电力电缆故障检测及预警系统的设计

电力电缆故障检测及预警系统的设计

周威林

国网江苏省电力公司南通供电公司江苏南通226001

摘要：电缆接头温度严重影响电缆的绝缘寿命，传统的电力电缆监控系统通过采集电缆接头温度，当监测到电缆接头温度大于阈值时再进行处理，此时可能已经发生电缆故障。重点研究如何实现电缆故障预判，通过合适的算法提前判断电缆接头存在故障的可能性。因此提出利用灰色ＧＭ（１，１）模型建立电缆接头温度预测模型，实时预测电缆接头在下个周期内的温度，将该模型的预测值与阈值进行比较，当预测值大于阈值时，电缆便存在发生故障的趋势，系统发出告警信号。

关键词：电力电缆；接头温度；灰色ＧＭ（１，１）模型；预判电缆故障

引言

电力电缆在城市输配电系统中起着连接枢纽的作用，随着电力系统的发展，电缆的数量也越来越多。由于电力电缆工作运行时间较长，且其工作的环境较恶劣，同时由于其他破坏性因素，容易对电力电缆造成严重的破坏，严重时会导致用户停电，给社会生产、生活带来巨大的损失。因此为了保证电力电缆的正常运行，维持电网的安全和稳定，研究准确可靠的电力电缆故障监测和预警系统意义十分重大。目前研究的电力电缆在线监测系统取得了良好的工程效果，但类似系统均是在电缆发生故障后进行处理，此时故障已经发生。本文设计的基于灰色GM（1，1）模型的电力电缆故障监测及预警系统，重点利用电缆接头温度预测模型对电缆运行状态进行监控，同时为了保证电缆运行环境的安全，设计了系统辅助监控功能，对电缆运行环境中的水位、可燃气体浓度、是否井道有非法闯入等行为进行监控，以达到对电缆进行全面监控的目的，提高了系统运行的安全性。

1电力电缆温度预测原理

根据工程实践发现，电力电缆接头出现故障是一个长期积累的过程，由于电缆接头处温度的持续升高，以及电缆接头处电流逐渐增加，会导致电缆的绝缘性能大幅下降，长时间运行后，电缆接头便会出现故障。温度检测是电缆在线监测的一项重要手段，电缆的老化或者负荷的增加都会一定程度上通过芯线导体的温度反映出来，电力电缆导体以及附件损耗的增大或者接头处的局部电流的增大，都会导致电缆导体温度上升。因此可以通过采集电缆接头处的温度来判断电缆是否出现故障。温度信号可靠性很高，而且容易测量。电缆接头处温度的大小与电缆接头处电流有一定的关系，根据经验统计，电流与电缆接头温度呈正相关，本文提出利用灰色GM（1，1）模型[”一”〕建立电缆接头温度预测模型。灰色GM（1，1）模型在研究灰色系统中有着重要的应用，在灰色系统理论建模过程中利用某种变换得到新的序列叫做“生成”，灰色模型一般利用累加生成来减少原始序列的波动性和随机性。本文利用灰色GM（1，1）模型建立电缆接头温度的高精度预测模型，通过预测电缆接头温度的趋势，达到提前判断电缆是否会出现故障的目的。

2电力电缆在线监测系统介绍

2.1在线监测系统的架构组成

在线监测系统主要包括三个部分：污秽泄漏电流监测子系统、微气象区气象信息监测子系统、危险点视频图像信息监测子系统。（1）污秽泄漏电流监测子系统污秽泄漏电流监测子系统，主要由七个部分组成，分别为泄漏电流卡环、电流传感器、信号处理单元、数据采集器、保护装置、环境温湿度分析系统、专家系统。该系统的环境适应能力很强，能够在气候恶劣条件下进行高精度检测。（2）微气象区气象信息监测子系统该系统主要在线监测输电线路所处环境的温度、湿度、大气压力、风速和风向等参数。系统在采集这些参数信息之后，需要对信息进行压缩处理，然后选择合适的通讯方式将数据传输至监测中心。监测中心的专家分析系统会对线路污染情况进行分析，同时将分析结果以报表、统计图或者是曲线图的方式展示给用户，一旦出现异常情况，分析系统会自动报警，并且自动向工作人员的手机发送预警短信。（3）危险点视频图像信息监测子系统该系统的主要功能是判断电力电缆输电线路当前覆冰量的大小以及导线的舞动幅度，判断依据是导线的重力变化和震动频率变化。系统将分析后得到的数据传输至监测中心，经过专家分析系统的进一步分析预测覆冰的程度以及发展趋势，以便进行及时预警，并且辅助工作人员制定预警方案。

