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关键词： 铁路电力电缆   局部放电   振荡波局放试验   现场应用  

摘要： 在我国新建成的高速铁路中,电力电缆的使用比重不断上升,特别是区间电力贯通线全电缆供电方式已经成为常态。铁路电力电缆作为铁路沿线站场、信号、通信及其他铁路综合用电设备提供电能的重要基础设施,其运行可靠性对于铁路电力系统稳定,保障列车运行安全起着至关重要的作用。近年来,随着高速铁路电力电缆投运数量的增加,电缆故障也出现增长趋势,成为影响高速铁路运行安全的突出问题。高速铁路电力电缆在运行过程中一旦发生故障,由于其线状分布结构和高铁普遍夜间天窗作业的时间限制,为电缆故障查找和处置带来诸多不便。以目前各铁路局供电段技术手段与装备水平,缺乏对铁路电力电缆绝缘状态的有效管控。对电缆局部放电的检测,作为早期电缆绝缘劣化的表征参数和评价手段,已经被国内外证实其有效性。因此,对高速铁路电力电缆找到一种适合现场、行之有效的局放检测手段,评估电缆的绝缘状态,制定有效措施,具有重要的现实意义。本文首先介绍了高速铁路电力系统结构和电缆运行可靠性要求,总结铁路电力电缆故障的主要原因,分析大西高速电力电缆故障实例,提出局放试验的必要性。对比当前常见电缆局放检测方法的优缺点和适用条件,论证振荡波局放试验对高速铁路电力电缆的可行性。最后,结合大西高铁电力电缆振荡波局放试验现场应用情况,制定有效的应对措施,提出高速铁路电力电缆运行检修及预防性试验的建议,指导铁路电力电缆运维管理。本文图37幅,表6个,参考文献64篇。

关键词： 电力电缆   绝缘缺陷放电   在线监测   传播特性   定位  

摘要： 随着城市化水平的提高和我国电力工业的不断发展,交联聚乙烯电缆作为输送电能最重要的载体,应用于城镇的每一个角落。电缆的安全性能直接影响到电力网络的稳定性,因此,对于电缆中可能出现的故障都要引起十分必要的重视,而绝缘缺陷放电通常会出现在故障发展的初始阶段,研究10k V电力电缆线路绝缘缺陷放电监测与定位方法具有重要意义。本文以10k V电力电缆作为研究对象,阐述了进行绝缘缺陷在线监测的必要性,对国内外众多的在线监测方法做出介绍;接着,系统分析了电力电缆线路的绝缘缺陷,研究了绝缘缺陷放电行波在电缆中的传输与折反射规律,结合实际配网线路结构,搭建了单级及多级分支线的模型,获取了行波经过分支线路时的传播与折反射特性;针对可能对电缆线路定位精度造成影响的因素展开了研究分析,提出一种以信号频谱为基础的波速确定办法,消除行波传输对波速的影响,结合小波包提取波头时间方法,形成电缆线路绝缘缺陷放电信号在线精确定位算法,提升了绝缘缺陷定位精度;最后,开展了电力电缆绝缘缺陷在线监测定位试验与验证,并将电力电缆绝缘缺陷放电的在线监测定位方法进行了工程应用。结果表明,绝缘缺陷放电信号在以电缆为载体展开传输时会发生衰减的情况,其受到电缆分布参数以及信号传递长度的影响,但通过合理配置监测传感器可以检测到绝缘缺陷放电信号。绝缘缺陷定位误差的大小同线路长度、波速以及行波波头到达时间都有关联,通过对波速优化以及行波波头到达时间开展研究定位算法研究,能有效降低定位误差。本文提出的在线监测定位方法可有效检测电力电缆的绝缘缺陷放电信号并给出缺陷位置,能够满足工程实际的需要。

