1.     背景

随着城市建设的不断发展，相应的城市供电设施也随之迅猛发展，电缆作为输电电力的载体在城市下方逐渐形成了一个规模庞大的供电网络，由于电缆分布众多，如何提供电缆运行效率和保障电缆运行安全是当前电力部门所面临的重要问题。

电缆的绝缘结构中往往会由于加工技术上的难度或原材料不纯而存在气隙和有害性杂质，或者由于工艺原因，在电缆绝缘层与半导电屏蔽层之间存在间隙或半导电体向绝缘层突出，在这些气隙和杂质尖端处极易产生局部放电(PD)。同时，在电力电缆的运输、安装过程当中也可能会产生各种绝缘缺陷导致局部放电。电缆线路设备老化或受损后，会在绝缘结构中产生局部放电现象，并引起局部发热。长期放电容易导致电缆绝缘被击穿，进而引发线路故障跳闸。

潜伏性电缆故障不及时消除会发展为永久性故障，甚至发生火灾事故，造成重大经济损失，并且修复周期长。而且电缆敷设环境复杂，电缆火灾对市政管线、电缆隧道、地铁、包括地面设施和人员安全也会造成巨大威胁。因此对电缆的运行状态实现实时在线监测，对保障供电以及电力安全生产有着重要的意义。

《国家电网公司输变电设备状态监测系统标准化设计方案》中指出：输变电设备状态监测系统建设的总体目标是面向公司坚强智能电网建设要求，建立“两级部署、三级应用”的统一输变电设备状态监测系统和标准开放的信息技术框架，规范各类输变电设备状态监测装置的数据处理、接入和控制，实现重要输变电设备状态的实时监测和评估等功能。

电缆在线监测故障预警系统，采用物联网、互联网、5G、地理信息、三维、大数据、云计算等信息技术，构建“物理-信息-价值-环境”深度融合，去中心化的云边协同计算和数据驱动的主动运维，可实现电缆设备运行状态的实时监测、预警、分析、诊断等功能，满足电网公司等企业对于电力电缆监测的相关要求。一旦某个测点有异常，系统会发出报警，协助管理人员前去现场排查故障，提高供电可靠性。

2.     目标

电缆在线监测故障预警系统，以电网智能化运行管理为目标，集成各种在线监测技术，对电缆线路的运行状态进行实时监测，主要包括故障监测、温度监测、局放监测、接地环流监测，实现电缆异常及故障状态的预警、报警以及事故事后分析，实现电缆运行状态的动态评估，实现电缆线路运行状态的多维展示等。

系统投入运行后，可达到常规的电缆运行维护工作可通过系统完成，相关管理人员的工作重点逐渐转向监测尚未覆盖到的电缆线路，不能实现监测的领域。

3.     必要性

(1)   电缆在线监测故障预警系统采用实时的状态检修代替定期检修，不用再等到电缆突然故障停电引发事故了才知道，变“事后为事前，被动为主动”。

(2)   计划检修处理电缆故障时，可根据故障类型、故障位置，提前做出检修方案，做到“不打无准备之仗”。

(3)   电缆在线监测故障预警系统实时为运行中的电力电缆提供24小时的专家服务。

4.     系统架构

电缆在线监测故障预警系统主要由暂态电流传感器、接地环流传感器、高频局放传感器、测温光纤、电缆综合监测装置、计算机、客户端软件（web、app）等软硬件部分组成。

5.     系统功能

电缆在线监测故障预警系统，针对电缆运行状态中电缆故障、接地环流、电缆绝缘状态、温度进行监测和诊断，消除潜在故障，提前检修，保障电缆系统运行安全。

5.1.  电缆故障监测

电缆故障监测功能，基于行波定位原理，在电缆故障发生后，快速精确定位故障点。通过监测故障点产生的行波传输到电缆两端监测终端的GPS时间差，即是A、B监测终端主峰波头对应的时间差，与行波在电缆中传播的速度关系，分析计算故障点距离监测终端的位置。

