1  緒論  

 

隨著我國國民經濟快速增長，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傳輸，輸電線路作為電網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運行、管理和科研人員的關注。按使用的材質來區分，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、發電廠和其他電力設備范圍內的中低壓傳送。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，難以獲得及時數據。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測與故障診斷的有效方法就顯得重要。 現階段對于輸電線路故障監測與診斷方法主要著重于架空輸電線路故障測距技術的研究和電力電纜絕緣在線監測技術的研究。以下將對電力電纜絕緣和架空輸電線路故障監測與診斷的研究意義及現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測研究意義及發展現狀 

目前在國內外的供電部門中，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境，因此被廣泛采用。同時在電力系統中，隨著國民經濟的發展，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，輸電導線在多種因素的長期作用下會導致材質脆變，雷擊閃絡、外力破壞等會引起導線表面損傷，尤其是在海濱及工業區的輸電線更容易受到腐蝕，致使輸電線路產生斷股、損傷、低阻、對地短路、斷路等故障，嚴重影響電力系統的安全運行。 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管理一直采用的是架空輸電線路預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，其優點是：(1)能夠發現和處理架空輸電線路缺陷，減少設備運行中的損壞，保證電力生產的安全；(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，而且采用一刀切的方式：到期必修。實踐表明其中相當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在的電力生產不相適應，有必要采用新的線路維修方式，因此產生了“線路狀態檢修”的新思路。輸電線路狀態檢修是從預防性檢修發展來的更高層次的檢修體制，它根據輸電線路的日常檢查、定期重點檢查、在線狀態監測和故障診斷所提供的信息，經過分析處理，判斷設備的健康和設備劣化狀況及發展趨勢，并在設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。在電力系統中推行狀態監測是輸電線路檢修制度發展的必然選擇[3]。 

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1.2  電纜絕緣在線監測的意義及研究現狀

隨著現代化工業的發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。隨著經濟建設發展，電力電纜不但被用作發電廠、變電所以及工礦企業的動力連接線，而且在城網供電中的比例越來越大，許多城市的市區已逐步取代架空輸電線路，電力電纜應用的電壓等級也越來越高。特別是在城市電網中，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。交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜以其電氣性能好、擊穿電場強度高、介質損耗角正切值 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等優點被廣泛應用。 XLPE 電纜投入運行后，由于受到電、熱、機械、化學等因素的作用將發生絕緣老化。以前，由于電力系統龐大，電纜的運行周期比較長，絕緣老化緩慢，電纜的監測和診斷卻沒有引起人們足夠重視。近年來，隨著電纜數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，甚至引起部分電網系統停電，給國民經濟帶來重大的經濟損失。并且電纜的價格也非常昂貴，僅在美國，地下配電電纜系統需要更換的費用就達 150 億美元。對于連續運作的電力系統來說，電纜的在線監測與故障診斷成為了亟待解決的問題，也是電力系統狀態檢修不應缺少的環節。 為了在運行過程中掌握電纜的老化情況、過負荷情況，及時發現異常現象以避免事故的發生，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報，做到防患于未然。所以對電力電纜進行在線監測，對電纜的潛在故障進行早期預報，對保障城市電網的安全可靠運行，節約突然停電造成的經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 

隨著現代工業的發展，工程系統對高效率、高可靠性、高質量及低成本等綜合指標的要求,使得系統的復雜性不斷增加,給信息處理,系統建模及性能預測提出了新的課題。特別是對于航空、核能、通訊、電力等可靠性要求很高的系統，不但要求故障發生時的及時診斷與隔離，更要求對系統和設備的運行狀態和潛在故障進行監測和早期預報，以防止重大事故的發生，保證系統的安全性與可靠性。此外，故障監測和早期預報技術還能幫助企業改革傳統的計劃性維修體制，實現基于狀態監測和故障預報的預測維修體制，提高設備利用率，降低運行成本。因此，故障監測與預報已經成為現代化工程系統的重要問題。如何建立有效、可靠的系統分析方法，對復雜工程系統的行為特性進行綜合分析和評判，以實現對系統和設備的有效監控，仍然是有待解決的問題。 幾十年來，在經典的系統分析理論中，線性系統的頻率響應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的分析與設計。當前對于線性系統的故障診斷與檢測問題已經有了較為深入的研究和比較成熟的方法。然而,  對于非線性系統的故障監測和診斷問題，現有的研究成果有限。一方面，是由于非線性系統的復雜性和多樣性；另外，故障檢測與診斷要求得到系統的在線狀態或參數估計，對非線性系統，其狀態與參數的在線估計手段還并不多。特別是當被測系統存在模型不確定性、噪聲的統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的故障檢測與診斷方法包括[26]：自適應非線性觀測器法、擴展卡爾曼濾波方法、自適應擴展卡爾曼濾波法、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函數 

