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关键词： 电力电缆   故障定位   集合经验模态分解   参数选取   模态混叠  

摘要： 在城市现代化建设的背景下,城市建设更加重视空间资源的合理开发,因此相对于架空线路,地埋电力电缆的应用更加广泛。由于电缆敷设在地底,当地埋电力电缆线路发生故障时,维修人员不易观察到电缆故障位置,因此快速准确地定位故障点,有利于确保电网稳定运行。目前电力电缆故障定位方法主要应用集合经验模态分解算法,但是集合经验模态分解算法(EEMD)在参数设置、模态混叠方面存在不足,造成电力电缆故障定位结果误差大。因此本文提出一种基于改进集合经验模态分算法的电力电缆故障定位方法,利用脉冲法得到电力电缆故障波形,利用改进集合经验模态分解算法来确定故障点位置。本文的主要研究内容如下: (1)分析电力电缆故障定位相关理论。本文分析了电力电缆等效模型;分析电力电缆行波理论,包括行波的波动方程、电缆的波阻抗和电缆中行波速度的推导公式;分析行波的透射、反射和折射理论。详细分析经验模态分解(EMD)和集合经验模态分解的算法原理和流程。 (2)集合经验模态分解参数优化。本文首先分析了遗传算法(GA)的流程,详细介绍了遗传算法的选择操作、交叉选择和变异操作,分析了遗传算法在种群初始化的不足;接着分析了思维进化算法(MEA)的种群寻优能力;最后本文结合思维进化算法的趋同操作和异化过程,对传统遗传算法进行改进,提出了基于遗传算法和思维进化算法的MEA-GA算法,对EEMD算法参数种群进行寻优,得到EEMD算法的最优参数个体。 (3)集合经验模态分解模态混叠优化。一方面本文分析了辅助信号法抑制模态混叠的基本原理;另一方面分析了复数据经验模态分解(CEMD)算法流程;最后本文将辅助信号法与复数据经验模态分解相结合,提出了改进集合经验模态分解算法(MEEMD),减小模态混叠对集合经验模态分解的影响。 (4)通过软件仿真和实验,对改进集合经验模态分解算法进行验证。在仿真环节,本文通过PSCAD仿真软件,搭建了电力电缆低阻故障仿真模型和高阻故障仿真模型。作者通过MATLAB对PSCAD中得到的电缆故障波形进行算法处理,利用改进集合经验模态分解算法剔除故障波形中的无效分量,根据故障波形中的有效分量完成故障定位。在实验环节,作者利用信承瑞技术有限公司的电力电缆线路,获取电缆故障信号,将改进集合经验模态分解算法得到的定位结果与实际故障距离对比,对改进集合经验模态分解算法的应用价值进行验证。

