1  緒論  

 

隨著我國國民經(jīng)濟快速增長，對電力的需求量也呈急劇增加趨勢。由于我國煤炭、水力一次資源分布極其不均衡，決定了能源主要靠電網(wǎng)傳輸，輸電線路作為電網(wǎng)中極其重要的組成部分，其運行安全性和可靠性越來越受到電力系統(tǒng)運行、管理和科研人員的關(guān)注。按使用的材質(zhì)來區(qū)分，輸電線路主要分為架空線路和電纜線路二種，架空線路主要應(yīng)用于野外露天之下的中高壓、特高壓傳送；而電力電纜主要用于都市、發(fā)電廠和其他電力設(shè)備范圍內(nèi)的中低壓傳送。隨著我國輸電線路總長度和傳輸容量的不斷增長，對輸電線路巡視、檢修等運行管理的難度也越來越大，即使在特定條件下的檢測也需要大量的人力物力，難以獲得及時數(shù)據(jù)。在這種情況下，急需提高輸電線路運行管理的自動化水平，尋求輸電線路故障監(jiān)測與故障診斷的有效方法就顯得重要。 現(xiàn)階段對于輸電線路故障監(jiān)測與診斷方法主要著重于架空輸電線路故障測距技術(shù)的研究和電力電纜絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的研究。以下將對電力電纜絕緣和架空輸電線路故障監(jiān)測與診斷的研究意義及現(xiàn)階段的研究狀況分別進行介紹。  

 

1.1  架空輸電線路故障在線監(jiān)測研究意義及發(fā)展現(xiàn)狀 

目前在國內(nèi)外的供電部門中，架空輸電線路因為其一次性投資較小、適合于不同的地理環(huán)境，因此被廣泛采用。同時在電力系統(tǒng)中，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力輸送容量和輸送距離迅速增長，大容量，遠距離的輸電線路投入運行，線路安全性的要求也越來越高。架空輸電線由于長期處于野外，受各種自然條件的影響，輸電導(dǎo)線在多種因素的長期作用下會導(dǎo)致材質(zhì)脆變，雷擊閃絡(luò)、外力破壞等會引起導(dǎo)線表面損傷，尤其是在海濱及工業(yè)區(qū)的輸電線更容易受到腐蝕，致使輸電線路產(chǎn)生斷股、損傷、低阻、對地短路、斷路等故障，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全運行。 檢修是保證架空輸電線路健康運行的必要手段。幾十年來我國架空輸電線路的技術(shù)管理一直采用的是架空輸電線路預(yù)防性試驗加輸電線路計劃性大修的維護方式[1][2]。這種檢修方式既有利更有弊，其優(yōu)點是：(1)能夠發(fā)現(xiàn)和處理架空輸電線路缺陷，減少設(shè)備運行中的損壞，保證電力生產(chǎn)的安全；(2)能夠減少架空輸電線路事故或者障礙造成的非計劃性停電，保證供電的質(zhì)量和可靠性。但這種維修方式不能事先掌握線路的運行狀態(tài)，而且采用一刀切的方式：到期必修。實踐表明其中相當(dāng)量的檢修是沒有實際意義的，多余的。造成了線路的“過度檢修”，可以得知過去的架空輸電線路計劃性檢修方式已與現(xiàn)在的電力生產(chǎn)不相適應(yīng)，有必要采用新的線路維修方式，因此產(chǎn)生了“線路狀態(tài)檢修”的新思路。輸電線路狀態(tài)檢修是從預(yù)防性檢修發(fā)展來的更高層次的檢修體制，它根據(jù)輸電線路的日常檢查、定期重點檢查、在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷所提供的信息，經(jīng)過分析處理，判斷設(shè)備的健康和設(shè)備劣化狀況及發(fā)展趨勢，并在設(shè)備故障前和性能降低到不允許極限前有計劃安排檢修。這種方式有很強的針對性，能夠有效提高輸電線路的可用率，并能降低檢修費用。在電力系統(tǒng)中推行狀態(tài)監(jiān)測是輸電線路檢修制度發(fā)展的必然選擇[3]。 

