交流高压闪络法：电缆故障行波测距的新方法

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摘要

中国石化大连石油化工研究院、山东科汇电力自动化股份有限公司、中国石化广州分公司的研究人员时振堂、孙进、颜廷纯、黎德初，在2019年第4期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“交联聚乙烯电缆故障行波测距新方法研究”），为解决传统行波测距方法中，直流分量对交联聚乙烯（XLPE）电缆的损害以及故障检测成功率不高的问题，通过分析冲闪法和直闪法测距技术存在的问题，发现了行波测距检测的是电力电缆故障点放电产生的脉冲行波信号，而非注入的高压脉冲信号，得出了脉冲和直流高压的击穿能力依赖于储能电容的容量，输出电流不能有效保证故障点低阻状态等重要结论。

作者提出了“交流高压闪络法”作为XLPE电缆测量方法，即采用高压交流电源击穿电缆故障点，能够提供持续的大电流，保证故障点持续放电。通过仿真分析和工业实验，证明了本方法的有效性，提高了测距的准确性和可靠性。

电力电缆故障行波测距是基于行波传输的成熟技术，其定位准确且速度较快，得到了广泛的应用，并在架空线路保护方面得到了延伸应用。由于故障切除时间和电缆结构的差异，高压电力电缆的故障与低压电力电缆和通信电缆的故障性质不同，往往呈现出闪络和高阻故障，闪络性故障一般要施加一定电压才会出现故障放电现象，而高阻性故障则相当于闪络性故障附加一个对地电阻。

一般认为，高阻故障的故障电阻超过10Z0（Z0为电缆的波阻抗，一般不超过40 ），工程实践中通常认为大于300 的电缆故障，反射波信号难以识别。高电压施加到故障电缆后，故障点放电击穿，故障点阻抗降低，形成故障点行波信号反射。

受传统低压脉冲法和油浸纸绝缘电缆试验方法的影响，将直流高压闪络法（简称直闪法）和高压脉冲闪络法（简称冲闪法）分别应用到高压电缆的闪络性故障和高阻故障测距中，并开发相应的成套试验装置，其基本原理都是通过直流高压发生器给储能电容充电，储能电容直接（直闪法）或者通过开关（冲闪法）向故障点放电。根据行波信号采集方式的不同，又分为行波电流法和行波电压法。

为了提高单端测距的精度，研究人员先后提出了双端测距法和二次脉冲法。双端测距依赖于时间精度的提高，即GPS定时精度可达1 s，利用行波信号到达两端的时间差计算故障点位置，后被广泛应用于输电线路的在线测距。二次脉冲法通过击穿后附加发射一个低压脉冲，希望克服高压脉冲的陡度偏低问题。

交联聚乙烯（cross-linked polyethylene, XLPE）电力电缆以其自身的诸多优点在电网中的使用量越来越大，由于电缆绝缘材料的改变，普遍认为直流高压测试对XLPE电缆存在直流电荷累积效应，带来较大的交联聚乙烯电缆绝缘损伤，相关标准和学者都推荐交联电缆进行交流耐压试验。

但是，XLPE电缆故障测距的研究集中在模型方面，文献[4]针对单芯交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆的频变模型提出了等效的集总参数电路模型。其他的研究诸如应用小波理论，以及变分模态分解和Teager能量算子相结合的方法等。

传统的直闪法和冲闪法存在较大的直流分量，严重影响XLPE电缆的使用寿命。项目组为了解决传统电缆行波测距技术的直流电荷累积效应问题，提出了采用交流高压电源击穿电缆故障点的“交流高压闪络法”。

图1  直闪法/冲闪法原理图

图9  基本实现原理

图13  测试现场图

图15  测试现场图

结论

通过理论分析和计算机仿真，论证了传统电力电缆故障行波测距技术存在的理论误区，提出了交流高压闪络法故障测距技术，有效解决了空间电荷累积效应对电缆造成的破坏，保证了电缆修复后的使用寿命，避免了直流高压电容储能对试验人员的安全威胁，具有良好的安全性。

在工程实践中，交流高压闪络法能够实现电力电缆的预防性试验和故障测距同步进行，也为220kV以上高压电缆的故障行波测距提供了理论基础。