关键词： 电力电缆   单相接地电弧   导体温度   火灾风险评估   在线监测  

摘要： 随着城市建设的不断发展,交联聚乙烯电力电缆的使用量也在日益增加。然而,电力电缆通道通常空间狭小、电缆多回路密集排列,当电缆存在电弧故障、线芯过热或外部热源时,容易诱发火灾,特别是小电流接地系统发生单相接地故障时,允许带故障运行1～2小时。因此,本文在单相接地电弧和导体温度等影响电力电缆内因火灾的相关因素的理论和诊断方法的基础上,对电力电缆火灾风险评估及在线监测系统进行研究。首先,结合三芯XLPE电缆的结构和各部分功能,阐述了电缆的内部损耗和电缆本体的热阻、热容,为电力电缆温度场的解析计算提供了理论依据。重点针对单相接地电弧展开分析,分析了10k V电缆配电网发生单相接地故障时,护层接地电流的分布规律,并以此提出了小电流接地系统基于电缆段首、末端护层接地电流的单相接地电弧自熄灭判据和故障定位方法。其次,针对电缆线芯过热展开分析。为了及时准确地获取电缆导体温度,采用了一种依据电力电缆结构参数、外表皮温度和内部损耗推算电力电缆导体温度的计算模型,同时利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics对负荷电流、外部环境、短时过负荷运行和护层接地电流对电缆温度场的影响进行分析,一方面验证了导体温度计算模型的可靠性,另一方面分析了电缆电流、外部环境、导体温度与电缆表皮温度之间的对应关系。然后,将电力电缆内因火灾的引燃机理与单相接地电弧、导体温度、绝缘老化等影响因素的评判依据相结合,利用层次分析法和模糊综合评价从电缆运行参数、电缆故障与电缆敷设3个方面建立了电力电缆火灾风险评估模型。研究结果表明:该评估模型能够科学、准确地量化电力电缆的火灾风险等级。最后,基于电力电缆火灾风险评估,设计了一套电力电缆在线监测系统。该系统采用多种传感器对电缆本体及接头温度、零序电压、护层接地电流和环境温湿度进行监测,并通过RS485和Lo Ra无线网络将监测数据上传到主站,从而实现对电缆运行状态和火灾风险的诊断。通过对设备的测试和安装运行,结果表明该监测系统可以有效的监测电缆运行状态和火灾风险。

关键词： 交联聚乙烯   电力电缆   敷设方式   COMSOL   微观结构   宏观性能  

摘要： 交联聚乙烯(Cross-linked polyethylene,XLPE)电力电缆因具有优良的介电和理化性能,且安装、敷设较为简单,不受高度落差等优点,逐渐取代乙丙橡胶(EPR)电缆和充油电缆。但在XLPE电缆的运行过程中,如热老化、电老化、电化学老化、水树老化等均会引发电缆绝缘结构与性能的改变,甚至导致击穿事故的发生,严重影响电缆的安全稳定运行。因此,研究服役电缆微观结构和宏观性能的劣化规律,以及二者之间的关联性,对于正确评估电缆运行状态、合理分析电缆故障原因具有重要的意义。本文针对服役不同时间的110k V XLPE电缆,主要开展了以下研究:首先,通过采用傅里叶红外光谱、差示扫描量热、扫描电子显微等实验手段,对XLPE的微观结构劣化规律进行表征。结果表明:服役前期,XLPE的微观结构变化不明显;但随着服役时间增加,微观结构开始快速劣化,具体表现为C=O、C=C、-OH等官能团数量增多,结晶度、熔融温度下降以及球晶结构的完整性降低且球晶平均尺寸减小。此外,XLPE内层绝缘较外层绝缘在服役过程中微观结构的劣化更为明显,这可能由内层绝缘在服役过程中经受了更高的温度所导致。接着,通过热重分析、宽频介电谱及工频击穿实验对XLPE宏观性能的劣化规律进行研究。结果表明:随着服役时间增加,XLPE的热降解在更低的温度即开始发生,介电常数和低频损耗均增大,工频击穿场强出现明显下降。同时,内层绝缘的宏观性能也表现出了更快的劣化速率。上述宏观性能的变化中,热降解温度的下降可以归因于氧化反应、热电子轰击分子链导致的XLPE分子量的下降;介电常数的增大可以归因于C=O、C=C、-OH等极性小分子数量的增大;低频损耗的增大可以归因于载流子数量增多所引发的电导损耗的增大;影响工频击穿场强的因素较多,可能包括载流子数量的增多、自由体积的增大以及结晶度增大多导致的载流子自由行程增大等。最后,对不同敷设方式下的XLPE试样的微观结构及宏观性能劣化规律进行研究,并采用COMSOL仿真软件对三种敷设方式下的导体施加相同的载流量并观察其温度变化,用以对试验规律进行验证。结果表明:以施加电流为938A为例,直埋、排管及电缆沟道敷设时绝缘所承受的最高温度分别为89.98C、100.95C、82.32C。电缆沟道敷设方式因敷设空间大、空气对流速度快,所以在电缆本体温度升高时能更快将热量散出,故在劣化程度较排管敷设及直埋敷设更小,体现在熔融温度、结晶度有了小幅度的提高,球晶完善度更高,且平均尺寸保持在更大的范围内。另外,因为老化程度最小,试样内部断链、羰基极性基团含量少,则在介电常数与介电损耗角正切方面较排管敷设及直埋敷设上升幅度小,且工频击穿场强在三者中最大。而排管敷设因散热困难,在服役过程中劣化程度最深,故在微观结构与宏观性能方面变化最大。

