远东电缆有限公司 李林
［摘 要］ 本文就工厂内电线电缆成品检验过程中出现的绝缘线芯击穿、绝缘线芯断线、绝缘线芯局放超标三种故障类型，结合自身多年总结的工作经验，对此三类故障定位的方法、原理、难点及对策进行分析，以达到精确定位的目的。
［关键词］ 电线电缆 绝缘 故障点 精确定位 分析
0 引言
电线电缆产品由于种类多，生产工序多且半成品流转较频繁，生产过程中难免出现绝缘的缺陷或故障，本人总结多年来在电线电缆成品高压局放试验过程中发现的绝缘故障，将绝缘故障类型归纳为三类：绝缘线芯击穿、绝缘线芯断线、绝缘线芯局放超标。对于此三类故障，在工厂内，如果能够精确定位查找到故障点，对有效保证电缆的供货长度，最大限度减少公司经济损失及有效的分析故障点原因，制订有效纠正预防措施，防止类似问题的再次发生有着重要的意义。本文就此三类故障点定位的方法、原理、难点及采取的相应对策进行分析。
1 电线电缆故障定位的一般步骤
电线电缆成品试验过程中，发现绝缘线芯存在故障，定位一般按以下步骤进行：1）、准确判断出故障点的类型；2）、选择合适的定位方法及相应的仪器；3）、粗测定位；4）、精确定位。
2 电线电缆三类故障定位的方法及基本原理
电线电缆成品试验中发现电线电缆的绝缘线芯击穿、断线、局放超标等故障，首先要对该电缆故障情况进行全面确认，只有故障点类型情况了解的越全面，才能选择合适的方法，也只有熟知各种方法定位原理及定位的难点，并采取有针对性的措施，才能有效提高定位准确度。
1）、绝缘线芯击穿故障
①、绝缘击穿故障类型的判断：针对绝缘线芯击穿故障，不同类型的电缆，一般会有死接地、低阻击穿、高阻击穿(闪络击穿)三种击穿状况。击穿可建立如下电阻等效电路图（见图1）：
L2@ R3 R4
R0
L1@
图1 R2 R1
用万用表、摇表测量故障绝缘线芯与地或短路线芯之间的电阻值，并作好记录，确认电缆击穿状态。一般，当R0的电阻值为零时，电缆L1相与L2相无法形成脉冲称为死接地；当R0的电阻值小于300Ω时称为低阻击穿；当R0的电阻值大于等于300Ω称为高阻击穿。
②、绝缘击穿故障点定位粗测的常用方法及原理：工厂内电线电缆绝缘击穿故障粗测方法常用有高压电桥法和波反射法，精测常用方法有脉冲法（冲击电压法）。
高压电桥法定位原理（结合上海慧东GZD-4A型定位仪）：根据电阻定率，导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比，还跟导体的材料有关系，公式：R=ρL/S，ρ为材料电阻率，L为导体长度，S为横截面积。当故障电缆型号规格一定时，导体截面是定值，导体电阻随长度是均匀的，则导体电阻与长度成线性关系，高压电桥法定位通过对导体电阻的测量来确定故障点的长度。
高压电桥法定位采用单臂电桥的原理如下图2：
当电桥平衡后有：r1/r2=R1/R2=（L+L2）/L1。
波反射定位原理：根据波的特性，波在同一种介质中传播速度是一致的，波在不同的介质交界面出现反射，当绝缘线芯出现开路故障时，反射波与入射波极性相同，当绝缘线芯出现短路故障时，反射波与入射波极性相反。
断线故障低压脉冲反射波如下图3：
短路故障低压脉冲反射波如下图4：
图3断线故障低压脉冲反射波形
图4短路故障低压脉冲反射波形
脉冲法（冲击电压法）定位原理：在故障点通过冲击穿电压，产生很强的放电噪声闪络，而产生声音或振动情况，通过听声音或手感察觉振动来定位。在电缆企业生产工厂内，生产时生产设备开机的噪音较大，靠声音判定较难，主要通过手感察觉振动来精确定位。
③、绝缘击穿故障点定位各方法的注意事项及对策分析：
高压电桥法击穿故障点定位注意事项及对策分析，见下表1（结合上海慧东GZD-4A高压电桥定位仪的使用）：
表1
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序号 |
高压电桥法定位注意事项 |
对策分析 |
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1 |
接线时各接触电阻要小 |
要注意加强各接线的检查，确保各线接触牢靠，不出现接触放电现象，针对中压电缆不得在两端打铁钉,针对大截面铝芯导体或端头出现氧化的导体，端头的氧化层要进行处理。 |
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2 |
调节灵敏度 |
检流计是精密仪器，易造成损坏，定位时灵敏度选择旋钮要逐步增加，先调节平衡后再增加灵敏度一档，否则易造成检流计故障，影响定位的精度。电桥灵敏度除仪器本身灵敏度可调外，与定位故障电流、桥臂电阻有关，定位故障电流越大，灵敏度越高，桥臂电阻越大，灵敏度越高。 |
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3 |
