劉寒遙 黃賀 胡浩 楊廷方

（1.湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410014；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410076）

0 引言

電力電纜同架空線路一樣，主要用于分配電能。另外，有的電力電纜也可作為電氣設(shè)備、線路間的連接線。電纜在工業(yè)用電、建筑用電等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但當(dāng)其發(fā)生短路接地時(shí)，尋找故障點(diǎn)是一件令人頭疼的事情。為了縮短停電時(shí)間，防止短路電流燒壞電氣設(shè)備，必須盡快找到電纜故障點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。通常電力電纜要么是通過(guò)電纜溝或電纜橋架沿溝或橋鋪設(shè)，要么是埋設(shè)于地下，一旦發(fā)生短路接地，不便于直接觀察發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，而沿溝找故障點(diǎn)也是一件極其麻煩的事情。電纜的故障測(cè)距就是通過(guò)對(duì)電纜的電氣參數(shù)如電壓、電流、電阻等進(jìn)行測(cè)量，然后計(jì)算出電纜故障點(diǎn)的位置。對(duì)于日益增多的電纜故障，實(shí)現(xiàn)電纜故障距離的精準(zhǔn)定位越來(lái)越迫切和重要。常見(jiàn)的電纜測(cè)距方法有平衡電橋法、閃絡(luò)法、脈沖法等，由于儀表的測(cè)量精度及電纜敷設(shè)路徑測(cè)量的誤差影響，以上各種測(cè)量方法往往在測(cè)距上都存在一定的誤差。

本文基于單臂電橋，采用正反接線平均法測(cè)量電纜故障的距離，比用單臂電橋直接測(cè)量提高了測(cè)距精度，獲得了更準(zhǔn)確的電纜故障距離測(cè)量結(jié)果。

1 電力電纜的優(yōu)點(diǎn)

（1）占用空間小。尤其是地下敷設(shè)的電纜，不占用地上空間，不影響市容。

（2）供電可靠性高。尤其是直埋電纜及溝、隧道敷設(shè)電纜，其由于近似封閉的運(yùn)行環(huán)境，不用遭受日曬雨淋、風(fēng)吹雨打，也很少受雷電、鳥害、掛冰、人為故障等外界因素的影響，故持續(xù)供電性好，供電可靠性高。

（3）可防止人身觸電，安全性高。電纜線路敷設(shè)于地下或橋架以及溝道內(nèi)，無(wú)論發(fā)生何種故障，電纜很好地進(jìn)行了接地和屏蔽，最多會(huì)造成電纜線路跳閘，很少會(huì)發(fā)生漏電，導(dǎo)致人畜觸電。

（4）分布電容較大，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷端的無(wú)功就地補(bǔ)償。電纜的導(dǎo)電芯與大地之間是絕緣材料，此結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)電容器，而電容能產(chǎn)生無(wú)功輸出，有利于提高線路的無(wú)功以及功率因數(shù)。

（5）運(yùn)維工作量小。電纜的導(dǎo)電芯外面是絕緣材料，其埋在地下，運(yùn)行環(huán)境受外界影響小，除非遇到特殊情況，一般很難會(huì)發(fā)生故障。

2 電力電纜的問(wèn)題和缺點(diǎn)

（1）投資成本高，輸送容量不高。對(duì)于同樣的導(dǎo)線截面積，電纜的輸送容量要比架空線路小。對(duì)于相同的輸送容量，電纜的綜合投資費(fèi)用為架空線路的幾倍。

（2）分支箱或T型接頭多，一旦發(fā)生故障，可能會(huì)擴(kuò)大事故范圍甚至發(fā)生全停。

（3）電力電纜多在地下或溝道內(nèi)，尋找故障點(diǎn)比較麻煩。

（4）要制作電纜頭，成本費(fèi)用高，對(duì)工藝要求也比較高。

3 電力電纜基本結(jié)構(gòu)

電力電纜的主要結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電芯線，外包絕緣層，有的還包有金屬鎧裝，并加以接地。三相輸電導(dǎo)體相互間都必須有絕緣材料，并要保證絕緣材料的絕緣性良好。電力電纜的絕緣層材料應(yīng)具備下列主要性能：（1）高擊穿強(qiáng)度；（2）低介質(zhì)損耗；（3）相當(dāng)高的絕緣電阻；（4）優(yōu)良的耐放電性能；（5）一定的柔性和機(jī)械強(qiáng)度；（6）絕緣性能長(zhǎng)期穩(wěn)定。為了保護(hù)好絕緣層，避免石頭等堅(jiān)硬物破壞以及防止挖機(jī)挖破，絕緣層外面往往還有保護(hù)層。

