论文总字数：26173字

摘 要

电力电缆是电力系统中传输电能的重要单元，其安全性与可靠性是保证整个系统供电安全稳定的基础。电力电缆在长期的运行过程中，会因为电磁，机械，发热，环境腐蚀等多方面原因而产生老化与损坏现象，进而会产生破坏性的故障，对系统供电造成影响。因此，建立实时在线监测预警系统，从而对电力电缆的各方面指标进行实时监测，进而能够及时发现电缆运行异样，及时排除隐患，做出预警，对保证电力系统的稳定运行有着重大的意义。

本文首先对本文选题背景与电力电缆故障监测系统的研究现状进行简单的阐述与总结；其次，对电力电缆的故障常见类型及其原因进行分析总结；接着对目前常见的故障在线监测方法进行介绍，阐述其相关原理，并分析其优劣及适用场合；接着介绍了故障定位和剔除信号噪声的核心算法;然后根据系统设计的原则和依据，以局部放电监测法为基础，建立电缆故障监测预警系统；最后对设计的系统方案进行分析反思，分析其存在的不足与缺陷，明确改进的方向。

关键词：电力电缆，在线监测，故障定位，局部放电

RESEARCH ON THE FAULT MONITORING SYSTEM FOR POWER CABLE

Abstract

Power cable is an important transmission unit in the power system, its security and reliability is the basic to ensure the safety and reliability of power supply. In a long-term running process of a power cable, there are some aging and damage due to a lot of reasons such as electromagnetic, mechanical, heat, corrosion environment and so on which lead to terrible cable faults. Therefore, it is necessary to build a fault monitoring system that can monitor the cable system all the time and give an alarm once cable fault occurs. It is of great significance to ensure the stale operation of power system.

The first part of this paper is a summary of the research background of the online fault monitoring system for power cable. The second part is the summary of types and reasons of cable fault. The next part is an introduction of common monitoring methods and a comparison between them. Then comes the introduction of the core algorithm using for fault locating and eliminating noise. The following part is the scheme of the online fault monitoring system which is based on partial discharge monitoring method. The paper ends with the conclusion and introspection in order to improve the whole scheme.

KEY WORDS: power cable, online monitoring, fault locating, partical discharge

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1选题背景与意义 1

1.2国内外发展现状 1

1.3本文研究的主要内容 2

第二章 电缆故障监测 4

2.1电力电缆故障 4

2.1.1常见的电缆故障及其原因 5

2.1.2局部放电 6

2.1.3绝缘老化 6

2.1.4电缆故障周期性特点 7

2.2电缆故障在线监测方法 7

2.3 电力电缆温度在线监测 11

第三章 故障定位及干扰消除算法 12

3.1 行波测距算法 12

3.1.1 行波相关概念 12

3.1.2 行波测距原理 13

3.1.3 行波测距精确度分析 14

3.2 小波变换下的行波测距 14

3.2.1 小波定义 14

3.2.2 小波变换下的电缆故障信号 15

3.2.3 对行波故障信号进行小波分析的作用 15

3.3 局部放电抗干扰算法 16

3.3.1 窄带干扰的抑制 16

3.3.2 白噪声干扰的剔除 17

第四章 电缆故障在线监测系统设计 18

4.1系统功能要求 18

4.2 系统结构组成 18

4.2.1 分布式光纤温度传感器 18

4.2.2 TEV传感器 19

4.2.3 故障定位及干扰信号处理 19

4.2.4 系统其他单元 19

4.3 系统设计方案 19

第五章 结论与展望 21

致 谢 22

参考文献（References） 23

1. 绪 论

1.1选题背景与意义

电力电缆，在整个电网系统中连接着各种电气设备，承担着传输电能的重要任务，是电网中最为重要的基础设施之一；随着现代社会经济的高速发展以及城市化建设的节奏加快，各行各业和人民的日常生活对于用电的需求都与日俱增，也正是因为如此，我们的电力系统需要提升自身运行的安全稳定性，以满足社会的用电需求^[1]。

