铁路供电电缆故障解决方案

一、高铁供电电缆：

根据中国铁路技术规程，高铁接触网电缆是交流单相 27.5kV 的额定电压，配电高压电缆是交流三相 8.7/10kV 额定电压。根据高铁供电系统设计技术标准，以上电压宜采用单芯电缆供电，以满足高铁牵引力和驱动电机载流量大的要求。

高铁供电电缆属于电力电缆的一种，主要承担着电能输配任务。高铁供电电缆的绝缘层材料主要是交联聚乙烯 XLPE，它是石油的下游产品，绝缘层是高铁电缆的核心层，起着将强电场的电缆导体线芯与电缆接地系统隔绝的作用。

随着交联电缆的运行经验和检测技术的突飞猛进，带动了交联电缆朝着阻水层设计的方向发展。这种带有特殊材料的纵向阻水层设计，在电缆外护套遇到外力损坏后，可迅速发生膨胀，阻碍水分向内渗透，从而提高高铁电缆的供电可靠性，从占有电缆较大长度的本体部分减少高铁电缆缺陷和突发性故障。

二、我国高铁供电电缆的应用现状

27.5kV 和10kV 交流高铁供电电缆是引进欧洲和日本高铁技术中的组成部分。在消化这个技术的时候，我们在部分高铁的设计与施工的结合上走了一定的弯路。其中部分原因是我国缺少系统化的高级技工和技师的人力资源培训体系；还有施工组织和施工质量管理水平较低的问题，没有达到单芯高铁供电电缆运行的技术要求，也未能赶上欧洲和日本高铁设计时的高铁电缆设备应有水平。

1、高铁供电电缆接头爆炸问题

2010 年至今我国某些高铁的突发性停电事故中44起都是由中间接头击穿导致。分析接头的故障点击穿部位，大部分位于高铁供电电缆接头的外半导电剥切层断口。

经过邀请国内外热缩、冷缩、预制式电缆附件制造厂的专家分析，高铁供电电缆的运行技术人员接受了当前中间接头的爆炸问题是人为原因导致。主要原因是两个：一是施工时违反中间接头安装工艺，使接头里电场应力控制部分失去作用。二是新敷设27.5kV和10kV 高铁电缆投运前，做交接试验的方法仍是不适合交联电缆的直流耐压试验技术，这种不科学的试验方法其结果是无法暴露交联电缆的真正隐患，还会把没有缺陷的交联电缆提前击穿。

2、高铁供电电缆外护层大面积破损问题

2.1关于高铁供电电缆的中国国家标准：我国已在2006年颁布了强制性国家标准GB50150-2006《电气设备交接试验标准》，（1）其18.09条规定：在电力电缆每段金属屏蔽层或金属套与地之间施加直流电压10kV，1分钟，不应击穿。（2）其18.03条规定：测量绝缘的兆欧表的电压等级：橡塑电缆外护套的测量用500V兆欧表。

2.2中外电缆外护层健康状态对比：在德国和日本高铁系统中，至今没有发生过高铁供电电缆的外护层大面积破损问题。而在我国某高铁的一个供电段管理的范围内，我们联合检测了400多条电力电缆外护套绝缘，其中有380多条的绝缘电阻达不到国标要求。故障率高达95%。

2.3造成我国高铁大面积外护层破损的原因：

（1）施工单位缺少明白人——了解单芯电力电缆的专业技术人员；

（2）施工中抢工期的现象比较严重，前后工序间互相践踏劳动成果；

（3）未采用电缆输送机等自动化敷设设备，人抬肩扛造成很多单芯电缆外护层托在粗糙的水泥路面或电缆沟表面，其结果是造成我国高铁供电电缆自竣工之日起全身伤痕累累，对日后安全运行埋下大量隐患。

3、高铁供电电缆故障点探测非常困难

3.1保护接地箱的处理：国内某高铁供电段邀请了国内外20多个电缆故障检测仪的制造厂家，为某高铁火车站内27.5kV高铁供电电缆找故障，结果这些厂家都乘兴而来，铩羽而归。其原因之一是，高铁供电电缆有时非常长，为限制感应电压，每隔400米左右都设计有保护接地箱。找电缆故障时必须把保护接地箱之间临时短路，使被测电缆的金属护层连续。如没有短路，则造成金属护层电极不连续，TDR反射的波形无法返回到近段，造成测不出有效波形。

