扰背景中往往需要知道自己听到的声波是否与放电周期同步。故障点放电时，除产生声波外，还会产生高频电磁波向地面幅射，这个电磁波在地面可用磁性天线接收到，将其转换成电压信号加以放大，再用一显示元件（发光二极管、电压表头等）表示出来。声磁同步法是声测法的改进方法，
43、就是利用电磁波和声波的接收能否同步来判断故障放电。如听到地振波的同时，又显示出故障点放电电磁波的存在，证明放电声波正在工作，只要地振波信号和电磁信号能同步起来，则说明听到的地振波是可信的，故障点就在附近。目前不少国内外厂家生产的定位仪都采用声磁同步法。3.2音频法当电缆发生相相短路、相地短路及三相地短路时，由于电缆故障点电阻值等于零，放电间隙被短路，采用冲击放电声测法是往往因故障点短路，在故障点听不到放电声，无法定点。此时使用音频法可收到预期的效果。音频法是基于电缆两芯里流动的电流产生的磁通的相位差和故障点前后磁通变化的规律性而发展起来的。这里以相相地短路故障为例说明其探测原理。图6音频定点法
44、原理1音量线圈；2接收线圈；3音频信号发生器4故障点；5电缆线芯附图6：测试原理图6（附图6）：用音频法确定电缆各种类型的短路故障时，必须具备音频信号发生器、匹配变压器、探测线圈、高灵敏度的音频接收机和耳机（或指示仪表）。在测试短路故障时，音频信号产生器输出的音频功率信号经匹配变压器馈入了电缆的两故障相。电流沿着一相芯线通过故障点，并且经过另一相芯回到信号源。沿线各点的电磁疚由于“去”和“来”的电流方向相反而趋向抵消，但是由于电缆在敷设时各芯线总不可避免地会绕轴心旋转，因此沿线任意两芯线相对地面来说有的地点可能并行于地面，有的地点可能是一上一下的。这样，沿线各点的电磁场合成量是不一样的。在地面
45、可以用平行于地面的探测线圈和接收机测到。探测到信号强度随两芯线的相对地面的位置而变化。当两芯线在水平位置时，两芯线的电场同向叠加，接收到信号最强，而当两芯线在垂直位置时电场反向相减速，接收到的信号最弱。而在相相地短路点，由于短路电流的磁通相同不能抵消，帮接收机收到的感应信号最大。最后测到的一个信号最大值处即为故障点。过了故障点后，由于电缆内公有杂散电流而无信号电流，所以接收到信号振幅不变。这种方法对于低于100的故障电阻，一般能成功定点。然而在现场应用音频法感应接收定点也不容易，因为合成电磁场的幅度、相角与故障电阻的大小有关，与故障点前后的电缆长度有关，也与所用的信号频率有关，而且电缆实际出现
46、两芯线间纯短路的机会很小。3.3声磁传播时间测量法前面介绍的两种方法都是依靠判别声波或电磁波信号的强弱是否最强来判断故障点，但在实际测量中，哪一点信号最强并不是很明显的，特别是有时电缆的外护套未完全击穿，声波在整条电缆的介质中漫发射，于是在很大的范围内接收到的信号强弱差别不大。遇到电缆故障在穿管中时，接收到声音信号最强的地方是管道端头，而非故障点。这里着重介绍声磁传播时间测量法。所谓声磁传播时间测量法，就是在冲击脉冲放电的同时，沿电缆敷设路径的路面，取某一测量点，根据声波在介质的传播速度及声波从故障点传到测量点的时间计算出该点距故障的距离。因为声波的传播时间无法单独测量，而电磁波的波速等于光速，电磁波的传播时间接近零，所以实际应用中用声波和电磁波的传播实际差代替声波的传播时间。接收仪器在接收到电磁波时启动计时，在接收到声波时停止计时，得到的时间即为声磁传播时间差，然后根据S=V声T声V声（T声T电磁），可计算出该点距故障点的距离。测量原理图：Af2BCf1LS在A点测得T1，在B点测得T2，L可用尺量出，有两种情况：第一种情况故障点在