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1.2  電纜絕緣在線監(jiān)測的意義及研究現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展和城市化水平的提高，電力電纜作為傳輸電能的重要工具，越來越得到人們的重視。隨著經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，電力電纜不但被用作發(fā)電廠、變電所以及工礦企業(yè)的動力連接線，而且在城網(wǎng)供電中的比例越來越大，許多城市的市區(qū)已逐步取代架空輸電線路，電力電纜應(yīng)用的電壓等級也越來越高。特別是在城市電網(wǎng)中，為了減少線路走廊及提高送電的可靠性，要求提高電纜化比例及主干道電線入地，廣泛地采用地下電纜作為高壓、中壓輸配電線路。交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜以其電氣性能好、擊穿電場強度高、介質(zhì)損耗角正切值 tanδ 小、絕緣電阻高、有較高的耐熱性和抗老化性能、允許工作溫度高、載流量大、適宜于高落差與垂直敷設(shè)等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。 XLPE 電纜投入運行后，由于受到電、熱、機械、化學(xué)等因素的作用將發(fā)生絕緣老化。以前，由于電力系統(tǒng)龐大，電纜的運行周期比較長，絕緣老化緩慢，電纜的監(jiān)測和診斷卻沒有引起人們足夠重視。近年來，隨著電纜數(shù)量的增多及運行時間的延長，以前安裝的 XLPE 絕緣電纜的老化故障頻繁，造成絕緣擊穿事件嚴重，甚至引起部分電網(wǎng)系統(tǒng)停電，給國民經(jīng)濟帶來重大的經(jīng)濟損失。并且電纜的價格也非常昂貴，僅在美國，地下配電電纜系統(tǒng)需要更換的費用就達 150 億美元。對于連續(xù)運作的電力系統(tǒng)來說，電纜的在線監(jiān)測與故障診斷成為了亟待解決的問題，也是電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修不應(yīng)缺少的環(huán)節(jié)。 為了在運行過程中掌握電纜的老化情況、過負荷情況，及時發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象以避免事故的發(fā)生，還有必要對之進行在線的絕緣檢測及診斷，對一些隱性的故障進行較準確的早期預(yù)報，做到防患于未然。所以對電力電纜進行在線監(jiān)測，對電纜的潛在故障進行早期預(yù)報，對保障城市電網(wǎng)的安全可靠運行，節(jié)約突然停電造成的經(jīng)濟損失有著重要的意義。 

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2  非線性頻率特性分析法故障檢測原理  

 