关键词： 电力电缆   故障定位   故障诊断   Teager能量算子   注意力机制   变分自注意自动编码器  

摘要： 经济发展和城市建设使电网对电力电缆的需求剧增,同时也对其安全运行提出了更严格的要求。电缆的广泛应用也伴随着故障概率的增大,而电缆往往于地下铺设,因而故障定位及检测难度大。若故障没能及时发现,其产生的大量热量可能导致恶劣的火灾事故,造成严重的经济损失甚至威胁人身安全,因此对电缆故障进行快速准确的定位及诊断对于电力系统安全运行具有重要意义。 本文基于PSCAD平台完成了电缆故障定位的仿真建模,并且通过Matlab对行波信号进行处理分析。提出采用变分模态分解来处理行波信号,在根据多尺度排列熵的大小去除了噪声占主导的分量后将信号重构,然后通过检测重构信号Teager能量算子的模极大值来进行故障定位。在行波信号分解方法的研究上,将本文方法与小波变换模极大值检测法进行比较,验证了本文方法的优越性。提出通过三次样条插值的方法来弥补硬件设备采样频率的不足,更有利于行波波头的捕捉,提高了定位精度。分别在信噪比为15/20/25/30的情况下对故障定位进行了研究,验证了本文故障定位方法良好的抗噪声鲁棒性。将定位方法应用于普通电缆线路、带有连接头的电缆线路以及考虑老化的电缆线路,并且针对短路以及开路两类故障进行研究,经验证本文方法均能实现高精度的故障定位。 基于PSCAD平台搭建了35k V电缆供电系统的仿真模型,研究了正常状态以及各种短路故障状态和开路故障状态下的电压电流特点。以仿真平台输出的电压电流数据作为故障诊断算法研究的实验样本,提出使用将正交注意力机制(OA)与变分自注意自动编码器(VSAE)结合的方法(OA-VSAE)来进行不良状态检测以及故障特征的深度提取,然后通过麻雀算法优化的极限学习机(SSAELM)来进行故障诊断。对各种短路、开路故障进行了诊断实验,结果表明本文OA-VSAE-SSAELM故障诊断模型不仅能够快速准确地进行不良状态的检测,还能够实现故障类型的区分,并且提高了运行状态监控的可解释性,能够对电缆供电系统中保护装置的改造升级提供一定的理论依据。最后将本文方法与CNN、OA-VSAE-ELM、VSAE-SSAELM、OA-VSAE-SVM进行对比,验证了该方法在电缆故障诊断中的优越性。 该论文有图70幅,表12个,参考文献65篇。

关键词： 电力电缆   介损测量   0.1Hz超低频   信号提取  

摘要： 电力电缆作为城市电网的重要输电方式,其安全运行是保证电力系统稳定性的前提。电缆绝缘层在聚合过程中残余水分、绝缘老化或接头密封不严进水后,会在运行电压作用下形成水树枝并逐渐发展为电树枝,最终导致电缆发生端头和中间接头进水后的击穿事故,因此需要加强对电力电缆绝缘水树老化的检测。0.1Hz超低频电压下电力电缆绝缘介质损耗特征明显,能够反映水树退化引起的极化损失,对电力电缆缺陷现场检出具有技术优势。目前超低频介损测量装置在国内应用日趋广泛,相关理论有一定的基础,但超低频介损测量装置的技术并不成熟,仅进口超低频介损测量装置市场化,因此有必要对0.1Hz超低频介损测量装置展开研究。本文针对介损测量方法进行了理论分析,设计了基于取样电容的信号提取电路,给出了电路元件的取值条件,依据准同步采样谐波分析法推导出介损计算公式并仿真分析了该方法下介损测量的抗干扰能力。提出了一种以稳压管解调电压为基础的0.1Hz超低频正弦波发生器电路,给出了电路中各参数的计算方法,通过Multisim软件仿真验证了电路设计的正确性。在介损测量方法的原理基础上,对超低频介损测量装置的硬件电路进行了设计,编写了软件程序,搭建了介损测量装置试验平台,对不同信号下介损值进行了测量。研究结果表明:0.1Hz超低频正弦波发生器电路能够产生出波形失真度小于3%的超低频正弦波电压,符合DL/T 849.4-2004标准。在该电压下设计出的信号提取方法能够有效解决信号脉动问题,提取得到稳定的电压与电流信号。理想信号与添加谐波信号的介损测量误差均小于0.01%,符合DL/T 1694.6-2020标准,同时验证了该方法下介损测量具有良好的抗干扰能力。