随着城市人口的增加，城市不断的向外扩建，城区中电力电缆的覆盖率和电力系统规模也在不断提升。在电力电缆日常运行中，由于电磁、发热、机械磨损、化学腐蚀等多方面的作用会使电缆元件逐渐发生老化或破损，如若不能及时发现并处理，就可能引发破坏性的故障。我们作为电力行业的工作者，为了保证人民用电的质量，就必须保证系统运行的安全稳定性，正因为如此，对电缆的运行状态进行实时监测，是具有十分重要的现实意义的。早期的电力电缆监测方式以离线监测为主^[2]，顾名思义，离线监测就是需要停电进行测试，并且其测试周期长，已经不能适应当下系统的要求。为了保证庞大系统的安全稳定运行，做到24小时不间断的监测电缆运行状态，显然单靠人力是难以实现的，在这样的背景下，一些新型的在线监测方式逐渐被开发被加以应用。

如今的电缆系统中，绝大部分故障发生的根本原因就是电力电缆绝缘出现问题。如何及时、准确的判断出运行中的电缆绝缘状态是否良好，发现能够表征电缆绝缘状态的特征信号，是电缆故障监测技术的关键。通过特征信号可以准确有效的判断出电缆的绝缘状况，从而做到出现问题及时处理，有效预防电缆故障的发生，使电力电缆的运行稳定性大大提升，减少突发性的事故。

在我国的“十二五”计划中，智能电网的构建已经成为了我国接下来发展的重点工程之一；所谓智能电网，其基本特征为：通过使用多路通信、新型传感器以及分布式计算机等新兴通信监测技术，来改善电力系统的电能传输效率、可靠性和稳定性^[3]。一个设计良好，功能完备的电缆故障在线监测系统可以及时反馈电力系统的动态负荷需求，在有效提高电力电缆的利用效率的同时又降低了经济成本，为智能电网提供一个良好的输配电环境。

本文研究重点是比较目前应用较多的几种电缆故障在线监测方式的优劣及适用场合，并且分析选用合适的监测数据处理算法，从而设计一个较为合理实用的电缆故障在线监测预警系统。从技术上来说，在新型传感器和高端算法不断出现的今天，我们要快速的将这些科研成果运用在实际系统的运作中，从而达到真正的智能监测的目的。

1.2国内外发展现状

在电力电缆在线监测技术相关领域的研究，欧美发达国家起步较早。早在上世纪七十年代，欧美诸多发达国家就开始着手于相关领域的研发，并开始建立了一些用于监测电力电缆系统的试点工程。随着研发的不断深入，监测系统的功能也变得越来越智能、丰富。发展到现在，很多西方发达国家已经开始通过配电设备监测的手段来进行电力系统电能质量监控的工作^[4]。比如加拿大的 Power MeasurementLtd公司，在几年以前就已经开发出了一套高端的电力系统综合监控体系，其功能十分全面，集测量、采集、通信、控制于一体，并运用高性能的 DSP 芯片对数字信号进行处理，在做到监控的同时还大大增强了系统继电保护的功能^[3]。然而，国外的研发产品普遍存在着操作复杂的缺点，而且由于我国的电力系统结构也比较特殊，很难直接照搬国外的产品运用在我国的电力系统中，加之成本极其高昂，并不符合我国电网的需求。

我国在该领域的研究，起步于上世纪九十年代，相比于诸多发达国家，在时间上落后了许多。进入新世纪以来，计算机通信技术以及电力产业发展迅速，系统对于电缆故障监测设备的需求大幅上升，这使得很多商家以及研发单位都开始着手于新型的监测设备的研发，从而能够适应配电网整体的智能化，自动化的发展趋势^[5]。

由于进入新世纪以来，各行业都进入了高速发展的阶段，对电力系统供电稳定性可靠性的要求也进一步加大了，因此，对于及时可靠的电缆在线监测预警系统的需求就变得更为迫切了。以我们的领国，韩国和日本为例，住友公司和LS公司从2003年开始就着手于新型传感器和高级算法的研究以应用在新型的电缆监测预警系统中^[6]。也开创了将分布式光纤温度传感技术与动态载流量算法应用在电缆监测系统中的先河，并开启了对局部放电监测这一新兴监测技术的大规模研发热潮。2008年，北京电力成功研发出了一个规模庞大，监测范围能够覆盖整个城区的集中监测系统，覆盖了北京城区200多公里电缆隧道内的全部主要电缆^[3]。在欧美，也有企业成功开发了以分布式光纤温度传感器和动态载流量算法为核心的电缆检测系统。纵观这些系统，它们大都能够实现基本的功能，但是却都或多或少的存在如下一些问题。例如，系统的各个层次之间区分不够明确，使得设备和接口变得更为复杂，不仅提高了维护和启用成本，还降低了系统整体的可靠性和可扩展性。还有数据库的缺陷，数据库结构在初始设计中存在不足，造成了数据库整体数据无法同时做到输入输出和存储，整体显的比较笨重。当然，这些系统在初始设计时，并没有现今这些先进传感器和高端算法的出现，从而造成了这些系统的结构都存在这样那样的缺陷。