3.2故障点处进水：采用高压预定位技术时，电弧即将燃起时，容易被故障点处的水和潮气熄灭，造成预定位不能出有效波形，直接影响下一步的精确定点。

4、高铁系统沿线接地不可靠

接地问题是影响我国高铁安全运行的重要原因。接地是否可靠不仅影响信号设备在雷击过电压下的正常工作，还直接影响供电系统的安全运行，造成电缆系统绝缘层或接触网绝缘子的过电压击穿。结合当前高铁接地的实际，有些接地不可靠是由于设计院设计时的铜排被施工单位改成了镀锌扁钢；有些虽然用了铜排，但截面积未达到设计要求。不合格的接地不仅对供电电缆运行不利，还会将过电压串流到信号设备。在改善接地上，特别是注重沿线的接地，包括保护接地箱的接地电阻定期测量等工作。

三、高度重视高铁供电电缆的外护层感应电压

1、单芯的由来：由于高铁接触网采用的额定电压是交流单相27.5kV,其配套的高铁供电电缆也必须随之采用单芯交流27.5kV电力电缆。

2、感应电压：由于27.5kV高铁供电电缆在运行时是交流50Hz信号，每时每刻都会在金属护层（铝护层或铜屏蔽层）里产生一个交流感应电压。

3、国家标准对高铁供电电缆感应电压的规定：根据GB50217-2007电力工程电缆设计规范》，交流单芯电缆金属层正常感应电势最大值，未采取安全措施时应不大于 50V；其它情况下应不大于300V。

4、破损后的电缆外护层对高铁供电电缆造成的影响：由于铁路设计院在设计高铁供电电缆时，是假设我国和德国、法国、日本类似，有着严谨的电力电缆安装施工队伍，有着科学管理的现场施工秩序，可以保证单芯电缆外护层的绝缘基本合格。特别是设计院按每隔400米-800米安排一只保护接地箱，以减少护层感应电压，降低金属护层环流。但事实上，由于我们的高铁施工存在着抢工期、不专业、质量低等现实情况，各个外护层破损点都像一只只点亮的大功率灯泡，每时每刻都在流着接地电流，使我国的高铁供电电缆在运行时受着煎熬，直到引发过热导致的突发性停电事故。

5、水树枝对高铁供电电缆的威胁-地下水和潮气都是导电的。当电缆外护套破损后，大量水分乘虚而入，逐层侵蚀着电缆的外护层、内护层、屏蔽层和外半导电层，直到进入电缆的绝缘层。在交联绝缘层内部强电场作用下，水分极化后转变成击穿的象松花一样的树枝，科学家们形象地叫他们为"水树枝 Water Tree"。由于水树枝的内部是导电的，水树枝的发展壮大，则意味着绝缘层实际厚度的减少，意味着电场强度的进一步加剧。这种恶性循环的结果就是---在水树枝的尖端激发出电树枝。而检测到致命的电树枝，就离彻底的击穿（突发性停电事故）很近很近了。

四、先进有效的电缆外护层检测技术

电缆外护套故障测试仪

研究表明对电缆外护层的健康状态进行状态评价是非常必要的，可以有效减少水树枝的入侵和水树枝导致的设备过早老化。外护层状态检测的突出贡献就是：严守大门，防止对电缆运行极为不利的水分侵入。

1、外护层耐压试验：根据GB50150-2006《电气设备交接试验标准》，（1）其18.09条规定：在电力电缆每段金属屏蔽层或金属套与地之间施加直流电压10kV，1分钟，不应击穿。（2）其18.03条规定：测量绝缘的兆欧表的电压等级：橡塑电缆外护套的测量用500V兆欧表。

2、外护层故障预定位：电压降法，通过两次电压的测量，利用电缆金属屏蔽层与电缆线芯相比导体回路电阻偏大且均匀分布的特性，得到故障距离 L1=L*U1/(U1+U2)。这个方法的技术优势在于：利用被测电缆的导体线芯作为参考相，远远超过了高压电桥法的适用范围。由于电缆结构的特点，其外护套故障不能采用回波反射法原理进行预定位，因此电缆外护套绝缘破损后，可先用电桥法或压降比较法来进行预定位。