关键词： XLPE电缆   超低频测量   准同步采样   介质损耗因数   噪声抑制  

摘要： 随着城市化进程的加快和电力工业的迅速发展,交联聚乙烯(XLPE)电缆以击穿强度高、绝缘电阻大、耐磨性和抗冲击性强等优异的电气性能和机械性能在城市配电网中被广泛采用。交联聚乙烯电缆的设计寿命一般为30年,但在运行期间,由于受到机械应力、热应力、电应力、环境应力等多种因素的影响,极易造成电缆绝缘水平下降,导致运行电缆绝缘击穿引发故障,进而影响供电可靠性。因此,开展电缆绝缘状态的测量研究对及时发现故障隐患、保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。本文以绝缘老化的交联聚乙烯电缆为检测对象,以绝缘状态诊断为目的,提出了以超低频介损测量为依据的绝缘状态诊断方法。主要工作有:(1)分析了交联聚乙烯电缆的介损产生机理,以数学建模和有限元仿真的方法对交联聚乙烯电缆在超低频电压下的特性分析为基础,论证了利用0.1Hz正弦波电压进行电缆介损测量从而反映交联聚乙烯电缆老化程度的理论依据。(2)针对超低频介损测量时存在的谐波干扰以及非同步采样时存在的频谱泄露和栅栏效应问题,提出了基于Prony算法-准同步序列的超低频介损测量方法。利用Prony算法并结合数据辨识方法,对采样电压信号的基波频率进行计算,通过牛顿(Newton)插值算法,实现对电压和电流信号的准同步插值重构,获得采样信号的准同步序列。由快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析并结合电缆绝缘等效电路模型求解,实现对超低频介损的准确求取。通过仿真测试,验证了该方法用于对超低频介损测量的有效性。(3)针对超低频介损测量信号易受周围电力设备、环境等噪声因素的干扰问题,提出基于EMD-SVD的降噪方法。测量信号通过经验模态分解(EMD),得到有限个本征模态函数(IMF)分量,利用能量梯度法对IMF分量进行辨识,而后采用基于奇异值曲率的奇异值分解(SVD),实现对重构后IMF分量的降噪。仿真测试表明,与现有方法相比,所提方法具有明显的降噪性能,可更好的实现对超低频介损测量信号的降噪。

关键词： 城市轨道交通电力电缆   短路故障   模态分解   特征向量   多重神经网络  

摘要： 随着工业技术的发展,近年来城市轨道交通得到了快速发展。我国人口基数大,随着城镇化率不断提升,城市的拥堵现象凸显。为了改善这种现象,我国各个大城市纷纷加大对城市公共交通建设的投入。城市轨道交通电力系统是轨道交通列车能正常运行的保障,城市轨道交通电力系统运行的安全逐渐成为轨道交通行业关注的热点。因此供电系统电力电缆短路故障诊断成为该行业研究的热点问题。当前重庆轨道交通供电系统电力电缆短路故障的诊断主要依靠人工,但查找故障效率低下。针对目前重庆轨道交通供电系统电力电缆短路故障类型诊断存在的不足,本文所做工作如下:首先对城市轨道交通电力电缆短路故障类型以及产生的原因进行分析,对城市轨道交通供电系统电力电缆的故障进行分类对比,分析得出城市轨道交通电力电缆短路故障出现的概率是最大的。利用Matlab软件中的电气模块建立仿真模型。对城市轨道交通电力电缆各类短路故障进行仿真实验,研究分析重庆轨道交通电力电缆发生短路故障时的电流及电压波形,为后续的电力电缆短路故障的判别提供理论依据。其次利用Matlab软件建立仿真模型,设置重庆轨道交通电力电缆不同类型的短路故障,得到重庆轨道交通短路故障时的800组电压暂态波形。本文采用模态分解法对重庆轨道交通电力电缆短路故障信号进行分解与重构。利用信息熵理论对各个频段的能量熵值进行计算,构建在不同短路故障下的特征向量,为重庆轨道交通电力电缆短路故障诊断模型提供数据支撑。最后建立基于Hopfield和RBF多重神经网络的城市轨道交通电力电缆短路故障诊断模型,利用前面得到的800组故障特征向量进行网络训练以及测试。利用模态分解法分解与重构重庆轨道交通电力电缆短路故障电压信号,结合信息熵理论对各个频段的能量熵值进行计算,从而构造出重庆轨道交通电力电缆短路故障的特征向量。通过城市轨道交通电力电缆短路故障类型诊断算法的对比,进一步说明本文采用多重神经网络对城市轨道交通电力电缆短路故障类型诊断的优越性和有效性。

