高速铁路10kV全电缆电力贯通线故障诊断与探测

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摘 要：根据高速铁路设计规范，我国高速铁路贯通线采用10kV非磁铠装单芯铜芯电缆。文章讨论了当高铁电力贯通线路发生故障时，如何对这些故障进行原因分析、判断，进而及时切出故障区段。同时总结了电缆故障的查找流程，根据不同故障性质，使用相应设备对电缆故障点进行精确定位，进而有效地处理故障，确保高速铁路电力安全运行。
关键词：电力贯通线；电力电缆；故障诊断；故障探测
1 概述
随着我国高速铁路的飞速发展，以电力电缆构成的铁路贯通线路被广泛采用。对高速铁路通信、信号系统而言，贯通线路是它的核心供电线路，对高速铁路正常运行起到至关重要的作用。因此如何保障铁路贯通线路稳定可靠运行及出现故障后能够对故障点迅速、准确定位及时排除故障具有迫切的现实意义。但在高铁电力电缆故障探测过程中，由于实际电缆故障环境状况复杂多变，影响环境变化和故障定位精度的因素很多，造成电缆故障信息获取困难，故障呈现多样性，最终导致故障定位精度不高。因此研究如何对故障信息进行分析、处理以及如何提高故障定位的精度具有重要意义。近年来，电力电缆故障的测试技术有了很大的发展，如出现了故障测距的脉冲电流法、路径探测的脉冲磁场法以及利用磁场与声音信号时间差寻找故障点位置的方法等。计算机技术的应用，更使得电缆故障探测技术迈入智能化阶段。
2 贯通线电缆产生故障的主要原因
根据高速铁路电力设计规范电缆线路设计要求，在开通及建设中的高速铁路电力贯通线路均采用非磁铠装单芯铜芯电缆，绝缘采用交联聚乙烯，不同的厂家只是在屏蔽层、铠装层和外护套有所区别。宁安高铁从2015年8月26日启动联调联试，与2015年12月6日正式通车，根据宁安高铁贯通线路现有的数据分析，高铁电力贯通线产生故障的主要原因有如下几点：
3 电力贯通线故障的判断和故障区段的切出
区间贯通电力电缆故障通常直接由电力调度根据后台上传的故障信息来进行判断，然后切出故障区段，主要是通过箱变的电流变化来判断故障区段。以图1为例：
（1）当后台显示的情况如下：XB1和XB2箱变综合贯通侧产生过电流，XB3和XB4箱变综合贯通侧电流正常。据此我们可以判断XB1和XB2为电源侧，XB3和XB4为负荷侧，故障点发生在XB2和XB3之间。此时把XB2的22开关和XB3的21开关断开，将故障点隔离，同时将XB3和XB4箱变投入到另一侧电源上运行。
（2）当后台显示的情况如下：XB1和XB2箱变综合贯通侧产生过流，XB3的21开关产生过流，XB3的22开关和XB4箱变综合贯通侧电流正常。据此可以判断故障点发生在XB3箱变内部；可能是箱变内综合贯通侧发生故障。此时把XB2的22开关和开关站的21开关断开，将故障点隔离，同时将开关站2和XB4箱变投入到另一侧电源上运行。
4 电缆故障诊断与探测
高速铁路电力线路发生电缆故障后，首先要按规定办理好工作票、相关停电手续和进入高速铁路线路栅栏内作业的手续等，得到调度许可后才允许进入故障区段作业。对故障电缆先要进行一个基本的判断，然后根据电缆故障类型来选择不同的故障方法进行查找。
目前，电缆按故障现象可分为开放性故障和封闭性故障。在进行故障定点时，开放性故障比较容易查找。按故障的位置，可分为接头故障和电缆本体故障，从目前运行情况来看，高速铁路电力电缆中间接头的故障发生较多。按接地现象，可分为开路故障、相间故障、单相接地故障和多相接地混合性故障。高速铁路电力中比较常见的是单相接地故障。按绝缘电阻的大小可分为开路故障、低阻故障、高阻故障和闪络性故障。
图2展示的是电缆故障判断查找流程。电缆故障的查找过程主要分为测距和定位两个过程。电缆故障探测需要相关的工具、仪器和仪表。目前高铁电缆故障探测主要使用山东科汇公司和杭州咸亨公司的设备，虽然略有差异，但原理相同，使用起来区别不大。这里以科汇公司的设备为例，进行故障探测。
4.1 故障测距
在使用仪表对电缆故障性质诊断完毕后，首先根据不同的故障性质，使用不同的测距方法和仪器对故障进行测距。
（1）如果是低阻故障或开路故障，采用低压脉冲法，使用电缆故障测距仪来完成故障测距。电缆故障测距仪不仅可以测量低阻和开路故障，还可以测量电缆的全长，电磁波在电缆中的传播速度，电缆的中间接头及T型接头的距离。图3展示的是实测低压脉冲反射波形，从这个波形我们就很容易获取我们所需要的信息。
（2）如果电缆是高阻或闪络性故障，可以采用脉冲电流法，使用电缆故障测距仪和高压信号发生器来完成故障测距。图4展示的是直接击穿的脉冲电流冲闪波形。图中虚实光标之间的距离就是故障点的大概位置。
1-高压发生器的发射脉冲；2-零点实光标；3-故障点的放电脉冲；4-虚光标；5-放电脉冲的一次反射；6-故障距离；7-放电脉冲的二次反射
图4 直接击穿的脉冲电流冲闪波形
（3）对于向故障电缆施加高压使故障点击穿放电后，放电电弧能长时间存在的故障。包括高阻泄漏性故障、高阻闪络性故障等。可以采用二次脉冲法，使用电缆故障测距仪、高压信号发生器和二次脉冲耦合器来完成故障测距。图5展示的是二次脉冲波形。图中虚光标所在的位置就是电缆故障的大概位置。
4.2 故障点的定位
（1）声磁同步法，使用高压信号发生器、电缆故障定点仪对故障点进行精确定位。图6展示的是电缆故障定点仪的波形，通过磁场波形可以判断电缆的路径，通过声音波形可以判断离故障点的距离。（2）音频信号法，一般用于探测故障电阻小于10？赘的低阻故障。使用电缆故障定点仪和音频信号发生器对故障点进行精确定位。（3）跨步电压法，用于直埋电缆的故障点处护层破损的开放性主绝缘故障或单芯高压电缆的护层故障。使用跨步电压接地故障定位仪和高压信号发生器对故障点进行精确定位。
5 结束语
高速铁路电力贯通线路是保证高铁动车组正常有序行驶的重要依据。根据高速铁路设计规范，我国高速铁路贯通线采用10kV非磁铠装单芯铜芯电缆。当电缆发生故障时，对这些故障进行原因分析、判断，并掌握电缆故障的查找方法，同时进行有效的处理，是确保高速铁路电力安全运行的基本保障之一。也是高铁电力从业人员的必备素质。文章讨论了高铁电力贯通线发生故障时，对故障原因的判断和故障区段的及时切出。总结了电缆故障的判断流程，同时分析了根据电缆不同的故障性质，依据不同的方法和相关仪器对故障电缆进行故障点精确定位，进而快速有效的处理故障，确保高铁电力安全运行。
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作者简介：朱二中（1985，8-），男，硕士，上铁南京供电段，助理工程师。