2.1  概述 

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，工程系統(tǒng)對高效率、高可靠性、高質(zhì)量及低成本等綜合指標的要求,使得系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加,給信息處理,系統(tǒng)建模及性能預(yù)測提出了新的課題。特別是對于航空、核能、通訊、電力等可靠性要求很高的系統(tǒng)，不但要求故障發(fā)生時的及時診斷與隔離，更要求對系統(tǒng)和設(shè)備的運行狀態(tài)和潛在故障進行監(jiān)測和早期預(yù)報，以防止重大事故的發(fā)生，保證系統(tǒng)的安全性與可靠性。此外，故障監(jiān)測和早期預(yù)報技術(shù)還能幫助企業(yè)改革傳統(tǒng)的計劃性維修體制，實現(xiàn)基于狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)報的預(yù)測維修體制，提高設(shè)備利用率，降低運行成本。因此，故障監(jiān)測與預(yù)報已經(jīng)成為現(xiàn)代化工程系統(tǒng)的重要問題。如何建立有效、可靠的系統(tǒng)分析方法，對復(fù)雜工程系統(tǒng)的行為特性進行綜合分析和評判，以實現(xiàn)對系統(tǒng)和設(shè)備的有效監(jiān)控，仍然是有待解決的問題。 幾十年來，在經(jīng)典的系統(tǒng)分析理論中，線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析法一直被廣泛用于機械、電氣、通訊、建筑、電子、自動控制等工程系統(tǒng)的分析與設(shè)計。當(dāng)前對于線性系統(tǒng)的故障診斷與檢測問題已經(jīng)有了較為深入的研究和比較成熟的方法。然而,  對于非線性系統(tǒng)的故障監(jiān)測和診斷問題，現(xiàn)有的研究成果有限。一方面，是由于非線性系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性；另外，故障檢測與診斷要求得到系統(tǒng)的在線狀態(tài)或參數(shù)估計，對非線性系統(tǒng)，其狀態(tài)與參數(shù)的在線估計手段還并不多。特別是當(dāng)被測系統(tǒng)存在模型不確定性、噪聲的統(tǒng)計特性不理想的情況時，就更加困難。一般常用的非線性系統(tǒng)的故障檢測與診斷方法包括[26]：自適應(yīng)非線性觀測器法、擴展卡爾曼濾波方法、自適應(yīng)擴展卡爾曼濾波法、非線性未知輸入觀測器方法等，這些方法都相對薄弱，而且大部分只能對系統(tǒng)作故障檢測而不能做診斷。

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2.2  非線性輸出頻率響應(yīng)函數(shù) 

本章結(jié)合非線性頻率特性分析法故障檢測原理推導(dǎo)出了基于 NOFRF 的輸電線路故障監(jiān)測的算法。運用非線性頻率響應(yīng)函數(shù)對系統(tǒng)固有特性描述的唯一性，建立輸電線路不同運行狀態(tài)的頻率響應(yīng)模式，根據(jù)發(fā)生故障后傳輸線頻率響應(yīng)特性的變化，進行故障征兆模式的特征抽取與識別，① 不同的 n 值，對于系統(tǒng)中的兩個連續(xù)部分其 n 階 NOFEF 比值是一樣的。 ② 如果系統(tǒng)中的兩個連續(xù)部分都在非線性部分的左邊，這兩部分的一階NOFRF 比值和高階 NOFRF 比值是一樣的。 ③ 如果這兩連續(xù)部分最少有一個在非線性部分的右邊時，這兩部分的一階NOFRF 比值和高階 NOFRF 比值是不一樣的。 這些特性對于近期基于 NOFRF 的非線性系統(tǒng)頻率分析法的發(fā)展起著重要的作用，尤其對于多自由度系統(tǒng)的非線性成分的準確定位有很大的幫助。 

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3  架空輸電線路故障在線監(jiān)測....19 

3.1  架空輸電線路等效電路模型 ......19

3.2  電力載波 ...........22 

3.3 基于電力載波信號的架空輸電線路狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷模型 ..... 28 

3.4  本章小結(jié) ........... 31 

4  架空輸電線路故障監(jiān)測與診斷方法研究 .......... 33 

4.1  基于 NOFRF 的架空輸電線路正常運行狀態(tài)的特征分析 .... 34 

4.2  輸電線接地故障的仿真分析 ...... 37 

4.3  基于 NOFRF 算法的輸電線路高阻故障在線監(jiān)測與診斷仿真實驗 ............ 47

4.4  輸電線路斷路故障的仿真 .......... 59

4.5  輸電線路斷股、損傷故障的仿真初探 ........ 64 

4.6  本章小結(jié) ........... 69 

5  電力電纜故障在線監(jiān)測 ........... 71 

5.1  電力電纜概述 ............71

5.2  基于電力載波信號的電力電纜狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷模型 ............76

5.3  本章小結(jié) ...........79 

 

6  電力電纜故障監(jiān)測與診斷方法研究  

 