当导体截面一定时，导体电阻才与长度是线性关系，要注意各企业导体截面的分散性 |
要加强企业导体生产工序质量的控制，汇总导体工序质量状况。若导体存在中间拉细、断股、缺股等情况，说明导体的均匀性可能较差，进行电桥粗定后，一定要冲击电压法进行精确定位，否则造成较大的误差，实践证明可产生5%的偏差。 |
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4 |
合理选择定位电流 |
实际定位时，电流指标必须要稳，不能出现电流指针摆动的情况，否则，极易损坏检流计，造成定位误差。若有摆动，则说明电缆是高阻闪络，需要进一步进行灼烧，直至电流稳定为止。定位时电流最好控制在10-20mA，过小，电桥灵敏度不够，易造成误差；过高，电桥很难平稳平衡，零点出现漂移，也易造成定位误差。 |
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5 |
合理选用桥臂 |
桥臂电阻越大，灵敏度越高，故在选择定位线芯时，通常选用截面小的线芯，也就是电阻大的线芯作为桥臂使用，同时还要注意电阻与长度的线性关系。若中高压电缆，一般以铜带屏蔽作为桥臂，但由于钢带电阻的均匀性不行，虽然钢带电阻较大，但实际也不作为桥臂电阻。 |
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6 |
准确选择电缆长度 |
虽工厂内电线电缆外表上面都印有米标，但要注意米标的均匀性。计算电缆实际长度时，要考虑两端印字米标以外的电缆端头长度，同时要考虑成缆节距是否是均匀的，特别是采用不同截面或绞入率不一样的线芯作为引接辅助线时，要考虑产生的误差情况。 |
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8 |
安全注意事项 |
高压电桥一定要注意设备的可靠接地，同时在电流不稳定时，任何时候检流计开关要关闭，防止设备损坏，另外要注意定位后红、黑夹子互换时要对线芯进行充分放电，防止电桥的第二次平衡受到影响。 |
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9 |
所有电缆都击穿了，无辅助线 |
工厂内，电缆在盘上面，一般不需要辅助电缆，但若确实需要选用辅助线，则通过对相间击穿时的击穿电阻进行测量，选取绝缘电阻最好的该相作为辅助电缆使用。 |
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10 |
当定位时红、黑夹子互换后相加不等于1，小于1 |
考虑是否该电缆存在多点击穿的情况，多点定位时，波反射定位更有优势。 |
波反射法击穿故障点定位注意事项及对策分析，见下表2（结合上海慧东HDTDR-200波反射定位仪的使用）：
表2
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序号 |
波反射法定位注意事项 |
对策分析 |
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1 |
介质的均匀性 |
波反射是靠脉冲在相同介质中其传播速度是一样的，在不同介质中不同，在不同介质交接面出现反射，进行定位的。只有均匀的介质，其传播速度才会均匀，所以在故障定位时要注意考虑其介质的均匀性，防止出现绝缘线芯中间采用不同介质修补的情况而造成定位误码差。 |
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2 |
认识定位肓区 |
由于脉冲总有一定的时间宽度，故选择不同的脉冲宽度，端头定位总存在不同盲区，定位时注意避免，若故障点在盲区内，则不能使用波反射进行定位。 |
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3 |
脉冲起始点的准确选择 |
脉冲在电缆介质中传播的速度较快，每μs大约160m左右，故在波形图起点与终点要找准确，否则极易出现误差。一般在实际定位过程中，选择波出现的第一个拐点作为起始点。 |
冲击穿电压法击穿故障点定位注意事项及对策分析，见下表3（结合上海慧东HDM系列高压脉冲发生器的使用）：
表3
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序号 |
冲击穿电压法定位注意事项 |
对策分析 |
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1 |