关键词： 电力电缆   故障概率   停运模型   故障树分析法   概率预测   BP神经网络  

摘要： 交联聚乙烯电缆(XLPE)因其极少占据地面空间、隐秘性强、可靠性高等特点,在城市电网中被大规模应用。随着国民经济的发展对电能的可靠性要求越来越高,电缆作为城市电网的主要输配电方式,保证其安全可靠的运行显得尤为重要。然而当前针对电缆可靠性研究较少,对其故障概率的研究理论和方法尚不完善,影响着城市电网的安全可靠运行。本文利用某地电网公司提供的检修数据和运行数据进行了电缆的风险评估研究,其主要研究内容如下:(1)根据电缆的实际运行情况构建了电缆的停运模型用来求解电缆的故障概率。为了求解中低压直埋电缆的故障概率,本文提出了采用Weibull模型进行求解;在计算隧道电缆的故障概率中,针对隧道电缆故障数据较少的情况,本文提出了利用当前电网公司的故障划分标准构建了马尔可夫模型;针对一些高压电缆隧道中安装在线监测装置的情况,本文构建了温度相依的电缆老化模型,可以通过在线监测的温度数据反映多条电缆故障概率相对值大小,提前进行检修处理。(2)鉴于当前方法只能计算出单条电缆的故障概率,反映不出电缆各个部件故障概率大小以至于不能准确辨识电缆系统的薄弱环节的现状。本文将电缆本体、附件视为一个系统采用故障树分析法求解电缆各部件的故障概率值。针对电缆故障树底事件故障概率难以确定的的问题,本文采用了基于模糊理论与专家语义评判事件的概率估计法并以此进行电缆故障树的定量分析,得到电缆故障树底事件的模糊概率值。继而计算电缆各部件的故障概率大小,辨识电缆系统的薄弱环节。(3)为了更好地制定检修计划,需要对电缆未来故障概率的变化趋势进行预测。针对电缆未来短时间内故障概率的变化趋势不能确定的问题,本文提出了根据实时采集的温度数据进行电缆故障概率预测的方法。首先对采集到的电缆温度异常数据进行处理,然后构建BP神经网络模型对电缆绝缘层的温度进行预测,最后结合温度相依的电缆老化模型进行电缆故障概率的预测,最后通过算例分析验证了该方法的有效性。通过该部分的工作可以对未来一个月的故障概率进行预测,并得到电缆故障概率的变化趋势。电网检修部门可以据此对检修计划进行修改和订正。