6.1  基于 NOFRF 的電力電纜正常運行狀態(tài)的特征分析 

基于以上介紹的電力電纜載波通信的仿真模型，如果通過定義絕緣中某一微小圓柱體為故障發(fā)生位置（即此處絕緣材料是逐步老化直至擊穿的），當(dāng)此處絕緣的電阻 Rf、Cf的值逐漸變化時，電力電纜等效電路參數(shù)模型也同時在發(fā)生變化，則載波接收機接收到的載波信號因傳輸線特性的變化也會發(fā)生變化。水樹枝老化被認為是造成交聯(lián)聚乙烯電纜在運行中被擊穿的主要原因[59-61]。自從1968年首次在地下直埋式XLPE電纜絕緣中發(fā)現(xiàn)“水樹枝”以來，人們一直沒有停止過有關(guān)水樹枝引發(fā)和生長機理、水樹枝結(jié)構(gòu)及特性的研究。特別是近些年來，一方面，由于水樹枝老化導(dǎo)致早起敷設(shè)應(yīng)用的XLPE電纜絕緣擊穿停電事故呈逐年上升之勢，并不斷造成重大經(jīng)濟損失，水樹枝現(xiàn)象已成為電力電纜安全運行的重大隱患，迫使人們不斷加強對XLPE電纜絕緣老化狀況的診斷技術(shù)研究工作。另一方面，伴隨許多新技術(shù)新設(shè)備的不斷出現(xiàn)將水樹枝激勵及檢測技術(shù)研究推向新的階段。 在絕緣中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔處的電場畸變，會導(dǎo)致在較低的電壓下引發(fā)水樹枝，這便是XLPE電纜絕緣中水樹枝的引發(fā)及生長特征。水樹枝的生長相對較慢，但伴隨水樹枝生長，水樹枝尖端的電場將愈加集中，局部高電場強度最終會導(dǎo)致水樹枝尖端產(chǎn)生電樹枝，電樹枝一旦形成，極可能造成電纜絕緣在短期內(nèi)被擊穿。 

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結(jié)論

 

本文在研究非線性頻率分析方法故障監(jiān)測原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合輸電線路故障監(jiān)測與診斷研究了基于 NOFRF 的輸電線路運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。主要研究內(nèi)容總結(jié)如下： 

① 建立了電力載波信號的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷模型，驗證了輸電線路載波通信模型的正確性。為輸電線路故障在線監(jiān)測提供了信號激勵和信號截取仿真實現(xiàn)模型，進而提供了基于 NOFRF 的架空輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供了有效的模式識別仿真平臺。 

② 將 NOFRF 方法與輸電線路故障監(jiān)測相結(jié)合，提出了基于非線性頻率特性分析的輸電線路故障監(jiān)測與診斷方法，為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供了一種新方法。 

③ 基于 NOFRF 的架空輸電線路不同故障類型、故障發(fā)生不同位置情況進行了仿真試驗。仿真實驗結(jié)果表明，對于架空輸電線路的低阻接地故障、高阻接地故障、架空線的斷股和局部損傷故障、斷路故障情況，NOFRF 方法都能有效、準確的識別出故障類型及故障發(fā)生位置，驗證了基于 NOFRF 的架空輸電線路故障監(jiān)測與診斷的有效性。 

④ 基于 NOFRF 仿真了電力電纜正常運行和電纜不同段出現(xiàn)水樹枝老化故障情況，通過電纜絕緣出現(xiàn)水樹枝老化故障和正常運行電纜的特征值i,kE 的對比，分析識別了i,kE 值出現(xiàn)畸變時所對應(yīng)的電力電纜不同段出現(xiàn)絕緣老化的故障信息，仿真實驗結(jié)果表明，電纜絕緣出現(xiàn)水樹老化時，NOFRF 方法能準確的識別出故障發(fā)生位置。同時對電力電纜發(fā)生開路、低阻接地、高阻接地故障進行了仿真分析，驗證了基于非線性頻率特性分析方法的電力電纜故障監(jiān)測與診斷方法的有效性。 

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參考文獻（略）