2.1直流电桥法

右图为直流电桥法预定位原理图。图中：R1为电桥的标准电阻，L为电缆长度，x为测量处与故障点的距离。
电线电缆高阻故障定位仪设单位长度电缆金属层电阻为R0，调节电阻R2使检流计指示为0，此时电桥平衡，有：[L +（L－x）]R0/xR0=R1/R2（1），解得：x=2L/（1+R1/R2）（2）

电桥法的优点是操作简单、使用方便，要求短路线电阻低，在已竣工的电缆线路上容易实现如利用终端尾管上的接地端，或在交叉互联箱内，用铜排短路接地线端子。其缺点是需要知道电缆的准确长度等原始技术资料。详见本公司生产的GDZ-08电线电缆高阻故障定位仪(高压电桥法)。但电桥法易受干扰。构成桥路的两根电缆包含很大的面积，附近正在运行的电缆，汽车火花塞的干扰，化学电势等等，使电桥无法平衡。此时，用电阻（电压）比较法粗测定位更为实用。

2.2 压降比较法

接线图如下，在测试端的芯线和外护套上接毫伏表（万用表毫伏档），表笔直接与芯线和外护套接紧，不要接到仪器输出线的夹子上，避免接触电阻影响毫伏表的测量结果；仪器设置在连续输出档，调整输出电压，使输出电流达到A1（最好是整数如100.0mA），这时读取毫伏表上的读数V，由于电压表输入电阻很高，因此，流经项线的电流很小，可以认为毫伏表的电位测量端到故障点的电位，因此，该读数即为测量端到故障点两点的电位差V1。再将仪器移到电缆的另一侧（末端）进行测量，让输出电流值与始端测量时的数值一致，这时毫伏表的读数为V2； 故障点距离始端的距离Lx=（V1×L）/（V1＋V2）；也可以用比例来表示故障点的距离（V1×100）/（V1＋V2）；

采用这种预定位的本公司的代表产品主要有：WHT-08交联电缆外护套故障测试仪。

压降比较法的缺点：需要电缆全长数据，需要在另一端短接电缆，多点故障的无法测试。

3、外护层故障精确定点：破损点精确定位主要有直流冲击法、跨步电压法和音频法等，其定位原理相似，都是在电缆端部金属屏蔽层接入信号源（如高压脉冲放电源、音频信号源等），然后通过探测在故障处的多频谱放电信号来对故障点进行精确定位。

3.1直流冲击法

直流冲击法是比较原始的方法，其定位原理如图。首先利用球隙放电产生脉冲电压，该电压在护套绝缘破损处产生多频谱放电电流、声、光及磁场等放电信号，然后通过现场检测放电信号来对故障点进行精确定位。该方法的特点是试验装置简单、操作方便，主要适用于新敷设的电缆，特别适用于尚未填埋的电缆，这时利用裸耳即能听到故障点放电声，在深夜效果更明显。但由于此法的冲击电压及能量较高，长时间放电时对电缆金属护套及外护套都有破坏性，且会将正常运行时不必处理的薄弱点击穿扩大为故障点，因此对已投运的高压电缆不提倡使用此法。

采用这种定位的本公司的代表产品主要有"DZY-2000电缆故障测试仪、KC-900三次脉冲电缆故障测试仪"等。

3.2 跨步电压法

跨步电压法是目前应用最为广泛且非常有效的高精度定位方法，其基本装备为一高压系列脉冲发生器和一套带有探针的电位差计或毫伏表。其原理如图4（a），在电缆金属套与地之间施加一高压脉冲电流，用电位差计沿电缆路径探测，根据不同的情况，可分别采用以下2种检测方法。

（1）当知道电缆走向时，可用探针沿电缆方向探测，在故障点附近时，电位差迅速增加，在故障点前达到最大值；在故障点正上方，电位差为零；过故障点后，指针反偏且又达最大值，其电位差计沿电缆走向的电位差值分布如图（a）。根据电位差值的这些特征就可对故障点进行定位。

（2）当受电缆长度方向的地面情况限制不易测量时，可利用放电电流在故障点上方环形发散的特点来定位，电位方法如图（b），在不同方向分别寻找2个等电位点，然后找出2组等电位点的垂直平分线的交点，即为故障点。此法在故障较严重时使用效果较好。

