教学课程资源库 更多>>

关键词： 电力电缆   局部放电   光纤检测系统   直线型Sagnac干涉机理  

摘要： 局部放电通常是电力电缆和电缆附件绝缘击穿的前兆，实现对电力电缆局部放电的检测与分类识别，对于其绝缘性能评估和故障诊断至关重要。局部放电声波信号可反映电力设备的状态，本文分析了局部放电声波的产生机理，采用基于直线型 Sagnac结构的光纤检测系统对局部放电声波信号进行提取，搭建了电缆局部放电实验平台测试了这套系统的检测性能，对局部放电声波信号进行特征提取以及模式识别，具体研究内容如下：　　（1）局部放电伴随着声波信号的传播，本文从局部放电的机理开始，讨论了局部放电的电路模型，同时分析了局部放电的产生原因。研究了局部放电声波信号的产生原理及发展过程，并对其声学特性进行了研究，进一步探讨了局部放电强度与声波信号强度之间的关系，从而揭示了局部放电信号的变化规律。此外，分析了局部放电声波信号对光纤中的光信号相位的影响，同时对直线型 Sagnac 的光纤传感技术的局部放电声波特性检测方法进行理论研究，为后续光纤检测系统的设计提供了理论基础。　　（2）以传统的直线型 Sagnac 干涉结构为基础，围绕信噪比、解调方法、频率响应、偏振状态四个方面的性能提升对光路结构进行改进，设计了双路信号放大处理电路，对微弱的信号进行电流/电压转换、滤波、放大处理，有效消除了系统高频噪声。之后设计基于现场可编程门阵列（FPGA）的数据采集、处理、传输、显示单元，设计下位机人机交互界面，将信号通过 LCD 液晶屏进行显示，基于 Qt 平台设计局部放电上位机监测系统，实现了局部放电信号显示、报警、存储、推送等功能。　　（3）搭建了局部放电与光纤检测系统实验平台，构造了气隙放电、沿面放电、划伤放电三种放电所对应的绝缘缺陷，开展了 10 kV 交联聚乙烯（XLPE）电缆局部放电实验，测试了直线型 Sagnac 光纤检测系统的性能。性能测试结果表明，在视在放电量0~200 pC 范围内，声波信号幅值与视在放电量为线性关系;系统可以对原始干涉光信号进行有效解调;在 50 pC气隙放电的情况下，系统信噪比可达到 69.5 dB，信号主频成分可达 496 mV。接着提取了三类局部放电信号的局部放电时间分布（TRPD）图谱的时域、频域、时频域特征，以及局部放电相位模式（PRPD）图谱的特征。之后本文将提取到的41维特征数据制作成特征向量数据集，并搭建麻雀优化算法-深度置信网络（SSA-DBN）模型对数据集进行分类识别。实验结果表明，SSA-DBN识别的准确率达到了 98.3%，优于 DBN、反向传播神经网络（BPNN）、支持向量机（SVM）三种算法的识别准确率。

关键词： 故障诊断   故障定位   DRSN算法   行波测距   EEMD  

摘要： 电网框架调整和城市规范化建设要求使得城市供电电缆化趋势日益显著。高速电缆化进程背后是多样化的电缆敷设形式和多元化的城市电网结构,为切实保障电缆供电可靠性和降低停电事件给社会生产与居民生活造成的损失,研究如何实现对电力电缆故障的快速定位具有重要的意义。本文主要研究内容如下: 针对上述问题,结合电力电缆故障特性及现场需求,本文以监测分析电缆护层电流信号深度时序特征为基础,融合接头处温度及相关环境参数作为辅助信号,并应用信号特征分析、数据驱动和边缘计算等技术对电力电缆故障诊断与定位方法进行研究。同时设计了电力电缆故障诊断与定位系统,该系统包括服务层、边缘层、异构融合网关以及交互层。针对电缆电流信号复杂多变、噪声干扰大等问题,首先利用谱减法、小波阈值降噪及自适应抵消降噪法三种降噪法进行对比实验,选用自适应噪声抵消降噪作为本文电缆电流信号降噪算法。接着利用EEMD对降噪后的电流信号分解,通过相关系数筛选出符合要求的IMF分量,最终输入基于DRSN-GRU-Attention的电缆故障诊断模型。电缆故障诊断模型主要分为输入层、DRSN层、GRU层、Attention层和输出层。经过预处理的电流数据作为输入,通过DRSN层提取特征,GRU层与Attention层从DRSN输出特征中学习电力电缆故障变化规律实现故障诊断功能,最终输出层输出得到电力电缆运行状态结果。 在电缆故障性质检测完成之后,对故障距离进行初步定位至关重要。为此,本文采用基于故障行波时域暂态特征的测距方法实现电力电缆故障定位功能。采用频带提取的方法,实现故障暂态行波的重构,解决了电缆波阻抗不连续造成的行波折反射复杂问题,并通过Matlab仿真结果验证,该算法在不同的故障距离、故障电阻和故障类型下均表现出良好性能。 将本文研究成果应用在淮南矿业集团丁集煤矿配电室高压电缆并进行测试,现场应用表明,本系统实现了电力电缆故障的精准监测,达到了预期设计目标,保障了电力系统安全稳定运行,为煤矿安全生产提供了保障,具有一定的理论意义和工程应用价值。 图[61]表[14]参[82]