(1)   测试项：电缆绝缘状态监测；

(2)   设备：暂态电流传感器；

(3)   设备参数

Ø  定位精度：0.2%*L±5m（L为电缆长度）

Ø  授时精度：≤20ns

Ø  量程范围：10pC-100000pC

Ø  测量频带：0.1-30MHz

5.2.  电缆接地环流监测

电缆接地环流监测功能，将电缆护套环流的大小及相对变化量作为电缆状态的判断依据，实时监测金属护套环流及其变化量，即可实现电缆接地环流在线监测。通过电缆接头处安装环流监测装置对接地环流信号和本体电流进行检测和采集，数据传输到后台系统分析处理诊断评估电缆状态。

(1)   测试项：电缆接地电流监测；

(2)   设备：接地环流传感器；

(3)   设备参数

Ø  采样速率：100KS/s

Ø  准确级：不低于0.5级

Ø  采样精度：12bit

Ø  测量范围：0~1000A，可根据需要定制量程：200A，400A，600A，800A，1000A

5.3.  电缆局放监测

电缆局放监测功能，采用宽频带脉冲电流测量方法，通过电缆头处安装局放监测装置，对局部放电信号进行检测和采集，采集到的数据通过光纤或无线传输到后台系统，进行数据分析处理评估电力设备的绝缘缺陷状态。

(1)   测试项：电缆局放监测；

(2)   设备：高频局放传感器；

(3)   设备参数

Ø  最小量放电量：5pC

Ø  采样频率：100MS/s

Ø  相位分辨率：0.1°

Ø  测量频带：500kHz~30MHz

Ø  放电脉冲分辨率：10 uS

Ø  转移阻抗（测量灵敏度）≥15mV/mA

5.4.  电缆分布式光纤测温

电缆分布式光纤测温功能，采用分布式光纤测温技术对电缆温度进行在线监测，通过电缆表面敷设一根测温光缆实现电缆温度的监测，光纤主机对检测的数据分析处理后，将数据传输到后台系统。

(1)   测试项：电缆表面温度监测；

(2)   设备：测温光纤；

(3)   设备参数

Ø  连续分布式测量，测量距离远

Ø  适用于远程监控寿命长，成本低，系统简单

Ø  灵敏度搞，测量精度高，空间分辨率：±1m定位精确；1m温度分辨率；0.1°温度精度

5.5.  电缆运行状态的动态评估

电缆运行状态评估功能，整合在线监测、GPS定位、智能巡检等信息，采用多维动态分析技术，对电缆线路运行状态健康状况进行动态评估，为科学安排巡视、检修、试验等计划提供依据，实现由“周期管理”向“状态管理”的转变。

6.     安装部署

6.1.  以1回高压电缆为例：

在每回电缆上安装一套双端电缆故障定位装置（含2台3通道故障定位采集单元，6只高频传感器）。

在每回电缆接地处安装一套接地环流监测装置（含1台4通道环流采集单元，1只工频电流传感器及3只环流传感器）。

在每回电缆接地处安装一套局放监测装置（含1台4通道局放采集单元、3只局放传感器及1只工频相位传感器）。

在电缆表面敷设测温光缆，并考虑15%的余量；测温光缆每2km需使用光缆接续盒进行接续连接。

7.     解决问题

1.      降低巡视工作量

巡视人员，可以根据监测评估报告，有针对性的对重点位置，重点线路段进行巡视。

2.      提高电缆线路运行状态的实施管控能力

通过平台可使管理人员全面及时了解电缆线路运行状态，从而保障电缆线路的稳定运行。

3.      实现了状态评估，为应急指挥工作提供辅助决策

对电缆线路运行状态及健康状况进行动态评估，自动生产状态信息报告，总结出制约电缆线路安全运行的综合因素，积累经验，更好的为应急指挥与状态检修工作提供理论依据。

4.      实现巡检作业标准化、规范化、巡检轨迹的可视化

实现巡检工作的标准化、规范化管理及巡检轨迹回放，为状态检修工作增添科学化的技术手段。

5.      实现对设备基础数据统一管理及数据更新

在系统实际应用过程，通过现场数据对比，可对基础设施数据进行补充和完善，保证文档资料信息的实时性。

8.     其他应用场景

电缆在线监测故障预警系统，还适用于超高压单芯电缆的主绝缘故障预警和护层环流检测。