项目

名称

基于温差发电的XLPE电缆环流故障检测系统

（一） 项目简介

XLPE电力电缆具有优良的电气特性，对增强电力系统的供电可靠性具有关键性作用，广泛应用于城市电网电能传输中，及时了解电缆运行状态，提高实时监测的灵敏性对保证电力系统安全及经济运行具有重要意义。

电缆在其制造过程中难免存在绝缘气隙与突起等局部缺陷，在长期运行过程中必然会受到外界不利因素影响，使得电缆绝缘介质中容易形成水树枝、进一步发展成电树枝等绝缘老化现象。我国对电力电缆的在线监测研究起步较晚，长期以来主要采用预防性试验进行维护，这种离线检测方法耗时耗力，不能及时发现故障或缺陷。研究表明，接地环流值与电缆负荷电流值有关联，与电缆绝缘电阻有关联，因而可通过测量接地环流值来判断电缆绝缘状况。

本项目拟设计一套XLPE电缆环流故障检测系统，系统采集电缆环流瞬时值，采用轨迹分析的方式对其进行故障诊断，并通过故障时刻电流加大产生的温差实现检测系统供电。

（二） 研究目的

电缆运行时不同参数有着不同的表现形式，各参数反映绝缘老化或故障的灵敏度也有所不同，因此将“多参数综合评估思想”引入到电缆的状态评估中，可以充分利用各项绝缘参数来准确、高效地进行电缆的状态评估，加强检测精准度、解放劳动力、减少经济损失。

环流检测装置主要依靠感应线圈取电或光伏太阳能电池供电。24小时不间断的对环流进行测量十分耗电，并无意义。当电缆发生绝缘故障时会产生大量的热量并在线路上传递。通过对热量变化的感知可以识别故障状态与正常状态。利用故障产生的热能对检测装置供电可节省用电消耗，提高检测系统环保性。

（三） 研究内容

本项目拟设计一款基于温差发电的XLPE电缆环流故障检测系统，其特征在于：通过在线监测系统采集电缆金属护套接地环流参数，构建同一时间段内两种参数综合起来的轨迹图。利用数字图像处理技术分析比较该轨迹图与正常情况下的差异情况，分析其长轴变化率，旋转角变化率，离心率变化率，面积变化率，来精确地进行故障诊断。系统利用温差发电片充当辅助电源的功能给环流检测系统供电。用隔热垫片做成盒子，温差发电片的热面位于盒外，用导热硅胶使之贴在电缆绝缘接头内连接管处，冷面处于盒内。当电力电缆发生故障时，电缆线芯电流增大，因而连接管内温度迅速增加，隔热垫削弱传送至冷面的热量，热面与冷面温度差升高，产生电动势给稳压芯片，而后给传感器及运放供电，检测系统处于工作状态，传送环流值至监控中心并报警。当电缆正常运行或已经发生故障很久时，发电片两面温差很小或为0，检测系统处于停止运行状态。散热器用于降低冷面温度。

（四） 国、内外研究现状和发展动态

温差发电技术的基本原理是塞贝克效应，其内容是：将P型和N型两种不同类型的热电材料的一端相连形成一个PN结，并使之一端处于高温状态，另一端处于低温状态，由于热激发的作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，由于存在浓度梯度，使得空穴和电子向低温端扩散，产生电动势，通过热电材料热端和冷端之间的温度差实现了热能向电能的直接转化。由于一个PN结所能形成的电动势非常小，因此在实际应用中将很多PN结按照一定的方式连接起来，以获取足够高的电压。导热硅胶片可以很好的填充接触面的间隙,将空气挤出接触面,空气是热的不良导体,会严重阻碍热量在接触面之间的传递;有了导热硅胶片的补充,可以使接触面更好的充分接触，真正做到面对面的接触.在温度上的反应可以达到尽量小的温差。