关键词： 综合管廊   电力电缆   结构方程模型   主成分分析   李克特量表法  

摘要： 综合管廊是城市基础设施现代化的重要内容,在回顾总结我国综合管廊发展历程、分析国内外建设及研究现状基础上,针对电力电缆入廊难、成功入廊实践少的突出问题,开展理论和建模分析,并结合具体案例佐证了模型的合理性。主要工作和成果如下: 综合应用全生命周期理论、利益相关者理论、铁三角理论,提出了界定电力电缆成功入廊的标准,包括实现社会效益、满足功能要求、实现预期收益三个方面。 采用文献研究、专家访谈、案例分析相结合的方法识别出影响电力电缆入综合管廊的24个关键影响因素,采用李克特量表法设计调查问卷,对这些因素的重要性进行评分,再对调查结果进行数据信度和效度检验的基础上,运用主成分分析法提取出4个公因子:政策规范、市场运作、规划设计、支撑体系。 以24个关键影响因素为观测变量,以4个公因子为潜变量,建立电力电缆入廊分析的结构方程模型,初步模拟分析10种相关关系:4公因子对入廊的影响,市场运作、规划设计、支撑体系3种公因子对入廊的间接影响及这3个公因子受政策规范的影响,经模型计算后增加了1个公因子之间的影响和2种公因子间接影响,修正后的模型满足各项评价指标,拟合度良好。根据结构方程模型的计算结果,政策规范、市场运作、规划设计这3个公因子对电力电缆入综合管廊具有显著正向影响,完善的法律法规及技术标准、强化政策引导、合理入廊定价、统一收费标准4个观测变量为最重要的影响因素。 以南京市浦滨路地下综合管廊项目为案例,具体讨论了电力电缆入廊分析结构方程模型的合理性,在此基础上对电力电缆入廊提出了对策建议。 研究成果对推动电力电缆成功入综合管廊具有一定理论意义和实际指导价值。

关键词： 海底电力电缆   局部放电   时间延迟估计   声源定位  

摘要： 海底电力电缆的长期使用会使绝缘层损害而导致局部放电,局部放电的产生不仅影响电缆的正常使用,对周边的海洋生物也造成了不利的影响。因此,海底电力电缆局部放电点的定位检测仍是重点。本文以海底电力电缆为研究对象,针对其局部放电点的定位问题,利用放电时伴随产生的超声信号,采用时间延迟估计方法和技术,结合定位算法对局部放电点的定位进行模拟仿真研究。论文介绍了海底电力电缆局部放电的数学理论模型,分析了放电点的信号,并针对海底电力电缆实际所处的环境影响,对海洋环境噪声进行分析和建模,采用Janicki-Weron(JW)算法建立稳定分布下海洋环境噪声模拟信号,并采用对数矩分数低阶统计量进行噪声参数的估计。时间延时估计方法和技术可以应用于声源定位。本文在广义加权自适应时延估计算法以及基于最小均方误差的自适应时延估计算法的基础上,针对其在非高斯环境中有很大的局限性且受限于信号与噪声的环境条件,将最小平均P范数(LMP)与广义加权函数相结合,提出了一种基于最小平均P范数的广义加权自适应时延估计算法,能使算法适用于非高斯环境下,且保留传统算法能有效抑制谐波的优点。针对最小平均P范数存在迭代速度慢以及计算量大的缺点,本文引入Sigmoid函数对算法进一步改进。MATLAB仿真实验表明,本文提出的算法与经典方法相比,在非高斯环境中既能有效抑制谐波的存在,且收敛较快,时延估计精确度较高,可应用于非高斯环境下的时延估计。本文结合时延估计算法对海底电力电缆局部放电点定位分析,讨论了传统五元十字定位方法,并针对其俯仰角误差大的缺点,提出建立三次五元十字定位模型以及定位融合算法,并进行算法误差分析和性能分析。通过几何解算,计算声源位置,并可视化定位结果。

