电缆故障定位
1、概述
作为电能传输的介质，电力电缆以其受环境影响小、可靠性高、占地少和美化城市等优点而得到了越来越广泛的应用。在电缆运行过程中，由于绝缘老化变质、过热、过电压、机械损伤、腐蚀、绝缘受潮等原因，会产生各种故障。电缆直埋于地下或电缆沟内，故障后很难直接看到故障点，为了快速地查找故障点的位置、缩短故障修复时间，必须使用专用的电缆故障查找仪器和正确的方法。
2、电缆故障类型判断
电力电缆故障的分类方法比较多，本文将电力电缆故障分为断线故障、低阻故障和高阻故障三种类型。断线故障即开路故障，指电缆各芯绝缘均良好，但有一芯或数芯导体不连续。低阻故障即低电阻接地或短路故障，指电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于10Zc( Zc 为电缆波阻抗，约为1050Ω) ，导体连续性良好高阻故障即高电阻接地或短路故障，指电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常值很多，但高于10Zc ，且导体连续性良好。另外，泄漏性故障和闪络性故障是高阻故障的两种极端形式，在此归结到高阻故障范畴。在进行电缆绝缘预防性耐压试验时，泄漏性故障的泄露电流随试验电压的升高而增大，直至超过泄露电流的允许值; 闪络性故障的泄露电流小而平稳，但当试验电压升至某一值时，泄露电流突然增大并迅速产生闪络击穿。据统计，电力电缆在运行中所发生的故障中，其中 75% 为高阻故障，60% 以上的故障电阻达到
兆欧级，预防性试验击穿的故障电阻不少于 90% 在兆欧级以上，一般常见的高阻故障有单相接地、两相短路或接地等。国内外对电力电缆的故障定位问题一直比较关注，并开发出一些故障定位方法。电力电缆故障定位主要有预定位 (也称为测距) 和精确定位 (也称为定点) 两个重要环节。
3、故障预定位
故障预定位是利用发射脉冲和故障点反射脉冲的时间差与故障点距离成正比的原理确定故障点的距离。由于脉冲波在电缆中传播的实际速度很难精确确定，因此只能粗略测出故障点的大致位置，但可以大大缩小精确定点时的查找范围。
电力电缆故障预定位总体上可以分为两大类: 阻抗法和行波法。阻抗法测量从首端到故障点之间的阻抗，然后利用特定的故障定位方程进行预定位。行波法测量波从首端到故障点往返一次的时间，用这个时间乘以波传播的速度就得到两倍的故障距离。
（1） 阻抗法
阻抗法包括电桥法和分布参数计算高阻故障法。
电桥法用四臂电桥测出电缆芯线的直流电阻或交流电容，再准确测量电缆实际长度，按照电缆长度与电阻或电容的正比例关系，计算出故障点。包括电阻电桥法、电容电桥法和高压电桥法，分别测试低阻故障、断线故障和高阻故障 ( 高阻故障需烧穿) 。
分布参数计算高阻故障法以分布参数线路理论为基础，推导出故障测距方程，其原理简述为:对带有高阻故障的电缆施加正弦高压信
号，使高阻故障点闪络，此时故障点的高阻故障就变为电弧电阻。因电弧呈现电阻性，流过故障点的电流和故障点两端的电压同相位，采集线路首端的电压与电流后，基于分布参数线路理论就可以求出沿线路各点的电压与电流，从而定位故障点。
（2）行波法
行波法包括驻波法和现代法。驻波法是将电力电缆作为高频传输线，利用传输线上的驻波谐振现象对电缆的断线故障和相间或相对地电阻值较低的一类故障进行测量，目前已很少使用。现代法(也称脉冲反射法) 包括低压脉冲反射法(也称为雷达法) 、高压脉冲电流法(包括直闪法和冲闪法) 、高压脉冲电压法(包括直闪法和冲闪法) 和二次脉冲法。低压脉冲反射法适用于低阻故障和断线故障，并可测试电缆的全长和行波在电缆中的传播速度。高压脉冲电流法、高压脉冲电压法和二次脉冲法适用于高阻故障。