当前温差发电技术尚未得到在电力设备故障检测领域得到大规模推广应用，主要应用于汽车船舶尾气利用和能量回收、小型制冷装置制造及太阳能发电等。

目前电缆绝缘或故障监测方法有温度检测法、直流成分法、绝缘介质损耗法、局部放电法、行波定位法等。仅提供电缆表面温度信息的电缆在线监测系统无法满足相关业务部门的使用要求。基于行波理论的测距方法在频变电缆的故障定位中，由于频变特性导致波头难以捕捉，反射波在经过较长的电缆线路传播后，波头幅值衰减较大，易受到干扰信号的影响。国内对国外的在线监测技术和方法进行了跟踪研究，虽也取得一定成果，但因起步较晚，相对缺乏自己的电缆在线监测结果积累，加上现场干扰、方法本身存在缺陷及监测装置的精度制约等问题，仅用单一方法通常无法准确进行电缆的状态评估，导致评估存在不确定性。

电缆运行时不同参数有着不同的表现形式，各参数反映绝缘老化或故障的灵敏度也有所不同，因此将“多参数综合评估思想”引入到电缆的状态评估中，可以充分利用各项绝缘参数来准确、高效地进行电缆的状态评估。国内学者提出了一种证据理论与模糊理论集成的XLPE电缆状态评估研究，验证了混合诊断系统有效性，但没有在复合监测参数选择和数据处理上实现创新。杨静、朱晓玲等提出用复合监测方法选用负荷电流及环流作为测量参数，选用比值法作为数据处理方式，但该方法不能反映变化趋势。国外学者提出一种基于大数据分析的变压器多参数在线监测内部故障的方法，通过测量变压器输入输出电压差值及变压器输入电流对变压器内部绕组短路、轴向位移、机械变形等故障进行检测，利用二维轨迹图实现多参数融合利用。该方法为本项目提供了参考价值。

（五） 创新点与项目特色

提出一种基于温差发电的XLPE电缆环流故障检测系统，该系统充分利用电缆故障产生的热能实现检测系统供电，可实现能量高效利用，降低能耗，符合节能减排需求。提出了一种基于环流轨迹分析的高压电缆故障诊断方法，有效利用轨迹图特征参数如长轴、短轴、倾斜角、离心率等数值进行故障诊断，使监测有直观的图像和参数进行对比，解决了采用单一参数检测遇到的准确度不足的问题。

（六） 技术路线、拟解决的问题及预期成果

1.技术路线：整个系统框架图如图1所示，系统由以下部分组成：环流信号采集模块、信号无线传输模块、远程综合信息管理系统。其中，信号采集模块主要包括原始信号采集、信号处理电路、辅助电源。

图1 系统整体框架图

辅助电源为温差发电模块如图2所示。温差发电片装在电缆接头内，用隔热垫片做成盒子，温差发电片的热面位于盒外，用导热硅胶使之贴在电缆绝缘接头内连接管处，冷面处于盒内，引出两线连接传感器及运放电源引脚。

图2 温差发电模块图

原始信号采集模块通过电流传感器从金属护层两端接地线与护层交叉互联处采集环流信号，如图3所示。

图3 原始信号采集图

使用信号处理电路放大信号同时消除信号中的高频噪声。信号无线传输模块主要是把实时监测的相关数据传送给远程综合管理系统监控中心。最后由监控中心负责接收传感器采集到的金属护套电流信号。

采集装置将数据传至现场RTU远程终端，通过基站利用GPRS网络传至远程综合信息管理系统将数据进行拟合与分析，得出故障轨迹图，如图4所示：

图4 故障轨迹示意图

不同的故障对轨迹的影响不同，选取椭圆特征参数分析其变化规律即可实现故障定位和故障判别。每一个故障的轨迹是独一无二的，具体判别方式如表1所示，依据长轴、短轴、离心率、倾斜角的变化情况确定故障类型及故障点。

表1 故障判据

开支科目                    

预算经费

（元）

主要用途       

阶段下达经费计划（元）

该项目具有一定研究意义，且有较好的研究基础及应用前景，同意指导。

导师（签章）：

年  月   日

专家组组长（签章）：

年  月   日

负责人（签章）：

年  月   日

负责人（签章）：

年  月   日