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关键词： 交联聚乙烯   电力电缆   电测法   交流电阻  

摘要： 近年来,随着电力工业的飞速发展,电力市场对电力电缆的需求也在不断增加,这就要求电力电缆必须具备更高的绝缘性和可靠性,以满足日益增长的需求。交联聚乙烯（Cross-linked polyethylene,XLPE）电力电缆凭借其出色的电气和理化性能,成为现代电力传输电缆的首选,已经是电力行业中不可或缺的一部分,尤其在城市输配电网络入地工程中的应用更是不可替代。XLPE电缆导体的交流电阻是影响其载流能力和额外损耗的主要因素。对于导体交流电阻的测量,特别是具有大截面XLPE电缆导体的交流电阻测量,目前尚缺乏深入的研究和统一的标准。因此,开展对大截面XLPE电缆导体交流电阻的精确测量以及研究生产工艺对交流电阻值的影响对于导体生产工艺的改进、相关标准的制定以及实际工程选型具有非常重要的意义。本文针对四个电缆生产厂家试制的,电压等级为110 k V,导体截面积为1000、1200、1600、2000、2500 mm2五种规格共22个XLPE电缆样本开展研究,采取电测法进行交流电阻测量。为了减小测量电流波动带来的导体温升对测量结果的影响,分别选择100、200、300、400、500 A作为基准测试电流,结果表明当测试电流幅值为200 A时,电流波动所引发的导体温升不超过0.02℃,既满足测量精度的要求,也满足测量时长的要求。施加200 A的测量电流,在40、50、60、70、80、90℃六个温度下对22个样本开展测量,得到了不同截面XLPE电缆导体的交流电阻值与测量温度的关系,进而推导出大截面电缆导体交流电阻值的温度换算系数α20以及α20与导体截面积的定量关系。与此同时,通过对比22个样本的测量结果,发现导体的紧压系数、导体中单线根数、导体绞合方向、导体内部结构等生产工艺因素会对交流电阻阻值产生影响。为了进一步验证上述生产工艺因素对交流电阻的影响,得到相应的改进措施,实现优化电缆导体生产工艺的目的,对工程中最常用的800 mm2和1600 mm2两种截面的XLPE电缆导体开展交流电阻测量。结果表明,在800 mm2的XLPE电缆中,采用分割导体可以显著降低交流电阻,其降低幅度约为7.5%。采用同向绞合可降低交流电阻值约3.0%;通过提升紧压系数和增加单线根数可以降低导体的交流电阻,其降低幅度约1.3%。对于1600 mm2的XLPE电缆导体,采用漆包单线可降低交流电阻值约9.1%,氧化单线可降低交流电阻值约2.8%;异向绞合可降低交流电阻值约3.9%。在此基础上,考虑实际生产工艺的成熟性及经济性,提出了优化电缆导体生产工艺的具体措施。