2.2在线监测系统的软件设计

电力电缆输电线路在线监测系统的软件设计基于B/S模式体系结构进行。该体系结构有效结合了WEB和数据库，最终形成基于WEB的计算模式，该计算模式很容易在Internet网络中应用。软件系统的设计可以分为五步进行：系统分析、基本结构设计、组件设计、应用程序设计、系统调试。软件系统的运行程序是基于C++语言编制的，在WindowsS2000Server平台上运行。程序功能非常强大，可以提供报告查询、专家诊断等功能。

2.3在线监测系统的硬件设计

在线监测系统的硬件部分主要包括监测系统、硬件电路、传感器调理电路、系统电源、无线数据通讯。监测系统的组成上文已经做了详细分析，接下来分析其它部分的设计。硬件电路主要包括六大模块，分别为：数据监测模块、电流泄漏传感器、温湿度传感器、数据通讯模块、电源变换模块、管理模块。传感器调理电路的设计要求功耗低、抗干扰能力强、运行稳定。该部分的主要作用是通过变换外部泄漏电流的微弱信号，将信号转变成A/D能够正常处理的信号。系统电源部分的设计要确保在线监测系统能够全年每天都保持24h持续供电，使得监测系统正常运行所需电源得到保证。监测分机则可以采用太阳能供电，采用硅电池进行储电。无线数据通讯主要是实现主机和分机之间的通讯，方便数据传输，功能的实现主要借助于GSM网络，数据传输稳定，打破了传输距离的限制。

2.4电力电缆运行状态监控

电力电缆发生故障分为内因和外因，内因主要是由于用户负荷增大、电缆绝缘层老化等，电流变大，导致电缆接头温度升高，电缆接头长时间处于高温状态会严重影响电缆绝缘特性，因此需实时监控电缆接头温度。对于电力电缆故障预测系统，软件设计方面增加了基于灰色GM（1，1）模型的电缆接头温度预测模块，将智能终端实时采集的电缆接头温度值导人该模块，经过计算便能实时显示电缆接头温度的预测曲线，当预测值超过阑值，同时预测值保持该趋势时，电力电缆出现故障的概率很大，会触发预警系统，通知运维部门对异常点进行现场勘查，以减小故障发生的可能性，系统软件温度监控界面。

2.5电力电缆辅助状态监控

电力电缆故障外因由环境因素引起，包括：井道中液体水位浸没电缆、可燃气体引起的爆炸、人为破坏等。设计的电力电缆辅助功能监控系统，其系统前端通过电流传感器采集接地线上电流的大小、水位传感器采集电缆井浸水位的数值、可燃气体传感器采集环境可燃气体浓度以及红外光电开关采集非法闯人行为等，通过现场智能终端设备将各类传感器采集的信号转换成数字量信号，通过光纤线路将数据传输到远程的上位机，通过上位机程序对采集的数据进行实时显示、分析电力电缆的运行状况以及发出故障报警。

3结语

本文重点分析了电力电缆故障的形式及产生原因，概述了目前常用的电缆监测的方法，给出了利用灰色模型在电力电缆温度预测中的成功应用。以上电力电缆故障监测及预警系统实现了对电力电缆运行状态的在线监测。系统通过对电缆接头温度、电缆工作环境中的各物理量的远程监控，实现电力电缆在线监测及实时报警，便于提前或及时发现运行中的异常情况，解决了之前现场检测周期长而导致的不能及时发现故障的问题。通过现场的实验运行，系统能长时间稳定运行，采集的数据精度高，信号传输稳定，当有故障发生时，可以及时报警通知，具有良好的应用性。

参考文献：

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