关键词： 单芯电缆   金属护层   多点接地   在线检测   故障定位  

摘要： 单芯电缆线路在城市电网中占比越来越高,随着运行年限的增长,电缆外绝缘出现缺陷的频率逐年增加。当电缆外绝缘破损使金属护层出现多点接地故障时,会引起环流超标,加速绝缘层电-热老化,严重影响电缆的使用寿命与运行安全。传统的离线检测方法无法及时发现电缆护层绝缘的缺陷。因此,若能在线检测电缆外绝缘的健康状态,进行故障点的预警与定位,对保障电力系统安全稳定运行具有重要的意义。为了研究电缆线路中高频信号的传播特性,本文建立电缆线路的等效模型,分析高频信号在电缆中的传播过程,计算三相电缆线路的频变参数矩阵;根据频变参数矩阵与多导体系统相模变换理论分析高频信号的各模量在电缆中的衰减与色散特性,并总结高频信号在阻抗不匹配点处的折反射规律。在分析高频信号传播规律的基础上,结合环流越限原理和可控脉冲注入原理对电缆护层多点接地在线检测方法展开研究。首先研究环流产生机理,针对不同接地方式和接地点数目时接地环流进行仿真分析,确定故障时环流比大小,由此设置故障启动元件。然后通过定时向电缆金属护层中注入高频脉冲信号实现故障接地点的检测和定位,分析脉冲参数、波速、采样率及线路不均匀性对电缆金属护层故障接地点检测与定位的影响。综合上述分析,本文提出一种电缆金属护层多点接地时各故障点在线检测方法。为了验证所提在线检测方法的可行性,在ATP-EMTP中搭建不同故障接地点时的仿真模型,并根据小波相关理论对故障点进行识别与定位。根据改进的小波阈值函数,对故障点反射信号进行去噪,仿真结果表明改进阈值函数能够较好地滤除噪声,同时保留突变点特征。根据小波包理论分析去噪后信号在不同频段内的能量分布,对主能量带信号进行单支重构。根据信号相关理论获取重构信号的相关系数,并利用局部最值法对故障点进行识别与定位。仿真结果表明,小波重构脉冲能够实现故障接地点的识别与定位,且定位精度高于矩形脉冲,与高斯包络窄带脉冲相近。最后,构建在线检测系统的整体架构,并针对高频脉冲发生器、信号注入及保护电路、高频传感器等核心模块进行设计。基于开关电源原理设计高频脉冲发生器,利用全桥逆变电路实现可控高频矩形脉冲的输出。采用电容耦合的方式进行信号注入,同时设计保护电路防止过电压侵入损害高频脉冲发生器,实现不影响信号注入的前提下对电路进行保护。在分析自积分型Rogowski的测量原理及各电气结构参数对线圈频率特性的影响的基础上,设计宽带高频传感器,仿真结果表明传感器具有良好的频率特性及输入输出关系,能够满足高频信号的测量需求。