低压脉冲反射法向故障电缆注入一个低压脉冲使其在电缆中传播，记录发射脉冲和故障点反射脉冲之间的时间差Δt ，已知脉冲在电缆中的波速度为v ，则测量端到故障点的距离L x
L x =v t
2
高压脉冲电压法(也称为闪测法) 由直流高压或脉冲高压信号击穿电缆故障点，利用放电电压脉冲在测量端与故障点之间往返一次的时间来测距。
高压脉冲电流法采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号，将电缆故障点用高电压击穿，使用仪器采集并记录击穿故障点所
产生的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一次所需要的时间来计算故障距离。
4、精确定点
在测量出电缆的故障距离和路径后，就可以根据路径和距离找到故障点的大概方位，但由于波速的原因，该方位和实际故障点的位置还存在一定的偏差，因此必须进行最后一步:精确定点。最常见的精确定点方法是声磁同步法和音频感应法。
（1）声磁同步法
向故障相电缆中加高压脉冲信号，故障点击穿后冲击放电时会产生声音信号，同时放电电流会在电缆周围产生脉冲磁场信号，传感器感应到声音和磁场信号并记录下来。由于磁场信号的传播速度接近光速(30万千米/小时) ，远大于声音信号，因此其从故障点传播到传感器所用的时间可忽略不计。这样，同时产生的声音信号和磁场信号传到传感器的时间差近似等于声音信号从故障点传到传感器的时间，该时间乘以声音的传播速度即为故障点到传感器的距离。由于地下填埋物不同以及埋设的松软程度不同等原因，声音在地下传播的速度也不同且很难确定，根据声磁时间差无法确定故障点与传感器的距离。实际测试时，传感器检测到的最小声磁时间差的点，就是距离故障点最近的点，即故障点在传感器的正下方。
（2）音频感应法
当故障点接地电阻小于10欧姆或为金属性短路时，冲击放电声音很微弱，用音频感应法很难捕捉到声音信号，这种情况可以使用音
频感应法。同用音频感应法探测电缆路径的原理一样，向故障电缆加入特定频率的音频信号，在电缆周围会产生同频率的磁场信号，感应线圈感应该信号并转换为声音信号。由于故障点处电阻较小，音频信号在该处形成回路，因此音频信号在故障点形成的磁场强度最大。在故障点前沿着电缆路径移动时会听到有规律的、强度相等的音频信号，而在故障点上方声音会突然增强数倍，故障点之后声音又会明显变弱，据此可以找出故障点。
5、故障测试设备
（1） 便携式综合测试仪
目前这种设备的组成形式大概有两类: 一类是采用低压脉冲反射法、高压脉冲电流法及二次脉冲法三种方法测试故障距离，采用声磁同步法探测故障点位置的仪器; 一类是采用低压脉冲反射法和高压脉冲电压法两种方法测试故障点的距离，采用声测法探测故障点位置的仪器。定点时主要通过耳机监听故障的放电声音来判断故障点的位置，测试精度相对要差。
（2）低档的测试设备
用电桥法测距或者根本不测距，直接用声测法或跨步电压法对故障电缆进行故障定点。这种设备主要用来测试直埋电缆的开放性故障，价格较便宜，其故障测试技术有一定的局限性，只能解决一部分故障测试。
（3）电缆测试车
这是一种综合性比较强的组合设备，它采用低压脉冲反射法、高
压脉冲电流法及二次脉冲法或多次脉冲法等几种方法测试故障距离，采用声磁同步法和跨步电压法探测故障点的位置，并配以路径仪和电缆识别仪，另加发电机，有的还带有0. 1 Hz超低频交流耐压等设备。由于车上配备的高压发生器和电容的容量比较大，更易于电缆故障的击穿，同时放电声音也较大，有利于故障定点; 缺点是价格比较昂贵，并且测试车易受到道路环境的限制，操作较为复杂。