关键词： 电力电缆   热老化   典型缺陷   有限元仿真   电场分布  

摘要： 随着城市的快速发展和城市配电网工程的大力推进,电力电缆在城市配网中的作用变得愈发重要。由于优越的电气和理化性能,以及轻便的结构和便捷的安装方式,且不受高度落差的限制,交联聚乙烯(Cross-linked polyethylene,XLPE)电力电缆已成为现代电力传输电缆的首选。然而,由于生产工艺、运输条件、安装工艺和运行环境的影响,电力电缆的本体和中间接头中会难以避免地产生各种缺陷,这些缺陷在运行过程中可能会引发电场畸变,从而加速绝缘老化,甚至引发击穿事故,严重影响电力线路的安全和稳定运行。因此,有必要针对电力电缆本体和中间接头中的缺陷及其所引发的电场畸变开展研究。首先,以35 k V XLPE电缆本体及其中间接头为研究对象,对其中的XLPE和硅橡胶(SIR)绝缘材料进行加速热老化试验,并使用宽频介电谱测试仪对不同老化时间的试样进行测试,得到在不同热老化程度下两种材料的相对介电常数和电导率数值,为后续的仿真研究提供相关材料参数。接着,通过COMSOL有限元仿真软件建立35 k V XLPE电力电缆本体的三维仿真模型,研究电缆本体受潮、外护套破损、杂质颗粒和内半导电层凸起4种缺陷及缺陷尺寸对电缆本体电场分布的影响。结果表明,4种典型缺陷会引发不同程度的电场畸变,其中杂质颗粒引发的电场畸变最为严重,为186.9%;外护套破损引发的电场畸变率最低,为25.7%。在此基础上通过对电缆本体的温度场仿真,构建温度沿电缆径向的分布函数,以不同温度下半结晶聚合物吸氧量函数为桥梁,建立起考虑热老化条件下XLPE相对介电常数沿电缆径向的分布函数,并开展含缺陷电缆本体电场分布仿真。在考虑热老化条件后,靠近外半导电层的缺陷所引发的电场畸变程度随老化时间逐渐升高,靠近内半导电层的缺陷所引发的电场畸变程度随老化时间逐渐降低。最后,通过COMSOL有限元仿真软件建立35 k V XLPE电力电缆中间接头的三维仿真模型,研究预制件破损、主绝缘表面划痕、半导电层凸起、绝缘层杂质及水树枝5种典型缺陷及缺陷尺寸对电缆中间接头电场分布的影响。结果表明,5种典型缺陷会引发不同程度的电场畸变,其中水树枝引发的电场畸变最为严重,为440%;主绝缘表面划痕引发的电场畸变率最低,为21.2%。考虑热老化条件下,绝缘层杂质和主绝缘表面划痕所引发的电场畸变率随老化时间逐渐增大;半导电层凸起和水树枝两种缺陷引发的电场畸变率随老化时间增加降低;预制件破损引发的电场畸变对热老化并不敏感。

关键词： 电缆外护套   故障定位   智能电压降法   高压恒流源   Buck电路   模糊PID  

摘要： 随着城市化进程的快速推进,地下电缆凭借其节省空间、运行可靠等优点而被越来越多的应用在电力网络中。然而随着用电量的增加,电缆容易产生各种类型的故障。在近年检修电缆的统计中,电缆外护套的损坏是电缆出现故障的主要原因,而中压电缆的护套故障数量较多,容易导致电缆故障点处击穿。在电力电缆故障检测过程中通常要经过故障类型判定、故障预定位、路径检测和精确定点四个阶段,在每一个阶段都需要与之对应的检测设备,所以每次进行故障检测都需要携带多台设备,如遇到电缆故障测试车到达不了的现场环境,故障检测作业就会耗费大量的人力、物力和时间成本。基于此设计了一款电力电缆外护套故障定位系统,可用于电缆故障检测过程中的故障预定位和精确定点两个阶段,主要研究内容如下: 首先,总结了电力电缆故障诊断和外护套故障定位的国内外研究现状,对电力电缆结构和常用的外护套故障定位方法进行了分析和研究。基于传统测故障方法改进出了智能电压降法、截面法和智能电压法三种均不受电缆远端短接线电阻影响的故障测距方法。针对测量过程中检测电压值和电流值需保持恒定的问题,进一步研究了高频高压电源的拓扑结构方式,采用Buck电路和全桥逆变相结合的方式来实现对系统输出电压的控制,分析了电源各项技术指标,完成各部分电路的拓扑结构的参数计算和器件选型。 其次,在Simulink中搭建了电源主电路模型,验证了各部分电路拓扑结构选择的合理性,搭建模糊PID控制器模型,仿真分析传统PID和模糊PID两种控制策略下系统输出电压的变化,得出模糊PID控制的系统响应速度更快,抗干扰能力更强且输出稳定性更高。 最后,对电力电缆外护套故障定位系统进行了整体设计。基于ARM处理器设计了电源电路、电源闭环控制电路、信号采集电路、驱动电路、保护电路、蓝牙模块电路等;系统的检测系统过流、过压等故障状态并进行实时保护。完成系统总体软件设计,包括AD采样程序、模糊PID控制程序、PWM驱动波形程序和手持端APP设计等。