关键词： 电力电缆系统   智能化   传感技术  

摘要： 电力电缆系统作为电力输配的重要组成部分，其性能直接影响电力系统的整体运行效率和安全性。传统电力电缆系统存在维护成本高、故障难以预测等问题，亟需通过智能化技术进行改造和升级。智能电缆系统可以通过传感技术、信息技术、自动化技术的集成应用，实现对电缆状态的实时监测和智能化管理，从而提高电力系统的整体运行效率和安全性。基于此，本文重点论述了智能电缆系统的组成、工作原理、研发过程以及应用实践，包括状态监测、故障诊断、寿命预测和运行优化等关键功能，展示了其在电力输配电系统中的实际应用价值和效果，以期为电力行业提供一种可靠且经济的解决方案。

关键词： 330kV架空线-电缆混联线路   ATP-EMTP   绕击过电压   反击过电压   多重雷击  

摘要： 目前随着城市建设的高速发展,长距离超高压架空线-电缆的混合输电形式已经成为必然走向。由于超高压输电线路较长因此非常容易遭受雷击,当雷电击中线路时会在线路上引发雷击过电压,尤其是在电缆线路接入系统之后,这一问题相较于架空线路更加显著和复杂。此外雷击事件中约80%的落雷为多重雷击且放电过程通常不会仅集中于一个点。因此,研究330kV架空线-电缆混联输电线路的多重雷击过电压问题具有重要的理论意义。 本文应用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件搭建了 330kV架空线-电缆混联输电线路仿真模型,对输电线路遭受多重雷击引起的过电压进行了仿真。计算了多重雷击330 kV架空线-电缆混联输电线路所引起的绕击过电压和反击过电压,考虑了落雷位置、雷击距离、雷击时间间隔以及不同波形雷电流等因素对雷击过电压的影响,并采取了相应的过电压抑制措施。 研究结果表明在发生绕击时,架空线路上产生的雷击过电压幅值高达1.88MV。相同条件发生反击时,架空线路上的过电压幅值显著降低至768.4kV。电缆线路产生的过电压幅值通常低于架空线路。三种不同类型的雷电流对线路产生的过电压幅值均随着雷电流幅值的增大而升高,其中后续雷电流导致的过电压幅值增幅最大且线路的反击耐雷水平最低,仅为40.8kA。 连续绕击时架空线路上过电压幅值高达5.6MV,电缆上过电压幅值为966.4kV。连续反击时架空线路上过电压幅值可达3.46MV,电缆侧过电压幅值为525.2kV。连续绕击和连续反击时架空线路上过电压幅值分别为线路遭受首次雷击时过电压幅值的2.98倍和4.5倍。多重雷击下线路上的过电压持续时间明显增多,过电压波形振荡频率更高且过电压上升时间也更快。多重雷击的时间间隔越短,在线路上产生的过电压幅值越高。 降低接地电阻可以有效降低线路上的反击过电压并提升其反击耐雷水平,但对绕击过电压和波形为0.25/100μs的雷电流引起的反击过电压抑制效果有限。在架空线路上合理安装避雷器可以将架空线路上多重雷击引起的绕击过电压幅值和反击过电压幅值限制在997.8kV和749.9kV,电缆线路上绕击过电压幅值和反击过电压幅值分别被限制在604.5 kV和390.4kV。 上述研究结论对330kV架空线-电缆混联输电线路的防雷建设有一定的参考价值。