综上，目前在电力电缆故障在线监测领域的系统研究呈现了以下几个趋势：

1）在整个电网倡导智能化，自动化的主导下，明确各层次之间的功能与关系，设计一套统一的状态变量数据输入，输出，存储方案；

2）尽可能的运用当下最先进的应用算法，用于系统中的数据处理以及其他各个方面；

3）大量的新型传感技术得以应用到实践中，系统向着更加先进智能的方向发展^[7]。

1.3本文研究的主要内容

第一章为绪论，首先介绍了在目前城市化进程越发加速的背景下，电力电缆的应用率大幅提高，人民追求更高的生活质量，所以我们电力系统就需要提高自身的稳定性与安全性，电力电缆作为系统中连接与传输的重要单元，其重要性不言而喻。在这个大环境下，提出了本文研究的意义，建立智能可靠及时的电力电缆监测预警系统势在必行。接下来阐述分析了目前在该领域国内外研究的现状，分析总结了目前存在的监测预警系统存在的缺陷。

第二章为电缆故障监测相关理论的阐述，首先总结分析了目前电力电缆出现的故障及其原因，阐述了其周期性的特点，并给出了适当的预防措施。接着介绍了以局部放电法，接地电流法为代表的目前应用较为广泛的几种电缆故障监测方式，并且分析比较了它们各自的优劣以及适用场合。

第三章为故障定位及干扰剔除算法的介绍，首先阐述了目前应用广泛的故障定位算法，行波测距法的原理及优缺点，接着给出了一种小波分析方法的原理，这种信号处理方法能够在行波测距的基础上加以改进，加强故障定位的精确性。最后介绍了同样以小波分析为基础的干扰剔除算法。

第四章为电缆故障在线监测系统的设计方案，首先列出了电缆故障监测系统预计需要实现的所有功能，接着为了以这些功能为依据，列出系统的构成元件，然后重点说明了系统中所应用的传感器。最后给出了系统设计方案。

最后部分为结论和展望，总结了全文内容，列出了相关结论。并在最后对整个系统的设计过程进行分析与反思，展望了未来可发展和完善的方向。

1. 电缆故障监测

电力电缆的结构可以分为大致中心导线，绝缘层，和外保护层，中心导线是用高电导系数材料组构成的，绝缘层一般并由一些绝缘特性较好较为耐用的材料如油浸纸、橡皮、塑料等组成绝缘层，再在外围加以一圈由耐腐蚀耐磨损的材料构成的外壳保护层，通常可以简化为理想同轴电容结构。从理论上看，电力电缆有着稳定性高、占地面积小、安全性好且不影响城市美观等诸多优点，所以在城市居民区、中心商业区及工业集中区中的使用越来越多^[8]。其缺点是由于容易受热、机械等环境因素的影响而引发线路故障，尤其是在地下管线复杂的大城市核心区域，一旦发生故障，将造成巨大的损失。综上，电力电缆输、配电线路安全的重要性就显得极为重要了。

电力电缆存在着多种敷设方式，目前我国常用的方式有排管敷设、直埋敷设、电缆隧道敷设、电缆沟敷设等，在这些敷设方式中，目前在实际工程中应用最多的一种是直埋敷设^[3]。因为电缆大多敷设于地下，这无疑加大了电缆故障监测预防工作的难度。传统的监测方式大多为离线试验方式，顾名思义，离线监测就是需要断电之后检测人员携带仪器进行现场实验的方法。这种方式不仅要消耗大量的人力物力，效率较低，而且极易受到现场条件的限制。最重要的一点，这种方法需要断线进行，在进行监测的过程中，系统是无法继续工作的，这显然已经无法满足我们现如今对于系统供电持续可靠的要求了。

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