在实际听脉冲定位过程中，要先准确的测量击穿电阻，确定击穿状态，不同的击穿状态，选择不同的击穿能量。若死接地状态，则无法进行冲击，若击穿电阻较大，则冲击时球隙越大，能量越大，产生的振动和声音越大，但对于低压电缆或击穿电阻较小，若声音及振动太大，通过手感整个电缆都在振动，听声音到处在响，导致在现场也无法准确找到振动点。 | |
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2 |
无外护半成品电缆，线芯与钢带击穿 |
在实际听脉冲过程中，由于电缆在复绕机上面，钢带与设备接地，出现多点接地情况，在冲击过程中钢带与其接触的设备金属易打火放电，使人在现场感觉多处在放电，影响结果判断。故打冲击脉冲时，要防止钢带与设备多点接地，必须隔离起来。 |
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3 |
安全注意事项 |
冲击电压发生器设备产生较高电压，设备必须要可靠接地，在进行打冲击脉冲时必须要注意监护现场，试验结束后，必须对试品充分放电。 |
2）、绝缘线芯断线故障
①、绝缘线芯断线故障类型的判断：针对绝缘线芯断线故障，产生的主要原因往往是由于生产过程中张力控制不当拉断或擦断绝缘线芯，易出现多点断线或断线与短路并存的情况。判定方法：先用万用表测量各线芯是否导通，再用摇表测量各绝缘相之间是否存在短路，再针对断线的线芯进行两端电容测量，即可判定下图5-8几类故障。例图5，若发现仅L2不通，无短路故障，然后通过数定电容表测量L1对除L2相之外其它所有相之间的电容值为C1，在一端测量出L2对除L1相之外其它所有相之间的电容值为C2，另一端测量出L2对除L1相之外其它所有相之间的电容值为C3，当C1≤C2+C3时，可知L2相线芯仅有一个断点；当C1>C2+C3时，可知L2相多于一个断点。
仅断线故障可建立如下等效电路图5：（若多芯，L1、L2相之外其它线芯无任何故障）
C2 断 C3 L2@
L1@
C1 图5
断线与短路故障并存如下图6：（若多芯L1、L2相之外其它线芯无任何故障）
L2@ 断
L1@
图6
多相断线与短路故障并存如下图7：（若多芯，L1、L2相之外其它线芯无任何故障）
L2@ 断
断 L1@
图7
多相断线与多相短路故障并存或多相多点断线与多相短路故障并存如下图8：（若多芯，L1、L2、L3相之外其它线芯无任何故障）
L3@ 断
断 L2@
L1@ 图8
②、绝缘线芯断线故障点定位的常用方法及原理：
工厂内绝缘线芯断线故障定位的常用方法为：波反射和电容法。波反射原理见上图3。电容法主要根据在均匀电场情况下，电容C与电极面积A成正比，而与电极间的绝缘厚度δ成反比。即C=ε（A/δ），当电线电缆型号规格一定时，ε、δ是定值，电缆的电容与电缆的长度正线性关系，通过测量电缆电容来测量电缆的长度。如下图9：L2相线芯断线，其中C1为L2线芯与其它相在左端测得电容，C2为为L2线芯与其它相在右端测得电容。
断 C2 断 C1 L2@
图9 S2 S1
根据此图可得：C1/（C1+C2）=S1/（S1+S2）。按此公式，在实际的定位过程中有时误差较大，达50m左右，运用此公式，要考虑断点电容，采取措施进一步修订。
③、绝缘线芯断线故障点定位各方法的注意事项及对策分析：
电容法进行绝缘线芯断线故障点定位各方法的注意事项及对策分析见下表4：
表4
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序号 |
电容法进行绝缘线芯断线故障点定位各方法的注意事项 |
对策分析 |
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1 |
故障类型准确判断是关键 |
电线电缆在实际生产过程中断线故障产生，主要是多芯小截面的电缆，由于张力控制不当而擦伤或拉断，易产生复合性的故障。定位前要对线芯所有的故障类型进行准确判断，若不能准确的判定各类故障类型，定位方向极易产生偏差，方法不得当而造成较大定位误差，具体方法见上述绝缘线芯断芯的故障。 |
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2 |
干扰的影响 |
一般采取电容表进行测量电容时，由于工厂内易产生电磁波的设备现场较多，对电容测量易造成误差，最好在全屏蔽层内进行测量，消除干扰的影响。 |
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3 |
电容的准确测量 |
由于电容与两电极板金属面积成正比，与两电极距离成反比，电容越大，测量对结果产生的误码差越小，测量电容时则尽可能选择多根线芯并联，使电容值尽可能大，同时要防止多芯控制电缆出现跳滨情况、各线芯绝缘厚度不均匀的情况而造成电容值的不均匀。同时测量电容时要考虑断点电容对结果的影响，对结果进行修订。 |
3）、绝缘线芯局放超标故障