跨步电压法的优点是原理简单、易操作、抗干扰好、破坏性少、定点直观准确，适用于敷设于泥土地面内的电缆。其不足之处有：（1）易受地下金属管线（如水管、天然气管等电位体）的干扰，特别在变电站或电缆接头井周围的干扰更为严重；（2）在干燥地面或马路上接受信号很弱，需采取措施，否则可能很难测到信号。

采用这种精定位的本公司的代表产品主要有：WHT-08交联电缆外护套故障测试仪

2.3 音频定位法

当地面干燥、水泥路面无法感应信号时，可采用音频法对电缆护套故障点进行定位。其原理如图5。将音频信号发生器一端与金属套连接，另一端通过地钎接地，将步进电压探头接在音频接收器上，沿电缆长度方向移动探头，在故障点附近将会收到很强的信号，而在故障点处接收到音频信号最弱，根据此特点，即可找到故障点。或在电缆端部接入音频信号发生器，采用高灵敏度音频探头沿线路查找，当信号增至最大，然后又消失时所对应的位置即为电缆护套故障位置，其沿线信号强度分布如图所示。音频发生器的容量和接收器（定位仪）的灵敏度是测试成败的关键指标。此方法的优点是所用电压不高，但判别故障点方向时不如跨步电压法直观，实际应用时也会受金属管道干扰。

采用这种精定位的本公司的代表产品主要有：DTY-2000地下电缆探测仪。

单根敷设高压XLPE电缆的绝缘护套的完整性对于保证电缆的设计容量，保证电缆短期运行安全和长期寿命具有非常重要的作用，无论是新敷设电缆还是旧电缆都必须对护套破损处进行及时修补，以维护电网的运行可靠性。

电缆护套破损可采用两步法进行测距和定位。第1步先采用直流法：先用电桥法或压降比较法进行，尽可能获知故障位置，测距精度与接线方式及线路接头电阻密切相关。第2步采用直流冲击法对故障点精确定位。对未回填新敷设电缆可采用直流冲击法进行；对已回填电缆和旧电缆，可综合采用可采用跨步电压法、直流冲击法和音频信号法进行。

五、加强高铁供电电缆交接试验和预防性试验

VLF0.1Hz超低频高压发生器

1、预试策略：预防性试验是前苏联对中国电力工业影响下的重要维护方法，其思路是：在每隔 4-6 年为周期的计划检修中，对被试电缆施加适当的更高电压，检测电力设备包括电力电缆在内的绝缘性能。电缆预防性试验和交接试验的基本检测方法是耐压试验，结合交联电缆就是 0.1Hz 交流耐压试验。

2、直流对交联电缆的破坏：直流耐压试验使交联电缆的绝缘层发生极化效应，其试验中使正电荷集聚在靠近导体线芯的绝缘层内；而使负电荷集聚在靠近屏蔽层的绝缘层内。这些残余电荷并不因为试验后放电而彻底放净，而是残留了一大部分继续留在塑料绝缘层里，这个残余电荷形成的残余电场与交流电叠加，造成本应正常运行的完好电缆提前击穿。

3、国际和国内预试规程：根据IEEE400-2001《有屏蔽电力电缆现场试验规程》，交联挤塑绝缘配电电缆的交接和预防性试验标准是3Uo，15-60分钟。根据欧盟 VDE0276-1996《电力电缆耐压试验规程》，交联挤塑绝缘配电电缆的交接和预防性试验标准是3Uo，60分钟。规程的制定都是通过大量的实验室和现场试验，选择多种试验电压值和耐压时间的组合，从试验效果和统计分析中，得出最佳的有效试验电压值和试验时间，使被试电缆的薄弱点能充分暴露出来，同时对被试电缆好的绝缘层造成的损害最小。

4、预防性试验的结果：在预试和交接试验中，交流耐压试验顺利通过的电力电缆，其整个试验阶段都能够看到电压表指针在设定的 3Uo 上，没有回偏或回零的现象。而电压表指针挂不住的回偏或回零的，则说明被试电缆存在击穿点，无法承受3Uo考验，相当于把未来在运行中的突发性停电事故提前在计划检修中得以暴露。