关键词： 数字孪生   电力电缆   多物理场耦合   机器学习   温度预测  

摘要： 随着电力电缆在输配电领域的广泛应用,以及电力部门对电力电缆运行可靠与安全稳定重视程度的提高,如何更加准确快速地分析电缆温度分布、评估电缆运行状态成为了研究的热点。特别是近年来在建设以新能源为主体的新型电力系统的趋势下,将数字化技术与新型传感器技术融入到仿真分析中,成为了现阶段研究的主要方向。数字孪生则是推动电力装备领域数字化、智能化发展的关键技术之一,相关研究正处于初期起步阶段,如何实现电缆的数字孪生技术成为了亟需解决的问题。本文通过有限元计算与人工智能方法的结合,创新性的提出了面向数字孪生应用基于机器学习的电缆温度预测的方法。通过有限元计算提供一定数量的基础数据,然后利用人工智能方法进行学习,建立可靠的模型训练流程,生成了电缆温度预测模型,实现了快速准确的计算电缆沟内电缆的温度分布,对数字孪生的应用提供了技术支撑。本文主要研究内容如下: (1)通过研究电缆沟敷设电缆电磁场、温度场和流体场有限元计算模型的多场耦合关系,构建了电缆电磁-温度有限元耦合计算模型,并分析了电缆沟内空气流速分布与电缆的磁场强度分布、电磁损耗分布和温度分布特性。 (2)基于卷积神经网络、径向基函数神经网络和高斯过程回归等机器学习基本原理,提出了基于机器学习的电缆温度预测模型的构建方法,通过构建预测模型对电缆沟内的电缆温度分布与空气温度分布进行了预测,然后将机器学习模型预测结果与有限元计算结果进行对比分析,验证了电缆温度预测模型的有效性。 (3)基于随机森林算法变量重要性评分的基本原理,通过串联混合模型的形式构建了RF-GPR电缆温度预测模型,并对模型预测结果进行了对比分析。然后提出了电缆温度计算数字孪生模型的概念,并设计了面向数字孪生应用基于RF-GPR的电缆温度计算平台。

关键词： 局部放电   超声检测   分布反馈式光纤激光器   固体电介质  

摘要： 局部放电是电缆绝缘故障的重要表现形式,对电缆进行在线监测,及时发现电缆中的局部放电对保证电缆正常运行具有重要意义。相比于传统的局部放电检测方法,光纤传感技术作为检测局部放电的非电测法之一,所用的光纤传感器具有体积小巧,绝缘性能优异,抗电磁干扰能力强、复用性能好等得天独厚的优势,为局部放电的在线检测提供了新思路。本文以分布反馈式光纤激光器(Distributed Feedback Fiber Laser,DFB-FL)为研究对象,根据DFB-FL传感器的工作原理和声耦合方式,设计了基于DFB-FL的光纤传感检测系统。搭建固体电介质电树枝声-图像联合检测平台,对电力电缆中的交联聚乙烯(Cross Linked Polyethylene,XLPE)和电缆附件中常用的乙丙橡胶进行检测,分析电树枝的生长规律基础上,研究电树枝各生长阶段与局部放电超声波之间的关系,验证了DFB-FL光纤检测系统对固体电介质局部放电检测的可行性。对DFB-FL检测的信号进行频域分析,研究信号中的噪声的来源,初步分析了固体电介质局部放电的频率分布特征。利用多物理场有限元仿真建立220k V交联聚乙烯电缆本体模型,分析超声波在电缆中的传播衰减规律,明确了电缆本体多层结构是导致声波信号衰减严重的主要因素。搭建电缆实体模型局部放电检测平台,模拟电缆局部放电过程,通过对比DFB-FL不同放置方位、距离和角度的检测结果发现,DFB-FL在局放点正前方最为灵敏;信号峰-峰值随着距离的增长按指数衰减;DFB-FL传感器沿着电缆纵向放置时较为灵敏;实验结果与仿真结果基本相同。通过比对数字局放仪和DFB-FL系统的实验结果发现,在同一电压等级下,局放量和超声信号峰-峰值之间存在一定的正相关关系;在不同电压等级下,电压越高,局放量越大,放电相位范围越大,超声信号越多;DFB-FL检测系统最低能够检测到局放量为58p C的局部放电产生的超声信号,具有良好的灵敏性。