4 三相電纜單相接地電橋法測(cè)量故障距離原理

三相電纜單相接地電橋法測(cè)量故障距離原理如圖1所示，接地電阻為R。

本次采用的是單臂電橋。測(cè)量前，在電纜的末端用與電纜同型號(hào)的跨接線將故障相與非故障相短接，如圖1所示。再在電纜首端將非故障相電纜與故障相電纜分別與單臂電橋的x端和x端連接，作為電橋的另外兩個(gè)臂。設(shè)電纜的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，故障距離為L(zhǎng)。當(dāng)合上電源開(kāi)關(guān)S后，調(diào)節(jié)電阻r，當(dāng)檢流計(jì)指示平衡時(shí)，根據(jù)平衡電橋原理，則有：

由式（1）可得：

式（2）即電纜故障距離測(cè)量公式。

如圖1所示的電橋x端連接良好相，而x端連接故障相的接線稱為正接法。反之，如將x端接良好相，x接故障相，則稱為反接法。同理可得，反接法計(jì)算公式為：

一般情況下，測(cè)量時(shí)用正、反接法進(jìn)行兩次測(cè)量，取其平均值為電纜故障點(diǎn)的距離，這樣可減少測(cè)量誤差，該種方法也叫正反接線平均法。

5 三相電纜兩相短路電橋法測(cè)量故障距離原理

三相電纜兩相短路電橋法測(cè)量故障距離原理如圖2所示，設(shè)BC兩相短路。

測(cè)量三相電力電纜中兩相短路故障距離與測(cè)量單相接地故障距離基本相似。如圖2所示，采用的是單臂電橋。測(cè)量前，任選一條故障相電纜。在電纜的末端用與電纜同型號(hào)的跨接線將故障相與非故障相短接，再在電纜首端將非故障相電纜與故障相電纜分別與單臂電橋的x端和x端連接，而另一條故障電纜與電源的負(fù)極相連再接地。設(shè)電纜的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，故障距離為L(zhǎng)。當(dāng)合上電源開(kāi)關(guān)S后，調(diào)節(jié)電阻r，當(dāng)檢流計(jì)指示平衡時(shí)，根據(jù)平衡電橋原理，則同樣可得式（1），因此對(duì)應(yīng)電纜的故障距離也是式（2）。同樣也可以用正、反接法進(jìn)行兩次測(cè)量，取其平均值為電纜故障點(diǎn)的距離。另外一條電纜的故障距離也是同樣的算法。

6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

某市區(qū)有一條電壓為10 kV的三相銅芯油紙絕緣電纜，全長(zhǎng)為1 200 m，在運(yùn)行中發(fā)生故障，電纜截面為3×120 mm。用兆歐表測(cè)量電纜各相的絕緣電阻，測(cè)量結(jié)果如表1所示。后用本文提出的方法，準(zhǔn)確計(jì)算出了故障點(diǎn)的距離。

本次電纜故障點(diǎn)的距離計(jì)算步驟如下：

（1）根據(jù)表1發(fā)現(xiàn)C相對(duì)地的絕緣電阻要比其他相低一個(gè)數(shù)量級(jí)，可判斷C相單相接地。

（3）用電橋法測(cè)故障點(diǎn)時(shí)，電橋兩臂的讀數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2的測(cè)量結(jié)果，由式（2）計(jì)算出正接法時(shí)，

由式（3）計(jì)算出反接法時(shí)，

則求正反接線平均法的值：

（4）為了準(zhǔn)確反映預(yù)測(cè)精度，本文采用相對(duì)誤差（Maximum Percent Error，MPE）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)比較幾種方法故障距離測(cè)量的準(zhǔn)確度。MPE表達(dá)式為：

MPE值越小，表明測(cè)量效果越好。

后實(shí)地檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，故障點(diǎn)的距離為748.6 m，由此可算出正接法、反接法以及正反接線平均法測(cè)量故障點(diǎn)距離的相對(duì)誤差。由式（4）計(jì)算得到正、反接法以及正反接線平均法這三種測(cè)量方法的相對(duì)誤差，如表3所示。

由表3可知，正接法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差為3.4%，反接法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差為2.8%；而正反接線平均法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差為0.3%，遠(yuǎn)低于前兩者，是正接法相對(duì)誤差的約1/11，是反接法相對(duì)誤差的約1/9。因此，用正反接線平均法測(cè)量故障距離更加準(zhǔn)確。