关键词： 高压电力电缆   多物理耦合场   载流量   强制通风   低频输电  

摘要： 在国家双碳战略目标驱动下,我国陆地、海上风电等新能源将进入大规模开发和应用阶段。其中高压电力电缆是陆地及海上风电等输电系统的核心电力装备。另一方面,随着城网建设输电容量需求的高速增长,地下敷设电缆逐渐取代架空线路。故随着我国经济社会的快速发展和“双碳”目标的大力推进,现代城市建设和新能源送出对高压电力电缆的应用提出了更为广泛而迫切的需求。电力电缆载流量指线芯导体工作温度不超过电缆绝缘耐热寿命容许最高温度值时所能承载的最大工作电流。当前,电力电缆的电压等级和输送容量持续稳步提升,电力电缆运行条件日趋复杂多变,敷设环境愈发极端恶劣,给现代电力电缆的载流量精确计算带来了诸多新的挑战。主要表现在:复杂工况下电缆载流量利用效率不足。现有载流量计算一般基于二维的近似模型,难以满足现代电力电缆载流量的精确分析与精益设计的需求,更不能实现电缆的低冗余动态运行。因此,准确计算不同敷设方式高压电力电缆的载流量,同时研究并对比分析高压电力电缆载流量提升问题,有助于进一步保障高压电力电缆在工程运行中的安全性及经济性,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。为此,针对复杂敷设方式(包括电缆沟、排管、顶管隧道、电缆舱等)和复杂敷设条件(包括单回、多回、集群等)下高可靠性电力电缆设计中的多物理场分析及载流量精确计算需求,基于磁-热-流多物理耦合场理论和新型数值计算方法,本文建立了可适用于不同复杂敷设、运行工况下的电力电缆载流量计算理论以及电缆载流量提升方法。具体研究内容和成果如下:首先,基于多物理耦合场的数值计算理论和计算方法,提出了高压电力电缆磁-热-流多物理非线性耦合场计算模型和计算方法,以及载流量数值迭代计算方法。基于工程分析和设计需求,仿真计算了电缆沟、排管及顶管隧道敷设方式下高压电力电缆多物理场数值分布规律、损耗特性及载流量;研究了线芯导体截面积、集群敷设回路数及环境温度等因素对载流量的影响规律。研究结果表明,电缆沟敷设方式的载流能力最高,排管次之,顶管隧道最小;当高压电力电缆集群敷设时,环境温度越低、导体截面越大、土壤导热系数越大,电缆载流能力越高。其次,研究了计及强制通风及长距离轴向传热影响下的电缆舱高压电力电缆载流量计算方法。建立了电缆舱敷设方式下高压电力电缆三维长距离多物理耦合场数值分析模型;结合工程运行工况,仿真计算了长距离电缆舱轴向温度场及流场分布规律;计算并分析了强制通风下不同因素对温度分布及载流量的定量影响规律。研究结果表明,强制通风是工程提升载流量的有效措施,风速越大,风温越低,载流量提升效果越显著。最后,研究了高压电力电缆载流量提升技术。综合分析了载流量提升方法,进一步建立了高压海底电缆低频输电多物理耦合场数值分析模型及载流量计算方法。计算、分析了不同型号高压海底电缆在低频输电方式下电缆的损耗特性及载流能力。计算结果表明,柔性低频输电技术可提升电缆热稳极限,电缆截面积越大,载流量提升效果越显著;降低频率可减少电缆总损耗:环流引起的护套及铠装层损耗平均分别降了14.85%、6.34%。因此,柔性低频输电可降低输电损耗,提升电缆载流能力。