关键词： 局部放电   定位   XLPE电缆   电磁时间反演   时空聚焦  

摘要： 随着电力系统的发展及社会的需要,各种场景下对供电安全性和可靠性的要求越来越高。交联聚乙烯(Cross-linked Polyethylene,XLPE)电缆近年来得益于标准的工艺和设计结构,良好的电气性能和安全可靠的优点,在电网中已得到越来越广泛的使用。但随着电缆使用的环境变化及年限的增加,由电缆引起的事故频发。因此,本文对影响电缆局放电流的因素进行了研究,同时对XLPE电缆上的局放定位展开了深入研究。 本文首先基于XLPE电缆的横截面建立仿真模型,研究气隙与导体的间距、气隙大小、供电电压对局放电流的影响;其次,基于传输线理论,建立了分布式电路模型,等效不同长度的XLPE电缆,假设局放位置,利用传输线理论计算特征参数,将计算结果结合仿真模型,将电流信号遍历电缆线,再结合2-范数极大判据计算电流能量峰值,确定局放位置。最后,仿真结果与到达时间差法对比,定位精度有明显提升。研究表明:改变气隙与导体的间距、气隙大小、供电电压时,气隙离导体越远,局放电流越小;局放电流及放电时间随着气隙尺寸的增加而增加;局放电流随着供电电压的增大而增长;电磁时间反演方法对XLPE电缆上的局放定位精度较高,误差约为0.4%,相较于传统的到达时间差法定位精度提高了0.4%。该方法有效提高了定位精度,为电力电缆线的局放定位提供了数据支撑,具有一定的现实意义。

关键词： 局部放电检测   φ-OTDR   啁啾脉冲   频分复用   现场可编程门阵列  

摘要： 局部放电检测作为一种重要的故障预警手段,在电力电缆的运行和维护中至关重要。相对于常规的局部放电检测方法,以相位敏感光时域反射仪(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,φ-OTDR)为代表的分布式光纤传感方法具有抗电磁干扰、长距离分布式检测、无源等优点,但存在信噪比不足、频率响应范围受限、数据量大实时性差等问题。本文提出了啁啾脉冲调制、频分复用调制以及现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)加速解调的性能优化方案,实现φ-OTDR的高信噪比、高频响、高实时性监测,并通过电力电缆局部放电检测实验验证了其性能。主要研究内容如下: (1)研究了电力电缆局部放电的产生机理,构建了局部放电的等效电路模型,通过电-力-声类比的方法分析局部放电超声信号的特征,并研究了其传播特性和频谱特性,为局部放电分布式光纤检测系统的设计提供理论基础。 (2)针对传统φ-OTDR系统检测局部放电信噪比不足的问题,提出啁啾脉冲调制及松弛迭代预失真优化脉冲的方案,提升了探测脉冲的能量;针对频率响应范围受限的问题,采用频分复用技术提升信道容量;将啁啾脉冲调制与频分复用融合,在一个探测周期内,用多个不同频率的啁啾脉冲进行调制,设计匹配滤波器实现脉冲的压缩和多频信道的分离,同步提升系统的信噪比和频率响应范围。实验证明该方法将相位还原信噪比提升了8.2 d B,频响范围从10 k Hz提升至50 k Hz。 (3)针对系统实时性差的问题,提出基于FPGA的数据采集与信号处理方案。通过混频运算完成拍频信号的频谱搬移,采用有限冲激响应低通滤波器去除二倍频分量,提升采样效率;利用匹配滤波器实现脉冲压缩和信道分离;设计了基于数字坐标旋转的幅相计算方法;对差分累加算法和相位还原算法进行了并行优化,实现了多频啁啾调制的φ-OTDR系统数据高效解调。实验证明2×10～5个相位数据点的运算耗时由173 s降低至2 s,有效提升了系统的实时性能。 (4)搭建了电力电缆局部放电检测实验平台,对所设计的分布式光纤检测系统进行性能验证。实验证明该系统可以对电力电缆局部放电进行实时定位和超声信号还原;对比传统φ-OTDR,多频啁啾调制φ-OTDR系统检测信噪比由原来的20.3 d B提升至24.4 d B,可以准确检测20.8 k Hz的局部放电超声信号;选取了三类典型绝缘缺陷,对局部放电超声信号进行特征统计分析,结果表明可以有效区分三类不同故障。

