电缆探伤仪电力电缆故障测试中的应用

电力传输是电力供应系统的重要环节，而近几年来，由于基础建设的加快和安全供电的需要，地埋电力电缆越来越多地在广大城乡和工矿企业电力设施中得到广泛应用。但由于电缆埋入地下，且线路较长，所以当电缆发生故障而影响正常供电时会给故障点的查找带来一定的困难。若无测试设备，单靠人工查找电缆故障点，则不仅浪费人力、物力，而且会造成难以估量的停电损失。因而，电力电缆的故障测试成为多年来困扰供电部门正常供电的重要问题之一。近几年，电力电缆故障的测试技术有了较大发展，出现了故障测距的脉冲电流法，路径探测的脉冲磁场法及利用声音与磁场信号差进行故障定点的声磁同步法。本文采用电桥法，就电缆探伤仪的测试原理，并结合实例进行分析。  
电力电缆的性质、发生故障的原因及故障分类  
(1)电力电缆的性质。电缆绝缘芯线之间、绝缘芯线与护套或屏蔽层之间都是相互绝缘的。  
(2)电力电缆发生故障的原因。 ① 机械损伤，电缆直接受外力损伤，如振动、热涨冷缩等引起铅护套损坏等； ② 绝缘受潮，因终端头或连接盒施工不当使水分侵入； ③ 绝缘老化； ④ 护层腐蚀； ⑤ 过压、雷击或其他过压使电缆击穿； ⑥ 过热，过载或散热不良，使电缆绝缘击穿； ⑦ 材料本身缺陷。  
(3) 电力电缆故障分类 ( 根据故障电阻与击穿间隙情况分 ) 。 ① 开路故障； ② 高阻故障； ③ 低阻故障； ④ 闪络故障。  
2 QFl—A 电缆探伤仪的测试原理  
2．1电桥法的基本原理  
当电桥接通电源之后，调节桥臂电阻．使 b 、 d2 个顶点的电位相等，即检流计 (G) 两端的电压为 0 ，则通过检流计 (G) 的电流 I g = 0 ，这时电桥平衡。由图 1 可以得到如下关系：  
U ad = U ab , 即 I a R 1 = I b R 3 , （ 1 ）  
U bc = U dc , 即 I c R 2 = I d R 4 , （ 2 ）  
由于 I g = 0 ，根据基尔霍夫定律，可得 I a = I c , I b = I d , 代入式 (1) 、 (2) ，并将两式相除，可得：  
R 1 /R 2 = R 3 /R 4 ，即 R 1 ?R 4 = R 2 ?R 3  
因此，在由 4 个电阻组成的桥式电路处于平衡状态时，相对两个电阻的乘积相等，若其中任何 3 个电阻为已知值，则可求得第 4 个电阻值。  
2．2电缆芯线对地(或相间)电容的测量（测量范围见表1）  
表 1 QF1-A 电缆探伤仪可测量电容范围 
范 围 最小分辨率（ % ） 测量误差 备 注  
0 ～ 1000pF 3 10%±10 pF （ 1 ）需扣除零电容（寄于桥路测量原理结构，对象所造成零电容较大）；  
（ 2 ）桥体两端开路时，零电容小于 250 pF 。  
0 ～ 10000pF 0.5 1.5%  
0 ～ 0.1F 0.5 1.5%  
0 ～ 1F 0.5 1.5%  
0 ～ 10F 3 10%  
接上 220V 电源，插入耳机，开启电源即可听到 1000Hz 的音频信号，反复调节 R k 、 R H1 ，直至耳机中无声音为止，此时电桥平衡，则有：  
C X 为 = C X ·(R k / R b )  
2. 3 电缆芯线开路故障点测量（测量误差见表 2 ）  
表 2 开路故障时，不同电缆芯线对地（或相间）电容及 QF1-A 电缆探伤仪对测量结果产生的误差  
电缆芯线对地（或相间）电容 测量误差 备 注  
1000 ～ 10000pF 2%±1 
(1)断线处不可对地短路；  
(2)电缆为同种规格。  
10000 pF ～ 0.1F 2%±1  
0.1 ～ 1F 2%±1  
1 ～ 10F 2%±1  
同种规格电缆芯线对地电容与长度成正比， QFl-A 电缆探伤仪采用交流差动电桥法测量两相电缆对地电容比值，从而确定故障点。  
R k 是由 1 个十进制电阻盘和 1 个滑线电阻器组成的可变电阻； A 是故障电缆开路相的一端； B 是故障电缆完好相的一端。  
当电桥平衡时， R k ∶ （ 1―R k ） = C x / (C L + C y ) = L x ∶(2L―L x ), 所以 L x = R k ·2L 已知 。  
2.4 电缆芯线接地故障点测量（测量误差见表 3 ）  
表 3 QF1-A 电缆探伤仪对电缆芯线地租故障时的测量误差及范围 
电缆芯线回路电阻 故障芯线对地故障 R E （可测范围） / kΩ 测量误差 /m 备 注  
1Ω ～ 10 kΩ ≤100 1%±1 （ 1 ） R E 为 600V 情况下测量；  
（ 2 ）电缆为同种规格。  
0.1 ～ 1Ω ≤10 1%±1  
同种规格的电缆芯线的电阻与长度成正比 ( 电缆电阻值见表 4) ，利用电桥法原理测出故障点两边电缆芯线电阻之比，也就测出了长度之比，从而确定故障点。  
表 4 聚氯乙烯绝缘电缆（ PVC 塑力缆）的参考电阻值 
截面 /mm 2  
分类 3×25  
