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关键词： 电力电缆   小波变换   故障定位   故障诊断   松散小波神经网络  

摘要： 电网结构调整和城市建设规范化要求使得越来越多的电缆线路投入到电网建设中,然而电缆线路的大量使用意味着其发生故障的概率也随之增大,电缆一旦发生故障,将对电力系统和人们日常生活带来极大危害。电缆敷设于地下,不易受外界环境影响,却增加了故障搜寻查找的难度,因此对电缆故障进行精确定位和准确诊断,有利于电力系统的安全稳定运行。针对电缆线路故障定位问题,本文先对影响电缆线路定位精度的三个主要因素进行总结与分析。基于ATP-EMTP三芯电缆频变模型,搭建10kV电缆线路供电系统并展开仿真研究。在采样频率方面,采用基于三次样条插值法提高定位精度的方法,通过算法间接提升系统的采样频率来弥补系统硬件的采样性能,从而减小因模极大值点落入采样间隔造成的波头到达时刻检测偏差提高定位精度。在波速方面,本文研究了两种行波波速在电缆故障定位中的确定方法,当近故障端高频传感器能够检测到对端母线的反射波时,采用基于二次反射波的波速修正法获取实时波速,当无法接收到二次反射波时,则利用频段中心频率的波速计算方法,仿真验证两种方法都能改善行波波速的影响提高定位精度。在色散效应方面,本文就色散效应导致两端高频传感器采集到波形不一致的定位误差问题展开研究,采用基于小波包提取算法提高定位精度的方法减小色散效应影响。选用受色散影响较小的电流线模分量小波包13层分解,则在每一个窄频段里色散效应将很微弱,将离故障点较远一端能量最集中的频段小波分解并重构,仿真验证该算法可以减小色散影响提高定位精度。最后综合上述考虑采样频率、波速以及色散效应影响的解决方法,分别设置不同故障距离、不同故障类型、不同接地电阻和不同噪声水平下的仿真情景进行故障定位,定位结果表明该方法能有效提高定位精度。针对电缆线路故障诊断问题,本文提出一种基于松散小波神经网络的电缆故障诊断方法。先利用小波分析作为神经网络预处理手段,再将特征向量输入BP神经网络进行学习训练并完成高频信号分类。仿真分析瞬时性故障、永久性故障、断路器合闸、非故障性雷击、故障性雷击和局部放电六种高频信号,得出它们的小波能量尺度谱,将归一化后的小波能量输入至神经网络,先进行模型的训练和学习,再将测试数据放入训练好的神经网络中,实现高频信号的分类即电缆线路的故障诊断。仿真表明故障诊断的平均正确率可达93.33%,验证松散小波神经网络在电缆故障诊断方面的可行性和有效性。由于电缆瞬时性故障的反复出现最终将导致永久性故障,因此识别出瞬时性故障也可实现电缆故障预警功能从而预防电缆永久性故障发生。

关键词： 电缆电阻   温度场分析   GA-BP神经网络   有限元  

摘要： 恒温离线稳态温度场条件下电缆线芯电阻的检测方法有效地解决了线缆的品质检测问题,然而由于电缆线芯在生产过程中的在线检测时温度因素的不可控性,使得基于稳态温度场的检测方法得不到有效应用。针对这一问题,本文以BV50型号的电缆为研究对象,展开了通过对电缆线芯温度场分析获取等效温度并用于电缆电阻检测的方法研究,其目的是得到一种针对生产过程中在线非稳态温度场下电力电缆电阻检测的有效方法。生产过程中在线非稳态温度场下无法得知绞合线芯的内层温度,直接通过表层温度进行电阻的测量会造成较大误差,需要对电阻进行温度校正,所以对温度场模型的准确建立是解决线芯电阻在线检测问题的关键。为此,本文建立了绞合线芯的三维有限元温度场模型,用以解决绞合线芯的温度梯度及内层温度不可测问题。由于在线检测需要快速响应,因此针对有限元在非稳态工况下检测精度变低且检测时间较长的问题,本文利用经遗传算法优化的BP(GA-BP)神经网络进行在线检测绞合线芯的电阻测量,以解决有限元方法存在的问题。利用实验数据进行有限元法与GA-BP神经网络法的线芯电阻检测对比发现:在线稳态工况下,有限元法与GA-BP神经网络法的平均绝对百分比误差分别为0.183%和0.256%,有限元精度要高于GA-BP神经网络;而在线非稳态工况下,有限元法与GA-BP神经网络法的平均绝对百分比误差分别为0.581%和0.265%,此时GA-BP神经网络法的检测精度要高于有限元法,且在检测时间上GA-BP神经网络法要远远低于有限元法。说明基于GA-BP神经网络法进行在线线芯电阻检测的方法具有更好的通用性与实时性,为在线电缆线芯电阻的检测提供了一种切实有效的方法。