关键词： XLPE电力电缆   电磁波   罗氏线圈   电容传感器  

摘要： 110k V及以上电网输电线路中,交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由于其机械性能良好电气性能优良、传输容量大、耐热性能良好等优势已经被广泛应用在电缆线路中。相对于近年来电缆制造业的迅猛发展,电力电缆的故障检测技术发展相对滞后。局部放电(Partial Discharges,PDs)是导致电力电缆绝缘劣化和老化的主要形式之一。因此对电力电缆故障进行监测识别刻不容缓,本论文是在这一课题背景下提出的,对维护电力系统的稳定有着重大意义。 在上述背景条件下,通过理论推导得到电磁波的传播规律,构建三维电力电缆中间接头模型,用COMSOL与MATLAB软件进行仿真,在局部放电信号作用下,测量不同检测点的局部放电信号,通过对不同检测点的接收信号的分析,得到电缆中间接头中电场信号及磁场信号的传播规律,并用现有理论对传播规律进行验证。 局部放电信号在传播过程中以指数规律进行衰减,通过测量不同检测点的能量,得到传感器安装的最佳位置。再通过测量检测点的频带,得到传感器的最佳工作频带,为后续传感器的设计提供理论依据。 设计一种自积分电流传感器,这种传感器可用于检测较高频带的局放波形。通过电流传感器等效原理图得到传递函数中影响影响线圈灵敏度的参数,分析各参数对传感器频带及灵敏度的影响,合理选择各参数对传感器进行优化,使传感器灵敏性满足局部放电的检测的频带要求及灵敏度要求。 在第三章理论分析的基础上,设计一种电容传感器,通过理论分析影响电容传感器灵敏度的因素,通过改变电容传感器的结构尺寸,得到传感器所能接收的信号随着轴向长度的增大而增大,随着半径的增大而减小,最后在保证信号不发生畸变的情况下,合理选择传感器的结构尺寸,并将所测的波形与原始波形比较,验证所设计传感器的可行性。

关键词： JFinal   设备管理系统   信息管理   电力电缆   Weibull  

摘要： 电力电缆作为城市电网的重要组成部分,其运行稳定性和安全性时刻影响着城市的用电安全,电力电缆检测设备有着检测电力电缆故障的功能,是保障城市安全稳定用电的关键设施,电力电缆检测设备随着不同企业研发和设计有着不同的型号和类别,数量众多,其信息管理方面需要花费更多的精力。在如今信息化的时代下,将设备信息通过网络传输和存储,实现数字化和信息化的高效管理已是大势所趋,同时收集和处理设备故障维修信息,可提升设备使用寿命,为设备性能优化和功能改进提供数据参考。因此,本文结合检测设备管理需求和检测设备使用特征研究并设计了电力电缆检测设备综合信息管理系统,以前后端分离设计模式高效管理检测设备综合信息。主要研究内容包含以下几个方面: 首先,基于JFinal框架设计了电力电缆检测设备综合信息管理系统,分析了系统总体架构和功能模块,并结合系统数据库E-R图给出了系统数据表结构和表关系。为了实现检测设备信息的便捷采集和高效管理,选用了前端管理和后端系统的前后端分离设计模式以管理检测设备综合信息。根据系统检测设备生命周期流程信息管理和电缆故障检修案例管理功能分析和系统功能模块划分,分析了系统架构技术的优劣,选用JFinal框架开发系统,并结合前端管理软件uni-app框架技术和后端管理系统Layui框架技术实现系统功能,完成检测设备综合信息的管理。 其次,依据系统功能模块划分和系统总体架构设计,对系统功能模块进行了功能分析和详细方案的设计。为了实现不同检测设备信息的统一管理,分析了检测设备使用特征,制定了检测设备管理流程,并分析了不同信息识别方法,研究设计了检测设备唯一标识的统一管理方案。为了便于熟悉检测设备安装使用步骤,分析了电缆故障检修案例的作用,研究了系统中电缆故障案例信息管理流程,同时结合ELK搜索框架研究并制定了电缆故障检修案例信息检索方案。通过研究分析JFinal框架路由设置功能和系统权限控制需求,详细设计了基于RBAC模型的系统权限管控方案。 然后,对系统中所管理的检测设备故障维修信息和电缆故障数据的处理方法进行了研究,收集处理电力电缆和检测设备的故障数据为后续电缆故障检修工作和检测设备故障维修提供数据案例参考。将电缆中常见故障缺陷气隙放电作为研究对象,使用XFdtd仿真软件搭建了电缆局放缺陷仿真模型,获取电缆故障仿真数据,并搭建了电缆局放缺陷实物模型获取实验数据,通过双参数Weibull分布函数拟合仿真数据和实验数据以验证仿真数据的准确和有效,获取大量具有广泛代表性的故障仿真数据集,形成电缆故障数据库,为电力电缆检修工作提供数据案例参考。结合SimHash算法设计并实现了检测设备故障维修相似信息的处理,依据信息相似度提供故障维修方案参考,同时收集电缆故障维修数据,分析了检测设备故障状态,为检测设备性能优化提供方案参考。 最后,将系统进行功能实现和实例部署,测试系统功能和性能,根据测试结果可知该系统满足预期设计需求目标,可实现检测设备综合信息的高效管理,为后续检测设备的检修和电力电缆的故障检修提供数据案例参考。