关键词： 电缆隧道   电力电缆   防火阻燃   火源定位   温度预测  

摘要： 电力系统发展水平的提高,使得电力电缆隧道在电力系统中得到了广泛使用。电缆隧道给电缆的防护和电力系统的运维提供了便利,但也带来了诸多问题,比如由于各类因素引起电力电缆绝缘的缺陷而造成频发的电缆火灾事故。故电缆隧道防火与预警技术在电力系统中扮演着越来越重要的角色。然而电缆隧道深埋于地下,封闭性较强,一旦发生火灾,隧道防火措施性能欠缺,加之现有预警技术判断火情延迟,无法准确判断着火的位置和温升幅度,往往会造成较大的损失。为解决上述短板,本文从电缆隧道火灾蔓延特性入手,探究电缆隧道火灾纵向温度分布规律和竖直方向温度分布规律;确定各种防火性能较强的敷设条件及环境条件;提出电缆接头舱的防火方法,为电缆隧道防火预警技术提供新思路;根据隧道顶部温升规律,提出了基于双指数函数的电缆隧道内火源定位及最大温度预测方法。本文建立1:1全尺寸电缆隧道火灾实验平台,复原了常见的地下电力电缆隧道环境条件。对不同敷设条件下的电缆隧道火灾进行了实验分析,通过系列实验结果和数据分析验证,得到的结论如下:(1)通过架构1:1全尺寸电缆隧道火灾实验平台复原了常见的电缆隧道环境并研究电缆隧道火灾蔓延特性,火灾蔓延特性主要以纵向温度分布和竖直方向温度分布为主体,探究电缆隧道火灾纵向温度分布结果表明:纵向温度分布呈现明显的阶梯式变化,隧道顶棚温度随着与火源点距离的增加而减小。相同长度区间内,越靠近火源点的长度区间温升幅度差异越明显。在竖直方向温度分布方面存在着明显的温度分层现象:即竖直方向温度分布也呈现明显的阶梯式变化,在隧道内温度随着竖直高度的增加而增加。(2)探究电缆隧道内不同敷设条件及电缆接头舱的防火阻燃效果并结合电力电缆隧道火灾实验中温度场变化和有毒气体浓度变化系列数据,其结果表明:为抑制电缆火灾的蔓延,在设置隧道电缆层间距方面应选择电缆敷设层间距为0.35m至0.40m;在设置隧道通风速度方面应尽量避免将通风速度设置在驼峰风速工况下;在研究防火隔板的铺设方式对防火阻燃效果影响时,可得到总体的防火效果为防火隔板位于电缆上方优于防火隔板位于电缆下方优于无防火隔板的结论;在探究电缆排布方式对防火阻燃效果影响时,“一”字形平行排布方式的防火效果明显优于“品”字形三角排布方式。同时针对近年来频发的电缆隧道火灾事故,在传统电缆隧道基础上,设计了电缆接头舱,对电缆隧道内电缆接头区域进行防火优化。对比得出:电缆接头舱采用硅酸钙材料做防火隔板、长宽比为3:1的参数配置为各方案中抑制火灾蔓延、降低灾后隧道温升、降低灾后有毒气体浓度的最优方案。(3)提出了电缆隧道火源位置与内部温度极值的双指数函数预测方法,以电缆隧道系列火灾实验数据为基础,拟合出多组反映隧道顶棚温升和火源点纵向距离关系的双指数函数,基于拟合函数有效辨识了火源点在沿电缆沟道纵向方向上的位置同时准确的预测了电缆隧道的温度极值。计算结果表明:电缆隧道内火源定位方法能够较好的反映出火源点的位置,采用该方法使得火源位置计算结果与实际结果距离最大偏差为0.071m,平均距离偏差在0.058m以内,准确度平均值为98.13%及以上。电缆隧道内火源定位方法能对火源位置进行了准确的辨识。提出了电缆隧道内温度极值预测方法,方法能够较好的预测出电缆隧道内的最大温度,采用方法后使得电缆隧道内的温度极值的计算结果与实际结果温度极值偏差为6.9℃,平均温度偏差为5.7℃,最小温度偏差为4.5℃。准确度平均值为99.17%。该方法对掌握电缆隧道内的火灾温度极值具有重要意义。本文相关成果对电缆隧道内防火阻燃、准确预警、火源点位置的确定以及具有重要的支撑意义,可有效提高运维人员对隧道内火灾信息的有效掌握并提升电缆隧道内预警装置对火灾的反映灵敏性,为电缆隧道乃至电力系统的稳定安全运行提供科学指导。