关键词： 电力电缆   局部放电   传输特性   电场仿真   特征提取   模式识别  

摘要： 随着国家电力建设的迅速发展,电力电缆作为电网中重要的组成部分,其运行安全可靠性也愈发得到重视。据调查:80%左右的电缆故障是因绝缘缺陷引起的。电缆长期运行过程中绝缘受到电、热等作用后易发生局部放电现象,而局部放电会进一步导致绝缘劣化。与此同时,局部放电信号能够反映电缆的绝缘状况,且不同绝缘缺陷的局部放电特性存在一定的差异。因此,获取电力电缆局部放电特性,及时评估电缆绝缘缺陷类型及放电强度,对电力系统的稳定运行具有重要意义。本文围绕电缆局部放电特性和模式识别展开研究,主要内容如下:对电缆局部放电传输特性进行了研究。采用仿真计算和试验验证相结合的手段分析了两型号电缆局放信号的传输特性,并通过试验结果对某型号电缆衰减系数的仿真结果进行了修正,修正后的结果可用于工程计算。随后将脉冲信号注入电缆模拟端部放电,通过时域脉冲反射法对局放源位置进行了定位。对电缆接头典型缺陷模型的电场进行了仿真分析。根据电缆接头绝缘缺陷的常见放电类型设计了四种典型放电模型,并利用ANSYS软件对典型放电模型的静电场进行了仿真计算。然后对无缺陷的10k V电缆接头模型和分别施加了四种典型缺陷的电缆接头模型的电场进行了仿真计算。根据放电模型及接头缺陷模型的电场分布情况验证了电缆接头不同缺陷模型放电时所属放电类型。对放电模型的谱图和脉冲的特征展开了提取。对放电模型的放电量进行了校准,搭建了局部放电测试平台,获取了放电模型的放电脉冲和放电谱图,对比研究了不同放电类型的局部放电特征。提取了放电谱图的统计特征、灰度图像的矩特征、灰度图像的纹理特征和放电脉冲的时频特征。为对电缆接头缺陷模型的放电类型及放电强度进行识别并提高识别率。分别采用主成分分析法和核主成分分析法对组合特征进行了降维。对比了BP神经网络算法和基于网格搜索参数优化的SVM算法对放电模型各特征组合的识别成功率,得到两种识别算法对放电模型组合特征和降维后的组合特征识别成功率较高。制作了五种电缆接头缺陷模型,搭建了局放试验平台并获取了接头缺陷的放电谱图。提取了放电谱图39维特征序列,对比了BP神经网络、基于网格搜索参数优化的SVM和基于遗传算法参数优化的SVM三种算法对电缆接头缺陷放电类型和放电强度的识别精度。结果表明:基于遗传算法参数优化的SVM诊断模型对电缆中间接头缺陷放电类型及放电强度具有较高的识别精度,能够较好地完成分类任务,具有较高的工程实用价值。

