《Results in Engineering》：Automation and Robotics in High-Voltage Underground Cable Systems: A Systematic Review of Installation, Jointing, Inspection, and Maintenance
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高压(HV)地下电缆对于可靠的电力传输和电网扩展至关重要。然而，其安装、检测和维护过程耗时、成本高昂且易受人为错误影响。因此，实现这些过程的自动化对于有效的电缆运维至关重要，本综述聚焦于自动化与机器人技术在地下高压电缆系统中的应用。本综述对五个关键技术领域进行
高压(HV)地下电缆对于可靠的电力传输和电网扩展至关重要。然而，其安装、检测和维护过程耗时、成本高昂且易受人为错误影响。因此，实现这些过程的自动化对于有效的电缆运维至关重要，本综述聚焦于自动化与机器人技术在地下高压电缆系统中的应用。本综述对五个关键技术领域进行了综合梳理：(1)用于电缆剥皮、接续、检测和维护的机器人系统；(2)用于缺陷检测和位姿估计的人工智能与计算机视觉；(3)状态监测与故障检测技术；(4)建模、仿真与数字孪生；以及(5)电缆接续技术、可靠性与指南。研究结果证实了交联聚乙烯(XLPE)绝缘和交叉互连技术的广泛采用，同时机器人技术、人工智能(AI)和数字化监测的集成度不断提高。然而，在现场验证、热管理和标准化方面仍存在相当大的空白。因此，本综述综合了当前的研究现状，并概述了高压电缆自动化和维护的未来方向，以确保电力系统基础设施的可靠运行。
**1. 引言**
论文指出，2023年全球电力需求约达30,000 TWh，需通过高压(HV)地下电缆传输至负荷中心。传统人工电缆作业已无法满足电网快速扩展和降低故障率的需求，自动化与机器人技术在电力系统运维中受到广泛关注。现有综述多孤立探讨电缆材料、安装实践和状态监测技术，缺乏与新兴机器人及人工智能(AI)自动化技术的系统集成。本文采用基于PRISMA的系统综述方法，对114篇同行评审研究进行综合分析，涵盖安装、检测、维护、接续技术、状态监测和数字孪生应用。
**2. 系统综述方法**
通过Google Scholar及IEEE Xplore、ScienceDirect、SpringerLink、Wiley Online Library和MDPI等数据库检索2015至2026年文献，共识别1,059条记录，经时间筛选、全文审查和资格评估后，最终保留114篇研究进行定性综合。
**3. 地下电缆系统：基础与安装**
**3.1 电缆结构与绝缘材料**
现代高压地下电缆由导体、绝缘层、金属护套和外护套组成。交联聚乙烯(XLPE)因优异的热性能（最高运行温度90°C）、低维护需求和环境兼容性成为主导绝缘材料。中压(MV)领域常用抗树枝化XLPE(TRXLPE)和乙丙橡胶(EPR)，超高压(UHV)下XLPE仍展现良好特性。
**3.2 安装方法**
主要安装方式包括直埋（农村地区）、管道系统（城市）、水平定向钻(HDD)（穿越工程）和隧道（高容量城市安装）。HDD已成功应用于高达345 kV的高压电缆，可最大程度减少地表扰动。
**3.3 海底电缆系统：比较视角**
海底电缆面临类似的安装、接头可靠性和状态监测挑战，中间接头占故障的58.1%，与地下电缆统计一致。锚损坏占记录故障的75%，基于遥控潜水器(ROV)的检测和实时声学威胁检测技术日益可转移至面临类似第三方破坏风险的地下城市廊道。
**3.4 交叉互连用于护套电流抑制**
交叉互连通过分段护套和换位连接重新分配感应电流，减少局部发热。研究表明单点互连可将电缆段从500 m延长至2.21 km并具有更优成本效益；仿真显示两点互连可产生高达160 A的循环电流和900 V的护套电压，增加故障风险。
**3.5 热管理与载流量**
温度变化对电缆所有部件产生应力，载流量取决于导体材料、绝缘类型、安装配置和土壤热阻率。垂直和平面布局可实现不低于三叶草排列的载流量。高温超导(HTS)电缆提供大容量传输潜力但技术复杂且成本高。
**3.6 传统人工方法的局限性**
人工剥皮和接续危险、不一致且依赖操作技能；人工检测主观且耗时，易遗漏微小缺陷；传统维护依赖定期计划检查而非连续实时评估，无法捕捉间歇性故障和渐进退化；人工流程缺乏物理操作与数据分析的集成。