摘要： 强电电缆安装是现代建筑电气工程施工的核心部分，既关系到电能输送的稳定，也关系到用电安全。随着我国高压电力系统建设越发完善，电力电缆取代传统输电线路材料（如高架裸线）的趋势越发明显，对建筑电气工程施工提出了更高的挑战。从功能上说，强电电缆主要为建筑体提供能源动力，包括照明、空调及电梯等功能模块，施工人员不仅要重视电力电缆标准的严格执行，还要加强安装时序及规范操作。

关键词： 电力电缆群   温度分布   载流量   快速计算  

摘要： 随着我国用电负荷持续快速增长,电力电缆最高负载率逐年提升。电缆长期处于过负荷运行状态会造成电缆导体过热,加速绝缘材料老化,最终引发电缆故障。因此,有必要对电缆的运行状态进行动态评估,及时为电网运维检修工作提供参考。本文系统研究电缆群温度分布的快速计算方法,并在此基础上研究电缆群载流量评估和新增负荷优化分配方法,有助于动态评估电缆的运行状态、充分利用电缆的负荷配送能力,对于保障电缆的稳定运行和电力系统的可靠供电具有重要意义。 针对已投运电缆导体温度无法直接测量、难以在导体温度超过绝缘材料耐受温度时发出预警的问题,建立了综合考虑电磁场、热场、流场的电力电缆多物理耦合场仿真全阶模型,通过试验分别验证了该模型对于电缆沟敷设电缆群、排管敷设电缆群和电缆附件的计算有效性,发现试验结果与仿真计算值基本吻合,相对误差绝对值均小于5%,验证了仿真模型的准确性。 针对电缆群导体温度计算耗时长、无法满足电网运维检修工作对电缆状态快速评估要求的问题,提出了基于降阶模型的电力电缆群稳态温度快速计算方法及基于降阶模型和热路模型的电力电缆群暂态温度快速计算方法,通过算例对电力电缆群温度快速计算方法的有效性进行了验证,结果表明该方法的计算时长小于全阶模型的0.1%,相对误差绝对值小于1%,实现了复杂敷设环境下电缆群温度的快速精准计算。 针对运行过程中电缆群载流量精准计算和负荷优化分配难度大的问题,提出了基于多物理场和差分进化算法的电力电缆载流量计算方法,能够在其它线路负荷不变的条件下计算电缆群部分线路载流量;提出了基于多物理场和差分进化算法的新增负荷优化分配方法,能够通过合理分配负荷提升电缆利用率;同时,结合算例对不同场景下的电力电缆载流量进行了分析,验证了电力电缆群载流量计算方法和新增负荷优化分配方法的有效性。