关键词： 电力电缆   耐压试验   0.1Hz超低频   余弦方波   试验系统  

摘要： 电力电缆是电力系统中重要的基础设备,其承担着电力运输和电力配送的重要责任,一旦电力电缆发生故障,将严重影响企业和居民供电的可靠性,因此,有计划的对电力电缆绝缘状态进行检测,可以防止电缆故障造成的财产损失。耐压试验可以使电缆绝缘中已有的严重缺陷快速暴露出来,消除电缆的安全隐患。0.1Hz超低频余弦耐压试验设备具有体积小、容量小,波形与工频等效性好的优点,正在受到越来越多的关注。目前市面上存在的0.1Hz超低频余弦耐压试验设备主要针对的是10k V等级的电力电缆,试验电压低、容量小。而35k V等级电缆用超低频余弦耐压设备国内技术不成熟,主要依赖进口,故有必要对高电压等级的超低频余弦耐压试验设备进行研究。本文提出了一种超低频余弦方波发生器主电路,电路主要包括充电电路和极性转换电路两部分,充电电路采用半波整流方案,使用两台变压器,分别负责给试品正极性充电和负极性充电。极性转换采用LC振荡原理,通过电抗器实现极性反转。在此基础上对主电路参数进行整定计算,包括保护电阻阻值、硅堆参数、电抗器品质因数、变压器和调压器容量等。利用Matlab/Simlink软件搭建仿真模型,验证了设计的合理和正确性。针对系统极性转换开关工作特点,设计了气动高压开关,并将开关与硅堆、电阻分压器合并为组合部件,以实现系统的小型化要求,最后对组合部件绝缘裕度进行校验。以主电路为基础,本文设计了超低频耐压试验系统的测量与控制电路,使用电压变送器和电流变送器采集调压器输出电压和输出电流,采用电阻分压器采集试品电压。单片机通过光耦隔离芯片控制三极管、继电器的导通和关断,实现对主电路中的调压器、固态继电器、电磁阀等元件的控制。程序方面,以上位机为主机,下位机为从机的方案对耐压系统进行控制,上位机负责发出命令,下位机接收命令后执行并上传采集数据。上位机使用Labview图形化编程软件设计,前面板具有电压波形显示、过流保护、数据存储等功能。最后搭建测控电路验证平台,验证了测控电路硬件和软件程序设计的正确性。

关键词： 电力电缆   故障定位   小波变换   CEEMDAN   行波测距  

摘要： 随着国家城镇化的发展,电力电缆由于能明显的减少输电电缆的占地面积、不易受到天气气候的影响和输送电能可靠性较强等优点而被广泛应用于电能的配送系统中。但是电力电缆随着使用时长的增加和外界环境的影响,会不可避免的出现各种故障,并且因为电缆是埋于地下来进行输电的,这就导致电缆发生故障时很难被及时发现并排除故障,从而会影响居民的日常生活以及企业单位的生产,所以对电缆故障快速并精确的定位就显得尤为重要。行波测距方法是目前对电缆故障点进行定位的主要方法,但是由于外界环境的影响,所采集到的故障信号中往往会含有噪声信号,导致定位不够精确。因此本文提出一种基于CEEMDAN与小波变换相结合的方法来对故障信号进行分析处理,从而提高电缆故障定位的精确度。(1)本文首先介绍了电缆故障测距的背景和国内外研究现状,然后对电缆发生故障的原因、发生的故障类型以及电缆故障测距的方法进行阐述和分析。并着重介绍了行波测距方法的基本理论和概念。(2)为解决电缆故障定位时采集的故障信号中包含噪声,故障暂态行波波头辨识不准等问题,提出了基于CEEMDAN与小波变换相结合的方法来对采集到的故障暂态行波信号进行分析处理。由于EMD方法存在模态混叠的现象,所以选取CEEMDAN代替EMD。先对故障信号进行CEEMDAN分解,再用小波变换把噪声分量中的有用信号筛选出来,与有用信号主导分量进行重构,从而减少重构信号与原始故障信号之间的偏差,提高滤波效果。最后确定两次故障行波折反射的时间差,利用行波测距方法确定故障点的位置,提高故障定位精确度。(3)利用MATLAB搭建电缆故障仿真模型。首先分析了电缆发生不同故障时的故障电压信号特征,然后分别利用小波变换和改进算法对故障暂态电压行波信号进行分析处理,将改进算法的定位结果与小波变换定位结果进行比较,仿真结果表明改进算法对比于小波变换提高了电缆故障定位的精确度。最后根据仿真模型设计了电缆故障信号检测系统。图[62]表[4]参[88]