关键词： 电力电缆   无人机   图像预处理   神经网络   缺陷分类识别  

摘要： 我国电力工业已进入高速发展阶段,中国电网建设及电缆制造业已经超过大部分欧美国家,逐渐成为全球最大的电力电缆制造的国家。但是电力电缆生产及现场安装的质量和标准不达标现象也逐渐显现出来。电力工人的人工目检形式也渐渐不能满足电缆生产以及安装过程中出现的各种问题,依托于人工目检的电缆检测结果也并不可靠。图像处理技术目前逐渐应用于各个工业领域,尤其是电力电缆外保护层检测领域。为了实现应用图像处理技术对电缆表面缺陷检测的方案,本人做了多方面的研究,主要工作内容如下:(1)从国内外的电缆检测的发展现状及人们的实际需求出发,完成了基于图像处理技术的电缆表面检测的总体方案设计。结合方案的特点以及实际情况,选择搭建以无人机为主的简易图像采集平台,完成了电缆图像数据集的收集与制作。(2)根据实际电缆架设的环境,且无人机电缆图像采集过程中经常受到环境的影响,或者无人机自身的采集图像的元器件过热,就会出现含有噪声的电缆图像。通过对电缆的特点进行针对性分析,对电缆表面图像进行了图像灰度化,图像去噪,边缘检测的图像预处理。通过比较分析图像预处理中的算法,实验结果表明本文改进的算法具有可靠性,效率高等优点,具有一定的可行性。(3)从实际电缆特征出发,并对电缆进行信息提取。研究了SVM和BP分类算法,提出改进的GMO-BP、GMO-SVM多分类算法。同时完成了四种分类模型对电缆三种缺陷分类准确率的测试,其中SVM分类算法的平均分类准确率为89.7%、BP分类算法的平均分类准确率为86.3%,由于SVM和BP分类算法分类准确率较低,因此采用灰狼优化算法对SVM和BP进行了改进,GMO-SVM多分类算法平均分类准确率为93.1%,改进的GMO-BP分类算法平均分类准确率为97.3%,本文只考虑电缆缺陷的识别准确率,故GMO-BP分类算法更能够满足电力巡检时对电力电缆表面缺陷的精细检测需求。(4)为了检修人员检测电缆的便捷性,完成了电缆检测上位机软件的编写,设计了基于MATLAB的人机交互界面。本文所提出的系统方案整体满足预期目标,具有一定的工程实用性。

ISBN: (纸本)9787574404021

关键词： 电力电缆   电缆引燃   天梯电弧   电缆防火检测  

摘要： 随着电网规模扩大,电力电缆在电力系统中的重要程度与日俱增,对电缆防火性能提出了更高的要求。在电缆火灾的诸多起因中,由电弧引发的火灾占比超过50%。故本文以电弧作为试验火源开展电缆引燃与防火性能检测研究,为电缆防火评估及火灾预防提供了重要参考。 首先,本文采用一种基于天梯攀升的电弧火源装置,并对该电弧火源的击穿与维持特性、电弧攀升特性、稳态特性以及等离子体特性进行研究。对于天梯电弧火源,其电极底部间距越大,击穿电极所需的电压越高;顶部间距越大,维持电弧所需的电流越大。电弧的攀升速率则与电极表面光滑程度、底部电极间距以及施加的电弧电流正相关,与电极夹角负相关。电弧稳定后,电弧的高度、弧长以及功率随电弧电流以及电极顶部间距的增大而增大,且增大电弧电流可提高电弧火源温度。随后针对一起因铠装层互联错误造成外护套引燃的电缆火灾进行分析,结果表明电弧火源装置在温度以及火源传热效果方面可实现对该火灾中电弧火源的等效。 其次,本文以高压电缆中的常见防火材料制作试验样本,依托氧指数试验平台与垂直燃烧实验平台,分别采用电弧火源与传统燃气喷灯火源开展防火性能检测试验。结果表明,在氧指数检测中由于引燃时间较短,试验受火源类型影响较小,而主要与电缆材料性能相关。在垂直燃烧检测中,由于相同功率下电弧火源温度远高于传统火源,且温度更集中传热更迅速,检测时电弧火源使试样表面温度更高,其导致在电弧火源下试样燃烧更剧烈。因此对于相同试样,其在电弧火源下的防火性能表现明显劣于以传统火源进行检测。 最后,在标准化电缆通道内开展电弧引燃高压电缆的试验,研究发现电缆引燃过程可分为电缆阴燃、出现明火以及电缆燃烧三个阶段,通过对CO、HCl气体以及PM10烟颗粒浓度进行监测可反应早期电缆引燃。进一步地,依照作用方式将电缆防火产品分为阻止火焰纵向穿越、阻止火焰横向穿越、阻止火焰在表面蔓延以及扑灭火焰四类。随后依次对含防火产品的电缆开展燃烧试验,采用熵权TOPSIS法对试验参量进行整合,并通过对比各样本与理想距离的相对接近度,建立电缆整体防火性能的评测方法,实现对电缆整体防火性能的评估。