关键词： 电力电缆   温度分布   风机管理   电弧特性   绝缘引燃  

摘要： 随着城市的不断发展,管廊电缆在输配电领域中的应用越来越广泛。温度是电缆运行的关键指标,直接决定了电缆安全状态,若管理不当易产生电弧故障,导致火灾事故,严重影响供电可靠性,因此有必要对电缆温度及其影响下的电弧引燃特性开展研究。 本文首先建立改进的电缆解析计算模型,在热路模型中考虑多根电缆之间的热辐射作用,根据电缆所处的管廊位置,进行适应性对流换热系数的计算,对比有限元法的温度结果,表明改进的方法兼顾温度计算的准确性和时效性。在管廊电缆温度计算的基础上,提出了管廊内风机功耗优化控制策略。以90℃作为电缆导体温度的约束条件,采用改进粒子群算法优化管廊风机的运行方案,最大限度地降低风机功耗,节约管廊运行成本。同时,采用模型预测控制方法消除负荷预测误差的影响,增强了管廊风机控制策略的适用性。 针对电缆过热引发的电弧故障,基于磁流体动力学理论在COMSOL软件中建立了交流电弧仿真模型,获得了电弧和电极温度场的分布结果。此外,分析了电极间距、电极类型和环境温度对电弧温度场和电极温度变化的影响规律,为后续电弧引燃电缆绝缘实验提供理论基础。 针对电弧引燃电缆的问题,基于铜-碳电极搭建了电弧引燃实验平台,记录电弧发展过程中的形貌特征,电极两端电压和电流的波形变化,以及电极的温度分布。利用交流电弧引燃交联聚乙烯和聚氯乙烯两种电缆绝缘材料,探究绝缘温度对电弧引燃电缆绝缘的影响特性,在此基础上分析绝缘厚度和绝缘类型对电弧引燃的影响规律。通过对比相同时间内,不同绝缘的引燃时间和燃烧剧烈程度,获得了电弧对电缆的引燃特性。 本文改进了管廊电缆的温度计算方法,提出了管廊风机的优化运行控制策略,研究了热影响下电弧对电缆绝缘的引燃特性,对电缆运行安全具有一定的理论意义和实践价值。

关键词： 电力电缆   温度监测   单模光纤   拉曼测温   Golay编码  

摘要： 在我国城市化快速发展的背景下，大规模的基础设施建设与老旧电缆系统的广泛存在对电力电缆安全监测技术的需求显著增长。电力电缆作为电力输送网络的关键组成部分，其运行稳定性对确保供电质量、输电线路的安全性和可靠性至关重要。然而，传统电缆温度监测方法如热红外成像、点式温度传感器，存在监测精度不足和难以实现长距离电缆的分布式测温等局限。相比之下，基于拉曼散射效应的光纤温度测量方法具有长距离监测、抗电磁干扰、外形灵活、本质安全和长期稳定等显著优势，因此被广泛视为电力电缆温度在线监测的最佳选择。　　为了克服分布式光纤拉曼测温技术在测量距离和温度分辨率方面的挑战，尤其是在电力电缆温度在线监测领域的运用，经过对电缆温度场的深入分析，建立了电缆的等值热路模型，并利用COMSOL有限元仿真验证了该模型的计算正确性。针对分布式光纤拉曼测温系统面临的主要技术挑战，特别是在使用多模光纤时受模间色散影响造成的信号损耗和失真，本文选择单模光纤作为传感介质，并利用其在长距离光信号传输中的低损耗特性构建了基于Golay编码的单模光纤拉曼测温系统。采用基于Golay编码的自适应阈值优化算法来优化累加平均算法，从而显著提高了系统的传感距离和测温精度。在解决分布式光纤拉曼测温系统在测量距离和温度分辨率方面取得成功的基础上，完成了样机的集成。具体的研究工作如下：　　（1）探讨了电缆的结构以及三种主要的热传递机制。通过利用热场和电场之间的相似性，构建了等效热路模型，用于模拟电缆表面温度至导体温度的转换过程。利用COMSOL有限元分析软件建立了电缆温度场模型，包括建立控制方程和设置边界条件。通过验证电缆热路模型的准确性，为实时监测电缆导体温度奠定了理论基础。　　（2）探讨了单模光纤拉曼测温系统的传感理论。首先介绍了基于光时域反射技术的定位原理、自发拉曼散射原理、拉曼散射温敏以及温度解调原理。其次分析了影响长距离传感的两大因素：一是入射光功率过大产生受激拉曼散射，从而影响温度解调;二是增加脉冲宽度导致空间分辨率下降。最后，提出了以Golay编码为基础的单模光纤拉曼测温系统的整体设计方案，确定了系统的关键组件，并对其性能参数进行了详细分析。　　（3）探讨了Golay编码的基本原理及其在单模光纤拉曼测温系统中的应用。采用Golay编码技术成功提高了系统的信噪比和传感距离。理论分析和实验验证了累加平均算法在去噪方面的有效性。针对传统累加平均算法在提升测温精度方面存在的局限性，提出了一种创新的基于Golay编码的自适应阈值优化算法。该算法结合了Golay编码、粒子群算法和小波降噪方法，能够动态调整小波阈值，以实现更优异的降噪效果，从而显著提升了测温精度。　　（4）搭建了电力电缆分布式测温系统的实验平台，并设计了包括DFB激光器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器、波分复用器和光电探测器的样机组合。经过样机性能测试，在45km单模光纤范围内，系统末端信噪比提高了7.2dB，光纤末端测温精度达到了±2.5℃，单次测量时间约60s。最后，通过现场实验验证了电缆导体温度计算公式的准确性，证实该样机满足电力电缆测温需求。