关键词： XLPE电缆   耐压试验   超低频   单周期控制   极性转换  

摘要： 由于现有绝缘设计理论的局限、不利自然环境的侵蚀、工作电压的长期作用、可能出现过电压的短时冲击等,电力电缆的绝缘在现场能否安全可靠地运行,需要严格的绝缘试验进行验证。由于电力电缆介质电容大,对于交流电缆进行工频耐压试验时,需要比较大的电容电流,导致耐压试验设备的容量、体积、重量大,难以广泛应用于现场试验,通常采用直流耐压试验替代工频耐压试验。由于组合绝缘中不同介质在恒定电场和交变电场强作用下,其场强的分布规律不同,在进行直流耐压试验时会牺牲试验的等价性;此外,直流高压还会在电力电缆内部产生空间电荷积累,在投入使用的过程中空间电荷作用与额定电压的叠加会对电缆绝缘造成隐形威胁,加速绝缘的老化。为了解决上述电力电缆耐压试验中存在的问题,实现试验方法的等价性,本文开展了电力电缆超低频耐压试验系统研究与开发,主要工作如下:(1)本文研究设计了 10kV及以下电压等级的电力电缆耐压试验系统。该系统输出0～30kV超低频余弦方波试验电压,能够对介质电容在4.5μF及以下的电力电缆开展耐压试验。该试验系统具有调压及控制、试验启/停控制、试验结束后试品放电及控制、试品击穿时保护等功能;该系统以单片机为控制、测量和保护中心,主回路包括高压直流电源电路和极性转换电路。(2)研究设计了试验系统电路。高压直流电源前级,应用单周期控制芯片IR1155S实现了交流220V转变直流电压稳定输出和功率因数校正;升压单元采用高频变压器和四倍压整流电路实现两级升压,减小了试验系统体积,为反馈控制电压采样电路设置在倍压整流电路后端;设计了极性转换电路,过渡过程采用LC振荡,实现了光滑过渡,并控制极性转换时间在2～6ms范围内。(3)研究设计了试验系统的程序。包括主程序、测量与显示程序、控制与保护程序等,该程序能够保证试验系统按照国家标准要求,安全可靠地进行电力电缆的耐压试验,真实地反映电力电缆的绝缘状况。(4)为了验证研究设计的试验系统的有效性,对单周期控制的Boost-APFC电路做了实际测试,结果表明该电路响应速度快,波形畸变率低,有效实现功率因数校正,满足试验系统的要求;应用Simulink仿真软件仿真研究了本文研究设计的试验系统,结果表明该试验系统能够按照国家标准对10kV及以下电压等级电力电缆进行耐压试验。

