摘要：与架空输电线路相比，电缆线路具有供电可靠性高、占地面积小、美化城市等优点。电力电缆线路在城市电网得到了越来越广泛的应用，部分城市电网的电缆化率达到80%以上。与此同时电缆故障率也逐年增加，停电事件时有发生，通过对电缆事故的统计分析，发现外力破坏以及设备老化是电缆破坏的主要原因。尤其是外力破坏，占电缆故障的一半。通过对施工现场的考察发现，施工设备在作业时发出的声音较大，而且不同的设备所发出的声音有着各自的特征。因此本系统以机械设备作业的声源、振动源作为特征进行识别，在外力机械破坏电缆通道之前识别机械作业并预警，及时制止外力破坏的发生，保障电缆安全、稳定运行。
关键词：在线监测，声源，振动源，外力破坏
0.引言
随着城市改造步伐的不断加快，35kV及以上等级高压电缆的高密度、大长度广泛应用，电缆在城市电网中所占比重越来越大。近年来，城市建设迅速扩张，地铁、高架建设及河道整治等大型市政工程全面展开，电缆防外力破坏形势日趋严峻。与此同时，社会优质服务要求越来越高，舆论监督与政府监管等外部运营环境日趋严苛，城市电网的供电可靠性要求越来越高，同时电缆具有隐蔽性特点，电缆故障查找困难，故障抢修的时效性无法保证，传统的电缆及通道管理无法满足电缆新形势运行要求。
1.当前国内外关于本研究的进展现状
随着高电压技术、现代电力电子技术、计算机技术、通讯技术和电缆故障定位技术的发展，在线监测技术已经比较广泛的应用于各种电压等级的高压输电线路中，如架空线路行波测距，故障录波等。对于高压电缆故障定位，超过一个世纪以来，定位方法与电缆应用同步发展，定位原理难有创新，但具体仪器及应用方法不断改进，形成了初测定位及精确定点各有二三种方法及相应的仪器，这些检测设备大都采用离线检测方式。
2.防外破预警系统研究
本系统基于声源、振动源和物联网技术，解决电缆外破实时监测，从而保障电缆安全稳定运行。
（1）定位技术
运用高灵敏度振动传感器安装在电缆井壁上，高灵敏度振动传感器可以检测到（0-50）米范围内的振动信号，采集采集打桩机、破碎锤、挖掘机、切割机，手持风镐在非常安静的环境下的单独作业的振动指纹，同时采集打桩机、破碎锤、挖掘机、切割机，手持风镐在环境噪声较大的环境下的振动指纹，验证各种打桩机、破碎锤、挖掘机、切割机，手持风镐振动指纹的识别算法，最终确定每种施工机械的识别算法。
（2）识别技术
110KV的地下电缆通常每隔500米就会有一个智能接地箱。而声源定位装置可以通过杆子垂直树立于智能接地箱上空。驻极体传感器安装示意图如下图所示。
图1 声传感器阵列
四个传感器两两相隔0.5米，同一个声源产生的声波传至驻极体传感器会有时间差，根据三个时间差就能推断出声源所在位置。声源识别定位装置的主控制器的存储器中内置有各种外力破坏和电缆故障的声源特征，通过MUSIC算法、LPCC算法和基于统计分析的工程机械设备声音识别算法对机械施工非法外力破坏进行识别定位，同时对对电缆故障进行初步定位，再通过电缆井道的光源采集模块实时监测电缆本体故障时发出的电弧，通过多种途径进行电缆故障定位，从而准备判断电缆故障位置。
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3.系统研究的关键技术
（1）声阵列识别定位技术
声源定位技术最早应用于美国军方对坦克、狙击枪等多种军事武器的类型识别及定位领域，本项目拟采用该技术对地下电缆防机械外力破坏实时监控，识别范围可达（0-500）米，定位精度达到（±15）米。通过声阵列模块对破碎锤、挖掘机、打桩机、切割机对电缆通道进行实时监测，施工开始后立即输出机械类型数据、机械声音强度数据、施工位置数据。声阵列模块通过以太网接口将5类数据实时传输至电缆运行状态监测平台，电缆运行状态监测平台接收到声阵列数据后立即在电缆监测平台弹出报警窗口，并通过电话和短信方式通知相关电缆管理人员。
（2）振动源识别技术
通过振动传感器模块对破碎锤、挖掘机、打桩机、切割机这5类施工机械的振动信号实时监测，在施工开始后立即输出机械类型数据、机械振动强度数据。振动传感器模块通过串口接口将5类数据实时传输至多参数监测节点，由源信一体通讯模块将数据实时传输至电缆运行状态监测平台，电缆运行状态监测平台接收到振动传感器模块的振动类型和振动强度数据后立即在电缆监测平台弹出报警窗口，并通过电话和短信方式通知相关电缆管理人员。
（3）非闭合互感取电技术
非闭合互感取电电源是新一代基于无线能量传输技术的电能采集装置，本装置能吸收单相线缆周围的电磁能量转化为电能，为安装在附近的电气设备提供稳定的电源，可用于电缆在线监测、防盗、控制等系统，与传统的电流互感器(CT)电源相比，具有输出功率密度大、输出电压稳定、抗磁芯饱和、自身发热小、免维护的优点。本项目拟采用本技术对系统提高稳定可靠的电源。
（4）源信一体的地网通信技术
源信一体的地网通信技术采用最新一代PBUS两线载波通信方式，总线通信节点稳定通信距离可达1公里，节点设备无须专门供电，节点模块即插即用；可以与GPRS、光纤、以太网灵活组网，支持UDP、TCP数据传输；根据网路环境支持专网、公共通信；解决了以往各节点间通信需要专门电源线、组网复杂、传输距离近、信号不稳定的问题，尤其适用于无电源供应的地下空间通信组网。被誉为光纤通信的最后一公里解决方案。
4.结论
（1）本系统通过声源、振动源阵列传感器采集不同环境下，不同声源目标的声源设备信号特征，建立外力破坏的声指纹特征库，并且研发出相应的定位算法，可以实现识别外力破坏的机械类型和定位；同时在现场试验验证后，可以识别并定位打桩机、挖掘机，切割机，冲击锤，手持电镐5种常规机械外力破坏，满足现场防外力破坏需求。
（2）本系统已经初步完成识别、定位外力破坏距离150米，但是现场本系统由于供电、占地和通信等问题，需要在接地箱处取电、通信，以及结合接地箱安装传感器，不再占用额外土地。接地箱密度大约500米左右，因此本系统的识别和定位距离需做到250米，提高识别距离是接下来需要研究的方向。
参考文献
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[2]黄振宁，冯璨，杨波，孙晓斌，韩克存，吕学宾，苏永智，刘颂菊，基于“互联网+”的输电通道防外力破坏管理[J].电网运维.2018.8:第33-37.
[3]段庆权，马 辉，杭 帅，赵守强，高压输电线路防外破体系的构建和应用[J].电力安全技术.2018.8:第4-7.
论文作者:吴成才
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/18
标签：电缆论文; 声源论文; 外力论文; 传感器论文; 故障论文; 技术论文; 数据论文; 《电力设备》2019年第8期论文;