**4. 高压电缆系统的自动化技术**
自动化涵盖三个互补技术层：物理层（机器人系统）、智能层（人工智能）和数据与分析层（状态监测与数字孪生）。
**4.1 电缆剥皮与接续机器人系统**
针对XLPE绝缘高强度特点，研究者开发了级联PID+反向传播神经网络(BPNN)控制的剥皮机器人，在95 mm
2电缆上展现出优于经典PID的稳定性和速度跟踪性能。经遗传算法和粒子群优化(PSO-GA)优化的模糊神经网络PID(FNN PID)展现了最佳自适应性、鲁棒性和稳态性能。半导体层去除机器人集成了切割、深度控制、驱动和位置跟踪子系统，在1.0 mm容差内达到89%的位置跟踪精度。
**4.2 检测与维护机器人系统**
变电站检测机器人采用自适应蒙特卡洛定位与射频识别(RFID)系统集成。电缆隧道巡检机器人具备自主检测、消防和故障识别功能。无人机搭载机器人可在138 kV带电导体上实现异物清除。仿尺蠖运动的电缆行走机器人速度达1.1 m/s。7自由度仿生自绝缘机械臂采用介电材料和柔性绳索实现固有自绝缘，在220 kV电压下最大电场强度为74.3 kV/m，支持隧道受限空间内电缆护套的近距离全覆盖检测。
**4.3 人工智能用于感知与缺陷检测**
改进YOLOv8螺栓检测方法平均精度(mAP)提升9.9%，模型缩减至1.7 MB。改进YOLOv5s结合SE-DarkNet在工业环境检测XLPE接头表面缺陷表现稳健。融合空洞空间金字塔池化(ASPP)和卷积块注意力模块(CBAM)的YOLOv8模型对管道残留物检测mAP达97.6%。单目视觉惯性导航系统(VINS)-同步定位与建图(SLAM)框架实现40 cm内定位误差，适用于无人机检测任务。
**4.4 状态监测与故障检测**
监测方法分为物联网(IoT)与无线监测、数据驱动故障检测、非侵入式传感和机器人检测四类。基于IoT的故障检测系统利用分压器和ESP32微控制器识别缺陷接头故障。光纤布拉格光栅(FBG)传感器实现导体温度连续监测，现场运行显示高温期需调整载流量额定值。基于巨磁阻(xMR)传感器的非接触式局部放电(PD)检测系统实现MHz带宽和10 pC灵敏度。图注意力网络(GAT)模型利用12个护套电流测量值诊断二十种故障类型，准确率达90.67%，优于传统神经网络14.41%。
**4.5 建模、仿真与数字孪生**
有限元分析(FEA)显示XLPE在500 kV电缆中电场应力低于EPR，温度相关电导率显著影响负载下电场分布。10 kV接头瞬态分析显示合闸操作在应力锥根部产生高达2.08 kV/mm场强。MATLAB/Simulink仿真表明两点互连可产生160 A循环电流和900 V护套电压。数字孪生(DT)框架集成实时数据采集、虚拟模型和区块链系统，改善故障定位和数据安全管理，某应用报告维护成本降低60%、寿命可能延长至60年。动态故障率模型优于静态CIGRE模型；时延优化模型实现22.2%生命周期维护成本降低；基于连续时间马尔可夫过程(CTMP)的温度相关故障率模型预测的故障概率比恒定速率模型高99%。
**5. 高压电缆接续技术、可靠性与指南**
针对30-500 kV电缆端接和接续的研究涵盖技术风险、技能要求、接头工资格框架和质量保证文档。数据驱动方法可使电缆加热时间减少40%、半导体层剥离减少45%、总接续时间减少30%。护套电压建模表明单点互连在特定长度范围内比交叉互连更具成本效益。热管理方面，便携式散热系统提高了接续作业安全性，保持至少80%导体绞线接触可维持热稳定性，低频频涡流方法可估计电缆带材含水量。
**6. 研究空白与未来方向**
关键技术空白包括：密集城市布局热管理研究不足；高温超导(HTS)电缆长期可靠性数据有限；机器人对电缆变异的适应性不足；复杂背景下小目标检测困难；实时预测性维护缺乏；机器人电缆处理统一标准缺失；AI监测基准数据集缺乏。论文将城市热管理、机器人适应性和小目标检测列为高优先级研究方向，并提出分阶段实施路线图。
**7. 讨论**
论文提出三层集成自动化框架（物理层、智能层、数据与分析层），强调层间双向数据流的重要性，并指出现有实现尚不具备该特征。这是首篇系统集成机器人、AI、状态监测和数字孪生于高压地下电缆系统的综述。建议公用事业采用分阶段路线图：先部署无人机视觉检测，再推进机器人接续，最后实施关键馈线状态监测，并积极参与CIGRE、IEC等标准化组织的工作。
**8. 结论**
对114项研究的综述确认XL