关键词： 直埋电缆群   电磁-热-湿耦合   有限元   电缆温升   载流量  

摘要： 地下交联聚乙烯(XLPE)电力电缆群的使用在城市输配电网络中日益增多。精确计算直埋电缆群的缆芯温升和载流量是保证电力电缆线路安全稳定运行,提高供电可靠性的重要措施之一。针对直埋电力电缆群存在电磁损耗、温度场和湿度场的多场耦合的现实,利用有限元软件和温升试验,对直埋电力电缆群的温度场分布展开研究,具体工作内容如下:(1)分析了土壤直埋电力电缆群的敷设工况,明确了电磁场、温度场、湿分场三场耦合机理和计算方法,给出了耦合计算的基本步骤。(2)搭建了直埋电力电缆群缆芯温升试验模型,利用准稳态平板法、烘干法、定义法等对试验土壤的导热系数、密度、比热容、含水率、孔隙率等进行测量;并拟合出土壤导热系数、密度、比热容与含水率的关系式;完成了直埋电力电缆群缆芯温升试验多路温度和含水率的测量,给出了温升曲线和多点含水率曲线。(3)针对直埋电力电缆群试验模型和土壤参数,搭建了电缆群多场耦合分析有限元模型,并进行了多种工况下的电磁场、传热场、湿分场多场耦合计算,给出了温升的暂态图、试验时间末端的温度场分布图。通过仿真结果与试验结果进行对比,验证了仿真模型,给出水分迁移的规律。(4)利用有限元软件仿真,进行了直埋电力电缆群在考虑水分迁移和不考虑水分迁移时温度计算,考虑水分迁移时将带来温升的提高。通过不断迭代,给出了电缆的额定载流量。对直埋电缆进行多物理场耦合计算,可以考虑土壤湿度变化对温度场计算的影响,更准确地模拟电缆温度场分布情况,这对精确管理电缆的负荷,确保电缆的安全稳定运行具有重要的意义。

关键词： 电力电缆   接地环流   有限元   温度场   载流量  

摘要： 近年来,电力电缆以其占地空间少、性能稳定等优点在城市电网输电中获得了广泛应用。然而接地环流的存在将影响电缆的运行寿命,并降低电缆线芯载流量。因此,电力电缆接地环流及其温度场与载流量的研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。为此,本文开展了高压单芯电缆接地环流研究、以及环流对高压电缆温度场和载流量的影响研究。具体研究内容如下:首先,研究了高压单芯陆地电缆金属护层环流。建立了单芯陆缆环流计算模型,提出了对应模型参数的解析计算方法,在此基础上,计算分析了交叉互联接地方式多种典型不对称工况下的金属护层环流,得出陆缆金属护层交叉互联时,金属护层环流随三相陆缆系统不对称程度的增大而增大的变化规律。其次,研究了高压单芯海底电缆金属护层与铠装层环流。建立了单芯海缆环流计算模型,提出了对应模型参数的数值计算方法,并据此计算求解了三种典型接地方式下的海缆环流。计算结果表明,三种不同的典型接地方式对海缆金属护套与铠装层接地环流影响较小,同时三相金属护套与铠装层总环流值都接近线芯电流值。最后,研究了金属护层环流对高压单芯电缆温度场与载流量的定量影响规律。结合电缆沟敷设电缆实际工况,基于有限元法建立了电缆温度场与载流量仿真计算模型,仿真计算了环流影响下典型电缆温度分布规律与线芯载流量。计算结果表明,金属护层环流的增大会增大电缆温度,降低电缆线芯载流量;随着环流的增大,环流对电缆温度和线芯载流量的影响明显增加;相比于保持三相线芯温度最大值不变时,同一环流影响下保持三相金属护层温度最大值不变求得的线芯载流量更低。

关键词： 10千伏电缆   电缆缺陷   振荡波   局部放电   检测方法  

摘要： 10千伏电缆线路是城市化建设、发展过程中的供电生命线,保障10千伏电缆线路的安全运行是关系到民生经济的重要工作。及时有效地检查发现电缆缺陷,可以有效地提高电缆线路供电可靠性,减少非计划性停电,一直以来,主要是使用破坏性试验来做电缆的相关预防性实验,这种方式的优点是能较好地找到电缆的绝缘缺陷,却会带来绝缘容量劣化的后果。因此,本文对比研究了10千伏电缆的缺陷检测技术,引入一种适用于10千伏电缆缺陷检测的有效方法——10千伏电缆振荡波局部放电检测方法。本文从电力电缆的结构特点、耐压试验方法、局部放电测量方法等方面进行了研究分析,结合10千伏电缆的结构特点和运行环境,引入了10千伏电缆振荡波局部放电检测方法。本文引入的10千伏电缆振荡波局部放电检测法,利用振荡电压在波形和频率上能较好等效于工频的原理,模拟在工程现场的工作电压,试验电压持续的时间较短,对电缆损伤较低,不会带来新的安全隐患。另外,本文还分析了振荡波局部放电检测原理与其定位技术,并结合10千伏电缆进行了局部放电影响因素分析,提出了在进行检测试验时应注意控制的影响因素,保证试验结果的精度。并通过对局部放电机理的分析,明确了局部放电测量中采用视在放电量的理论依据,总结出局部放电判定的两个重要原则,并将其应用于振荡波局部放电检测现场试验数据分析之中,从而更全面细致地了解电缆的实际绝缘情况。本文通过现场开展10千伏电缆振荡波局部放电检测试验,在工程实际中观测到了局部放电现象随试验电压升高而不断发展的情况,同时并对比传统交接试验,通过现场解剖发现了传统交接试验未能检测出的隐性缺陷,验证了振荡波局部放电检测方法的准确性、实用性以及现场可操作性,试验方法符合局部放电判断及定位的相关标准和原则,在目前各种局部放电检测技术中,是一种较为准确和实用的检测方法。