①、绝缘线芯局放超标故障类型的判断：根据电缆局放超标位置不同，可将绝缘线芯局放超标故障类型分为，端头放电类故障和中间放电类故障。同时要记录好起始放电电压，掌握局部放量随电压升高出现的变化，根据电缆放电点的个数可将绝缘线芯局放超标故障类型分为，单点放电类故障和多点放电类故障。
端头放电与中间放电的判定：在故障电缆还未放电的情况下，在近端注入电荷，在示波器上采集两个脉冲之间波传输的距离S，即为电缆2倍的长度，若电缆长度为L，则S=2L。在故障电缆放电的情况下，若示波器上在S距离内有三个脉冲，则该故障点在电缆中间，若示波器上在S距离内仍只有两个脉冲，则该故障点在电缆的端部，若示波器上在S距离内多于三个脉冲，则该电缆存在多点放电现象。
②、绝缘线芯局放超标故障点定位粗测的常用方法及原理：
绝缘线芯局放超标定位采取的方法主要是行波法：行波法主要定位原理就是电缆中产生的脉冲放电波同时以相同的速度向相反的两方面进行传播，在两种介质的交接面（即电缆两个终端）进行反射，一端为测量端，在测量端的测量单元能有效的捕捉到通过该终端的放电脉冲（所有带局放超标定位功能的高压局放定位检测仪均能满足此要求），根据接受到脉冲的时间差来算得局放故障点的位置。原理图如下图10：电缆其中一相在B点出现局放超标。
B C A
图11 图10
若A点为测量端，电缆长度为L，V表示放电脉冲在电缆中的传输速度，则有：
ta=L1/v （1）
tb=（L+L-L1）/ v=（
tc=（
可得：(tb-ta)/(tc-ta)=L2/L
③、绝缘线芯局放超标故障点定位的注意事项及对策分析，见下表5（结合上海蓝波JF-2000局放测试仪及定位系统）：
表5
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序号 |
绝缘线芯局放超标故障点定位的注意事项 |
对策分析 |
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1 |
端头放电的排除 |
端头的接触不良、设备的高压引线接触不良、油杯内绝缘油有杂质、绝缘线芯中有交联副产物逸出、油杯终端距接地体有效距离太短产生电晕放电、油杯内绝缘油少，半导电外屏切口处浸入油中距离不足30mm都易引起端头放电，要一一排除。 |
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2 |
电缆端头放电具体端头如何确定 |
针对电缆本体故障在端头10米之内的定位，故障点在近端还是在远端很难确定，一般采取另外一根局放合格的电缆作为辅助电缆与故障点电缆串联，例：若一故障电缆端头放电，在远端串联一根电缆后，仍然端头放电，则故障点在近端，若变成中间放电，则故障点在远端。 |
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3 |
多点放电 |
根据在不同放电电压下，产生的放电量不同，采集不同放电脉冲波形，进行比对分析，重点是在不同电压下，采取不同的放电波形。 |
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4 |
电缆中间故障点方向性的准确判定 |
在实际定位的过程中，易出现故障点方向相反的情况，主要是试验人员对图10-11所示情况不能正确推导，有时测量端记错，搞混淆。 |
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5 |
查找端头故障点 |
通过定位，确定电缆的故障端头后，采取每次锯掉2米，1米1米的进行重新局放试验查找，减少浪费。（具体步骤：锯掉后先进行局放，若还不合格，将端部线芯上面的铜带屏蔽层剥掉1米，再进行局放测试，若局放量无变化，再剥掉1米，再进行局放测试，因为故障点外面有无铜带，故障点的起始放电压会有变化，放电量也会有变化） |
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6 |
排除局放定位时线芯逸出气泡影响的影响 |
电缆三层共挤后，由于交货期较为紧急，可能会有交联内芯停放时间不够，在局放时有气体逸出情况，影响局放试验的判断，一般在试验过程中，采取油杯倾斜，使逸出的气体远离外屏的切口处，同时，在试验时将终端放在油杯内，快速进行局放试验，使线芯气体还未逸出完成局放检测。 |
3 结论
本人在工厂内电线电缆成品检验过程中发现的绝缘线芯击穿、绝缘线芯断线、绝缘线芯局放超标三类故障点，按上述三类故障点定位的方法、原理、难点及对策进行，实践证明效果是良好的，在实际定位过程中，故障点定位误差控制在±2米之内，有效的保证了电缆的供货长度，最大限度减少了公司经济损失。
参考文献
［1］ 吴长顺 电线电缆产品检验 上册 2004年出版
［2］ 孔德武 故障定位仪使用说明书