5、预防性试验和交接试验的作用：检验被试电缆是否具备安全送电条件；有效减少突发性停电次数；有效减少因高铁供电电缆停电对接触网的影响。

☆ 等效性好：科学理论和实践证明，0.1Hz超低频耐压试验与工频耐压试验具有很好的等效性。

☆ 体积小：理论上容量为工频的1／500，所以体积小、重量轻。

☆ 破坏性小：0.1Hz超低频耐压试验不会象直流耐压试验对绝缘具有较大的破坏性，有害极化电荷不会进入电介质。

☆ 技术先进：采用最新电力电子元件，微电脑控制，安全简单，操作方便，数据可靠。

六、进水型高阻故障的快速定位

1、高铁供电电缆故障定位流程：

高铁供电电缆属于电缆的一种，其故障定位遵守电缆故障定位的四步走：

第一步，判断电缆故障性质；

第二步，预定位，粗测电缆故障点距离近端的物理长度；

第三步，电缆路径定位；

第四步，电缆故障精确定点。

2、预定位的先进技术

2.1 三级多次脉冲主动弧反射法

电缆进水型高阻故障包括进水型本体故障和进水型接头故障，当地下水分和潮气进入故障点处时，普通的高压预定位方法发出的高压脉冲往往被水熄灭，反复多次采样却无法获得有效预定位波形，使现场定位时间变得漫长。KC-900三级多次脉冲电缆故障测试仪系统是功能定位于全面解决高低组故障和进水型疑难电缆故障，其中内置高端滤波器，自动将高压放电在故障点处的稳定燃弧时间延长为几十ms，是二次脉冲法燃弧时间10倍以上，并主动协调进水处采集接地发射信号的最佳时间。与其他同类产品相比，主动弧反射滤波器可采集到更多成功波形，大大提高预定位一次成功率和抢修效率。

KC-900电缆故障测试仪采用了国际最高水平的弧反射（三次脉冲）技术，所有高阻故障波形均呈现为简单的低压脉冲波形，判断故障距离轻松愉快。三次脉冲法是二次脉冲法的升级，其方法是首先在不击穿被测电缆故障点的情况下，测得低压脉冲的反射波形，紧接着用高压脉冲击穿电缆的故障点产生电弧，在电弧电压降到一定值时触发中压脉冲来稳定和延长电弧时间，之后再发出低压脉冲，从而得到故障点的反射波形，两条波形叠加后同样可以发现发散点就是故障点对应的位置。由于采用了中压脉冲来稳定和延长电弧时间，它比二次脉冲法更容易得到故障点波形。相对于二次脉冲法由于三次脉冲法不用选择燃弧的同步时长，操作起来也更加简便。

2.2高压电桥电缆故障测试仪

VLF0.1Hz超低频高压发生器

有几种电缆故障很难用波反射法查找：如，高压电缆护套绝缘缺陷点，钢带铠装低压力缆，PVC 电缆，没有反射波，无法定位。短电缆，无法定位。一些高阻击穿点，在冲击电压下无法击穿，也难以定位。

与波反射法相比，HDQ-15高压电桥电缆故障测试仪特别适用于：

2.2.1敷设后电缆的高阻击穿点，特别是难以烧成低阻的线性高阻击穿点，如电缆中间接头的线性高阻击穿（这种主要是由于电缆接头制作工艺不过关造成的。施加高压时只泄露爬弧不击穿放电）。

2.2.2高压电桥平衡法没有测试盲区，用于判断短电缆及靠近电缆端头的击穿点。

2.2.3高压电桥法仅仅要求电缆相线电阻的均匀性即可进行测量。而行波传输特性不好的电缆，如介质损耗很大的PVC低压电缆；

3、准确的路径定位技术

DTY-2000电缆综合探测仪

高铁供电电缆的直埋段，由于施工单位未能提交竣工图纸，高铁运行单位一般得到的是铁路设计院的设计图。这种图纸上的地下电缆路径信息和施工单位开挖后的实际位置不一定完全一致。我国铁路系统基本实现了电气化运行，由于此类仪器经常应用于高电压、强磁场的环境下，对探测结果的影响非常大，这就要求这类仪器具有极好的滤波器，滤除强电磁干扰。此类优秀的仪器必须采用DSP（大规模数字滤波技术）来满足要求。数字滤波技术具有滤波频带窄、调节灵活等优点，使其成为高压干扰环境下所必备的部件。