本章結合非線性頻率特性分析法故障檢測原理推導出了基于 NOFRF 的輸電線路故障監測的算法。運用非線性頻率響應函數對系統固有特性描述的唯一性，建立輸電線路不同運行狀態的頻率響應模式，根據發生故障后傳輸線頻率響應特性的變化，進行故障征兆模式的特征抽取與識別，① 不同的 n 值，對于系統中的兩個連續部分其 n 階 NOFEF 比值是一樣的。 ② 如果系統中的兩個連續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 的非線性系統頻率分析法的發展起著重要的作用，尤其對于多自由度系統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監測與故障診斷模型 ..... 28 

3.4  本章小結 ........... 31 

4  架空輸電線路故障監測與診斷方法研究 .......... 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 ........... 69 

5  電力電纜故障在線監測 ........... 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監測與故障診斷模型 ............76

5.3  本章小結 ...........79 

 

6  電力電纜故障監測與診斷方法研究  

 

6.1  基于 NOFRF 的電力電纜正常運行狀態的特征分析 

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生位置（即此處絕緣材料是逐步老化直至擊穿的），當此處絕緣的電阻 Rf、Cf的值逐漸變化時，電力電纜等效電路參數模型也同時在發生變化，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生變化。水樹枝老化被認為是造成交聯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電纜絕緣中發現“水樹枝”以來，人們一直沒有停止過有關水樹枝引發和生長機理、水樹枝結構及特性的研究。特別是近些年來，一方面，由于水樹枝老化導致早起敷設應用的XLPE電纜絕緣擊穿停電事故呈逐年上升之勢，并不斷造成重大經濟損失，水樹枝現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研究工作。另一方面，伴隨許多新技術新設備的不斷出現將水樹枝激勵及檢測技術研究推向新的階段。 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，會導致在較低的電壓下引發水樹枝，這便是XLPE電纜絕緣中水樹枝的引發及生長特征。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致水樹枝尖端產生電樹枝，電樹枝一旦形成，極可能造成電纜絕緣在短期內被擊穿。 

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結論

 

本文在研究非線性頻率分析方法故障監測原理的基礎上，結合輸電線路故障監測與診斷研究了基于 NOFRF 的輸電線路運行狀態監測及故障診斷。主要研究內容總結如下： 

① 建立了電力載波信號的輸電線路狀態監測與故障診斷模型，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測提供了信號激勵和信號截取仿真實現模型，進而提供了基于 NOFRF 的架空輸電線路的狀態監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測相結合，提出了基于非線性頻率特性分析的輸電線路故障監測與診斷方法，為輸電線路狀態監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、故障發生不同位置情況進行了仿真試驗。仿真實驗結果表明，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生位置，驗證了基于 NOFRF 的架空輸電線路故障監測與診斷的有效性。 

④ 基于 NOFRF 仿真了電力電纜正常運行和電纜不同段出現水樹枝老化故障情況，通過電纜絕緣出現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 值出現畸變時所對應的電力電纜不同段出現絕緣老化的故障信息，仿真實驗結果表明，電纜絕緣出現水樹老化時，NOFRF 方法能準確的識別出故障發生位置。同時對電力電纜發生開路、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測與診斷方法的有效性。 

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參考文獻（略）