+1×10 3×35  
+1×10 3×50  
+1×16 3×70  
+1×35 3×95  
+1×35 3×120  
+1×35 3×150  
+1×50 3×185  
+1×50  
铜芯 20℃ 电阻（ Ω/km ） 0.74 0.53 0.37 0.25 0.19 0.15 0.12 0.1  
允许载流量（ A ） 94 119 149 184 226 260 301 345  
铝芯 20℃ 电阻（ Ω/km ） 1.24 0.89 0.62 0.44 0.33 0.29 0.21 0.17  
允许载流量（ A ） 73 92 115 141 174 201 231 266  
当电桥平衡时， R k ∶ （ 1―R k ） = L x ∶(2L―L x ), 所以， L x = R k ·2L 已知，即为故障点距离。  
3 实践3例  
现就近两年的电缆故障定位举 3 个实例。  
(1)2004 年 5 月，某单位 l# 变电所至电石厂循环水的低压电力电缆发生故障，该电缆为 PVC 塑力铜芯缆 (3 x 150+1×50) ，全长约 180m ，我们用 500V 低压兆欧表对电缆三相进行绝缘电阻测试： A 相对地为 30MΩ ， B 相对地为 0 ， C 相对地为 40MΩ ，零线对地为 0 ；再用万用表对 B 相、零线进行测量， B 相与地之间电阻 500Ω ，零线与地之间电阻 20Ω 。初步判断： B 相为低阻接地，且零线已完全接地， A 、 C 相完好。我们当即用 QFl-A 型电缆探伤仪在电源端 (1# 变电所 ) 测试该故障电缆，测试结果为： R k = 0.444 ，又知 L 已知 =180m ， 由公式 L x = R k ·2L 已知 得：电源端离故障点的距离 L x = 0.444×2×180=159.84m 。  
因此，可断定故障点距离 1# 变电所 159.84m ，此故障点正是一间维修房室内的墙脚边，破开水泥地板后证实：电缆 B 相和零线的绝缘层已被白蚁咬伤，电缆芯线因受潮引起短路烧坏绝缘，锯掉故障电缆，进行绝缘电阻测试，电缆绝缘全部合格 (B 相对地绝缘 50MΩ) 。最后实测得知：电源端离故障点的实际距离为 160.5m ，误差仅为 +0.66m 。  
(2)2004 年 8 月，某单位生活区商住楼 ( 电源侧 ) 至市场 ( 负荷侧 ) 的一根 PVC 塑力铜芯缆 (3×35+1×10) 发生故障，电缆全长约 268m 。测量电缆的绝缘电阻： A 相对地 15MΩ ， B 相对地 10MΩ ， C 相对地 0 ，零线对地 10MΩ ；进一步用万用表测量： C 相与地之间的电阻值为 200Ω ，据此可推测 C 相对地短路。  
我们在负荷侧测试，探伤仪的读数为： R k = 0.003 ，又知 L 已知 = 268m ，由公式 L x = R k ·2L 已知得：负荷侧离故障点的距离 L x = 0.003×2×268 = 1.608m 。因此，可确定该电缆的故障点在距负荷侧 1.608m 处，故障原因：老鼠长期在电缆头附近做窝，咬伤电缆绝缘后，其尿液导致电缆发生短路故障。  
(3)2004 年 8 月 26 日，某水泥厂二变至液化气站电源电缆 (PVC 塑力铜芯缆 3×35+1×10 ，全长约 300m) 发生故障，致使液化气站全部停电，经测量，该故障电缆的绝缘电阻为：零线对地 30MΩ ， A 相对对地 0 ， B 相对地 15MΩ ， C 相对地 1.5MΩ ； B 相对 A 相 155MΩ ， B 相对 C 相 15MΩ 。液化气站负荷虽小．但不能长时间停电，因此，经研究决定，将零线作为 A 相暂时使用， B 、 C 相不变，将已接地的原 A 相 ( 黄色 ) 作为零线 ( 该公司生产区的低压系统是保护接零的 ) 使用，供电运行一天后， A 、 C 相发生开路故障，其绝缘电阻为 15MΩ 。因此，我们采用交流差动电桥法测量 C 相和 B 相对地电容比值，测试方法如图 3 ，在水泥厂二变端，探伤仪的测量值为 R k =0.273 ，又知 L 已知 =300m ，由公式 L x = R k ·2L 已知 ，可得 L x = 0.273×2×300=163.8m ，据此推算，电缆的故障点正是在一条马路边，挖出故障点，发现电缆过马路时末穿管，被外力 ( 车辆 ) 压伤。  
4 结束语  
(1) 在电力电缆的绝缘故障测试中，不仅要有先进可靠的仪器设备和正确的测试方法，更重要的是经验积累和掌握科学的理论知识。  
(2) 在探测故障电缆前，如能提供故障电缆的基础资料 ( 长度，路径、中间接头等 ) ，特别是电缆长度 (L 已知越接近真实，测量结果越准确 ) ，则可提高探测故障的及时性、准确性、减少工作强度。  
(3) 当电缆为高阻接地时，可先对电缆故障芯线施加高压 ( 一般在额定试验电压范围内 ) ，使其故障扩大、对地击穿成为低阻接地，便于测试。  
(4) 电桥法的缺陷是：不能测试闪络性故障的电缆，这种情况应采用冲击高压闪络法进行测试。