关键词： 电力电缆   有限元   敷设方式   温度场   载流量  

摘要： 载流量是电力电缆传输能力的最重要指标之一,准确地评估电力电缆载流量对于提升电力电缆线路的传输容量,提高电力电缆工作可靠性和运行经济性,延长其使用寿命有着重要意义。但是,电力电缆在实际工程中敷设环境恶劣而且复杂,这给载流量的准确测量或计算带来了很大的困难。基于上述原因,本文以110 k V和35 k V交联聚乙烯(Cross-linked polyethylene,XLPE)电缆为研究对象,采用COMSOL有限元软件建立了不同敷设方式下的这两种电压等级电缆仿真模型,对电缆的温度场分布及载流量数值进行了计算,研究了不同敷设方式对电缆温升和载流量的影响。具体研究内容如下:首先,介绍了热传导、热对流和热辐射这三种传热方式的导热微分方程,以及所对应的温度场边界条件,基于传热学分析了直埋敷设和沟道敷设的多物理场计算原理,利用COMSOL有限元仿真软件分别建立了直埋敷设和沟道敷设方式下XLPE电缆及不同环境的仿真模型。其次,在直埋敷设的基础上考虑了回填沙土、加盖混凝土保护板、装设套管等多种因素,建立电磁场、热场和流体场的耦合模型,分析了直埋敷设方式下的上述几种因素对电缆温度场变化及载流量的影响。结果表明,回填沙土能够提升电缆载流量,但随着回填沙土厚度的增加,电缆载流量的提升速度逐渐变缓;加盖混凝土保护板提升载流量效果不明显,与不加盖混凝土保护板时相比提升幅度小于0.5%;在排管内填充高导热材料可提升电缆载流量,与无填充情况相比,三相均填充高导热材料与中间相填充高导热材料、其他两相填充低导热材料对载流量的提升幅度均高于50%。最后,研究了沟道敷设对电缆温升和载流量的影响。结果表明,沟道内敷设的电缆为同一电压等级时,敷设的回路数越少,电缆的载流量越高;对于110 k V和35 k V电缆而言,由三回路减少至两回路时,载流量分别被提升了9.55%、8.86%。电缆间距对载流量提升有较大影响,载流量随电缆间距的减小而逐渐下降,尤其当间距小于电缆半径时载流量下降幅度较为明显,电缆紧挨排列时载流量的下降幅度最大。对于沟道内等距敷设不同电压等级电缆时,高电压等级电缆的载流量有所提高,低电压等级电缆的载流量与回路排列位置相关,即位于高电压等级电缆上方时载流量有所提高,反之,有所下降;沟道内不等间距敷设不同电压等级电缆时,各电压等级电缆的载流量升降与回路排列位置无关,均呈现下降趋势,且低电压等级电缆的载流量下降幅度明显。多回路电缆不规则混杂敷设时,沟道内温度场分布极不均匀,各电压等级电缆载流量大幅度下降。