随着发展的需要,城市供电电缆化趋势日益显著。截至2017年底,全国在运35kV及以上电力电缆已有62,760 km。高速的电缆化进程背后是多元化的城市电网结构和多样化的电缆敷设形式及环境,这也导致了电缆故障修复时间长、停电损失大。不同于架空线路,电力电缆具有多层金属结构,这也造成短路故障下各层金属结构之间的电气关系更加复杂,传统的传输线故障定位方法难以进行准确、有效的故障定位。本文基于电力电缆结构特征分析,结合传输线方程、安培环路定理、电偶极子理论和索末菲积分建立了精确的高压单芯电缆线路护层电流计算模型,提出了高压单芯电缆线路的故障区段定位判据和区段内精确定位判据;针对线路参数部分缺失的高压电缆线路和中压三芯电缆线路,提出一种基于无监督学习的行波故障定位改进方法,针对行波到达时间的识别进行了改进,使其能够在信号存在噪声或时间偏差的情况下,准确有效的识别出行波的到达时间。最后,结合上述故障定位方案,完成了基于护层电流在线监测的故障定位系统设计,形成了一套完整的电力电缆故障定位方法体系。具体完成了以下研究工作:(1)系统分析了电力电缆的结构特征,分析了多层金属和绝缘结构结构的作用和特点;结合传输线方程、安培环路定理、电偶极子理论和索末菲积分建立了精确的高压单芯电缆线路护层电流计算模型,研究了正常运行和短路故障条件下护层电流感应回路的变化,揭示了短路故障下高压电缆线芯导体和金属护层的电磁耦合定量变化关系,阐明了高压交叉互联电缆区段两端护层电流工频相位差和故障点位置关系的敏感性。(2)基于高压单芯电缆线路护层电流计算模型,系统分析了故障电流的影响因素,研究了正常运行和不同故障条件下护层电流的分布规律,提出了一种利用高压电缆区段两端护层电流相位差进行故障定位的方法。对于由多个完整交叉互联段构成的长电缆线路,可通过金属护层区段两端的电流工频相位差P(section)进行完整交叉互联段(major section)的故障定位和完整交叉互联段内的区段(minor section)定位,若P(section)∈(90°,270°)则该区段为故障区段,否则为非故障区段;最后利用故障区段两端护层电流工频相位差与故障点距离之间关系曲线进行故障定点。(3)针对线路参数部分缺失的高压电缆线路和中压三芯电缆线路,在行波法故障定位原理的基础上利用无监督学习方法对行波到达时间识别进行了改进,从而实现了故障点精确定位。其中,为降低实际可能存在的噪声信号、同步的时间延迟等随机性误差,同时监测多组受故障影响的护层电流,形成一个高维数据矩阵,利用t-SNE算法根据数据的全局和局部特征对数据进行降维,从而消除因少数信号存在时间偏差引起的误差;利用DBSCAN算法根据数据的密度实现聚类,从而降低噪声影响。(4)研发电力电缆故障线路故障定位装置及系统。提出了由数据采集模块、通讯模块、安装在云服务器上的故障定位软件、电缆工程师终端等多维元件组成的在线故障定位系统。在中压三芯电缆线路上进行了故障定位试验,在一条110 kV电缆-架空线试点线路上安装了研制出的故障定位系统。中压电缆上的短路故障试验结果验证了本文故障定位方法的有效性,安装于试点线路上的在线故障定位系统成功采集到一起区段外短路故障数据,并做出了正确的故障区段判定,对该区段外故障的案例分析证实了基于护层电流在线监测的故障定位系统的有效性。