关键词： 电力电缆   路径检测   精确定点   滤波器   小波分析  

摘要： 随着城市化步伐的不断推进,地埋式电力电缆凭借其节省空间、改善城市环境以及运行可靠等优点在城镇区域得到了广泛应用。然而社会经济的增长致使地埋电缆过负荷运行、工作周期增加,加上施工改造时的外力破坏、绝缘层老化和受潮等因素,从而容易发生故障。电力电缆故障检测通常要经过故障类型诊断、故障测距、路径检测和精确定点四个关键步骤,每一步都需要专用的设备,因此每次检测需要携带多台设备,非常不便且浪费财力。所以本文深入研究了电力电缆检测的方法,基于电磁法和声磁同步法设计了一款电力电缆综合检测系统,应用于路径检测和故障精确定点,主要研究内容如下:首先,本文结合电力电缆故障检测的国内外发展现状,阐述了电力电缆故障产生的原因以及电缆故障检测的整个过程。为了能够准确地测量地埋电缆的敷设路径,采用专用发射机在待测电缆中注入特定频率的信号,电缆周围就会形成相应的交变磁场,利用电磁感应原理,通过磁信号传感器识别目标磁场来找出电缆位置。在电缆发生故障后,为了能够准确找出故障点的确切位置,用高压脉冲发生器向故障电缆施加脉冲信号以击穿故障点,故障点处会产生放电声音和脉冲磁场信号,测量声磁时间差来判断检测点与故障点的距离。为了实现综合检测系统的智能化和网络化,添加NB-Io T获取路径检测的位置和物联网平台的数据交互,通过蓝牙将数据发送至手持设备端进行实时显示并调用地图绘制电缆路径。其次,现场采集的信号难免会受到环境噪声、检测系统自身噪声等因素影响,这会对交变磁场信号识别以及放电声音识别带来困难。为解决低信噪比导致目标信号不易识别的问题,研究了弱磁场信号提取方法,通过窄带滤波器来提取目标信号。针对闪络放电声音信号端点不易检测,导致精确定点误差较大的问题,在研究了小波分析基础上,先利用小波阈值去噪对带噪声音信号处理,然后再结合短时能量法求放电声音起始点。为了得到易于听辨的放电声音,通过小波阈值去噪和谱减法结合的方法对声音信号进行背景噪声抑制。在MATLAB中仿真验证了其有效性。然后,基于ARM处理器设计了电力电缆综合检测系统。完成了检测终端的硬件电路设计并分析了其中存在的信号完整性问题。在基于One OS操作系统平台搭建了嵌入式环境,完成了系统软件设计,包括信号采集、信号处理以及数据通信等功能。基于uni-app框架完成了应用软件设计,通过蓝牙接口与检测终端完成数据交互,实现对检测信息实时显示并调用地图完成对电缆路径绘制。最后,通过样机在电缆故障现场进行测试,本文设计的电力电缆综合检测系统符合实际应用,可以快速、准确地实现电缆路径测绘一体化和电缆故障精确定位的功能。