由于电气化强磁场的多次谐波干扰，造成了许多厂家的电缆寻径仪在此场合无法正常工作，而我公司的寻径仪采用数字窄带滤波，因此克服了这一难题。这一点可由北京铁通通讯段的实验报告来说明，北京铁通买过多家进口设备都无法解决电磁干扰问题，抱着试试看的态度邀请我公司去试一下，结果试验结果让他们很满意，通过两三年的合作，他们先后购进了十几台仪器。

西安华傲公司精心打造电缆测试中的全能冠军——运行电缆寻径、运行电缆识别、查找电缆开路及对地短路故障，一机多用综合机。DTY-2000数字式电缆路径仪的研制成功，彻底解决了过去无法解决的金属性死接地故障以及带电电缆识别、带电电缆寻径的难题。DTY-3000数字式电缆路径仪作为华傲的高端产品，达到了电缆测试领域的最高水平。测试过电缆故障的技术人员都知道，即使用电缆仪主机粗测故障点的距离对、定点仪性能也不错，但是电缆的路径搞错，一切都是白搭，还是不能确定故障点的位置。特别是对于不知路径的直埋电缆故障若没有路径测试仪，根本无法测试，除非将整条电缆挖出来。对于普通的电缆路径测试仪，在实际测试中受地下平行金属管线干扰较大，甚至误导。过去我们查找电缆路径，必须将电缆停电测试，而有些运行电缆不可能停电，使用DTY-2000数字式电缆路径仪可以轻松解决带电电缆路径查找的问题。DTY-3000地下通讯电缆探测仪还可直接查找50Hz运行电缆的路径。带电电缆的路径查找是该仪器的一大特点，该仪器可探测各种高压电缆、低压电缆、光缆的路径。

对于电缆故障的测试，本仪器可以可应用跨步电压法用直埋电缆故障测试配件（A字架探针）来判断直埋电缆的对地绝缘电阻小于2M欧以下的电缆故障对地及电缆外皮故障定位；也可用信号强弱法判断电缆开路短路故障。DTY-3000地下电缆测试仪改变了传统的电缆故障定位概念，不需高压试验装置，不需使用交流电源，不需分析波形，接线简单明了，使用一看即会。特别适用于金属死接地的电缆故障，彻底解决了过去传统高压闪络法无法精确定位电缆DTY-3000电缆路径仪的五大特点：一、国内独有的全数字多功能电缆探测综合机；二、解决了国内无法解决的运行电缆的寻径难题；三、查找直埋电缆的外皮受损（≤2MΩ）及开路故障；四、可在一束带电电缆中识别所找的电缆；五、配置充电电池，测试中不需市电就可完成所有测试。

4、精确定点的先进技术

西安华傲通讯技术有限公司研制生产的DDY-3000数显同步电缆故障定点仪具备了查找电缆路径、声磁同步法和显示声磁时间差法的全部优点，并且将声磁时间差转换为定点探头与电缆故障点的实际距离数，并在液晶屏上直接显示出来。在液晶屏上利同时显示故障距离、电磁信号大小、声波信号大小、同时具有存储记录功能，在故障点正上方，地震波声音最大（此时的地震波声音大小变化已不重要），读数最小，而且此读数就是故障点距地面的埋设深度。在故障点正上方，探头无论左右移动还是前后移动，但读数都会变大，尽管地震波声音变化不明显。也就是说，此功能在现场同时也实现了对电缆路径的精确判断。所以，DDY-3000数显同步电缆故障定点仪是目前国内同类型产品中功能最全，抗干扰能力最强、定点最准确的电缆故障精确定位仪。DDY-3000电缆故障定位仪采用本公司所独创的电缆定点新理论。是本公司根据最新研究成果而开发的具有高抗干扰性，高灵敏度，新型的电缆故障精确定点测试仪器。本仪器采用先进的模拟低噪声设计和高性能滤波电路相结合，使本仪器抗干扰性能有了极大的提高，采用独创设计和精湛地装配工艺使本仪器具有目前国内最高水准。对各类电缆故障可精确地进行定点，特别是对交联电缆和电缆封闭性故障具有独到的测试效果。专利技术：拾音器采用机械滤波，使得拾振的方向性更强，且有效降低了环境风和导线抖动对拾振传感器引起的噪声干扰。