7 電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電纜絕緣電阻及正反接線電阻進(jìn)行采集和分析，對(duì)整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的電纜故障診斷及故障距離的測(cè)量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

如圖3所示，電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)共分為三個(gè)部分：

（1）第一部分為現(xiàn)場(chǎng)層，也是核心層。該層主要負(fù)責(zé)采集各電纜的絕緣電阻和正反接線電阻r、r，用以判斷是否有電纜故障以及電纜的故障距離。該部分采用多回路絕緣監(jiān)測(cè)單元PMC-512-J進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量和其他電阻測(cè)量，所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)iSmartGate智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，向遠(yuǎn)方云端傳輸。

（2）第二部分為網(wǎng)絡(luò)層，主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。該部分網(wǎng)絡(luò)空間有云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)。

（3）第三部分為應(yīng)用層，該部分主要為電腦終端和用戶服務(wù)。用戶可使用PC電腦、筆記本電腦以及其他移動(dòng)終端如智能手機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)云端數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，了解故障電纜以及故障距離，再進(jìn)行消缺處理。

8 電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

根據(jù)電橋正反接線平均法測(cè)量電纜故障距離的原理，結(jié)合電纜故障判斷和故障距離測(cè)量工作的實(shí)際需要，對(duì)電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

9 多回路絕緣監(jiān)測(cè)單元PMC-512-J

多回路絕緣監(jiān)測(cè)單元PMC-512-J是針對(duì)數(shù)據(jù)中心、光伏發(fā)電等高壓直流配電系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)的一款高性價(jià)比的電力監(jiān)控儀表，支持RS-485通信，具有高通信速率；能測(cè)量21路絕緣電阻，存儲(chǔ)多達(dá)5 000條定時(shí)記錄；具有多路輸入/輸出口；其以工業(yè)級(jí)微處理器為核心，處理速度快，支持多回路測(cè)量，具有很高的性價(jià)比。

10 iSmartGate智能網(wǎng)關(guān)

（1）隨著電子通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)等技術(shù)迅速發(fā)展，越來(lái)越多工業(yè)、建筑、電力、交通等大型能源用戶希望借助科學(xué)的管理手段，對(duì)能源進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)、集中監(jiān)管，構(gòu)建能源物聯(lián)網(wǎng)。

（2）釋放數(shù)據(jù)潛力，能耗采集先行，iSmartGate智能網(wǎng)關(guān)作為能耗采集終端與監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)橋梁，提供連接末端設(shè)備和云平臺(tái)的能力。

（3）具有邊緣計(jì)算的特點(diǎn)，能就近提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算及邏輯編程控制功能，分擔(dān)主站服務(wù)器數(shù)據(jù)處理壓力。

（4）具有鏈路安全保障和MD5身份認(rèn)證機(jī)制，支持AES、DES等加密算法，TLS安全協(xié)議。

（5）支持快速設(shè)備接入，有多種通信方式，可快速接入多種末端感知設(shè)備。

（6）具有遠(yuǎn)程配置維護(hù)，支持遠(yuǎn)程配置調(diào)試，維護(hù)高效。

（7）具有輕量化主站，能以Web方式查看告警信息、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)曲線、事件記錄等，可構(gòu)建輕量化小型監(jiān)控系統(tǒng)。

11 結(jié)語(yǔ)

隨著電纜在電力行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，電纜故障距離的準(zhǔn)確測(cè)量越來(lái)越重要。本文針對(duì)電纜故障距離測(cè)量，首先介紹了三相電纜單相接地電橋法測(cè)量故障距離原理，然后介紹了三相電纜兩相短路電橋法測(cè)量故障距離原理，在此基礎(chǔ)上提出了正反接線平均法。分別用文中提出的正、反接法以及正反接線平均法這三種測(cè)量方法對(duì)某市區(qū)一條電壓為10 kV、發(fā)生單相接地故障的三相銅芯油紙絕緣電纜進(jìn)行故障距離測(cè)量，正、反接法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差分別為3.4%、2.8%，而正反接線平均法測(cè)量故障距離的相對(duì)誤差為0.3%，遠(yuǎn)低于前兩者，這也證明了正反接線平均法的有效性和可靠性。最后，構(gòu)建了電力電纜故障遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)的電纜故障遠(yuǎn)程判斷和距離測(cè)量，大大提高了電纜故障處理的效率。