关键词： 电力电缆   时频域反射法   信号处理   时频分析   缺陷定位  

摘要： 随着我国“碳达峰”“碳中和”发展战略的提出,绿色能源的重要性日益凸显。电能作为一种高效可靠的绿色能源,得到了大范围的使用。电力电缆作为电能传输的重要载体,其敷设里程近年来迅速增长。由于电缆运行环境较为恶劣,在长期运行以及人为敷设安装不规范等因素影响下,极易产生缺陷。若不及时对缺陷进行排查处理,这些缺陷极有可能会造成大规模停电等事故,带来较大的生命财产损失。因此,对电缆缺陷进行高效的无损探测,有效地排查电缆潜在的缺陷是尤其关键的。 传统时域反射法由于其高频成分含量较低,在电缆中的传播过程中信号衰减较大,且无法对信号色散衰减进行补偿,因此仅能够适用于较为严重的缺陷或故障,无法对局部微弱缺陷进行很好地探测,定位准确度较低;而频域反射法具备着较多频率成分,通过对信号的幅值和相位进行分析,能够对电缆微弱缺陷进行有效定位,但该方法无法对缺陷处时域信息进行反映,且在数据处理时引入的傅里叶变换会造成频谱泄漏以及栅栏效应等,会使得定位准确性受到一定的干扰。 基于此,本文提出时频域反射法来对电缆缺陷进行定位诊断。对时频域反射法在电缆缺陷定位上的有效性开展了研究,本文的具体研究工作如下: (1)对电缆传输线模型进行了论证,建立了电缆分布参数等效电路,在此基础上构建了含缺陷电缆的传递函数。同时对信号的传播过程进行了探究,研究了信号在电缆中的衰减和波速度的频变特性。 (2)提出了基于时频域反射法的电缆缺陷定位技术,首先对时频域反射法采用的高斯包络线性可调频参考信号性质进行了探究;然后结合参考信号的特性,提出了一种基于波形时域包络线的定位技术,在噪声抑制以及带通滤波后,利用时域包络线技术实现了对电缆缺陷的有效定位,同时结合时域波形变化情况可对电缆缺陷类型进行判断。 (3)对非平稳信号的时频域分析方法进行了探究,提出利用维格纳分布对参考信号进行时频域展开分析。同时针对维格纳分布对复谐波叠加信号进行时频分析时存在的交叉项问题,本文利用伪维格纳分布和平滑伪维格纳分布进行时频分析方法改进。并引入信号时频域互相关函数,实现了电缆缺陷的定位,同时结合波形传播特性提出中心时间修正系数,提高了电缆缺陷的定位准确性。 (4)制作电缆典型缺陷样本进行实验验证。研究了时频域反射法对电缆本体铜屏蔽层腐蚀缺陷的定位有效性。同时制作了电力电缆中间接头,并进行受潮处理,通过一定周期间隔对其进行跟踪测试,得到了随受潮时间增加,时频域反射法定位结果的变化情况,提出一种中间接头受潮的诊断依据。 综上,本文所提方法可对电缆局部缺陷进行有效定位诊断,为电缆缺陷排查的现场工程应用提供了一个新的解决思路。

关键词： 电力电缆   局部放电   超声检测   模式识别  

摘要： 由于安装操作、制造工艺以及运行环境等影响,交联聚乙烯电力电缆容易发生绝缘故障。局部放电作为电缆绝缘失效的早期征兆,研究电缆局放的检测与模式识别,对排除电缆隐患,提升其运行可靠性有重大意义。超声检测法具有操作简单,不影响被测设备,受外部电磁噪声影响小等特点。目前,超声法应用于电缆局部放电诊断亟待进一步研究,包括明确超声检测指标和定量检测方法,准确建立PRPD等局部放电分析模式,提升局部放电类型识别率等方面。本文通过电缆局部放电的超声传播模型分析了检测位置和超声频率对局放超声信息获取的影响。结合分析结果和相关技术标准,研制了局部放电超声检测装置,利用脉冲电流法的检测结果对比证明该超声检测装置的有效性。在10k V交联聚乙烯电缆上模拟三类缺陷,采用脉冲电流法和超声法同时获取局部放电样本。结合硬件滤波、软件滤波和自适应阈值的小波变换法去除局放信号中的噪声干扰,该方法抑制噪声的同时较好地保留了局放超声波形的特征。研究局放超声信号与视在放电量之间的关系,先从局部放电产生超声波的原理分析了超声信号能量、幅值与视在放电量的关系,然后提取试验的超声信号能量、振幅、持续时间三个特征量,通过脉冲电流法的电信号计算视在放电量,对超声信号特征量与视在放电量的关系拟合分析。结果表明,在超声检测频段30-50k Hz和试验电压5-9k V范围内,超声信号振幅与视在放电量成正比,超声能量与视在放电量的平方近似线性关系,不同电缆缺陷的超声特征量与视在放电量之间的关系拟合曲线不相同。所得结论对选取局放超声检测指标和通过超声特征量估计放电量提供参考依据,也为后续建立局部放电分析模式提供研究基础。提出一种基于多特征的KNN-DBN决策融合的电缆局部放电识别算法。分别构建超声局放相位分布模式(PRPD)和局放时间分布模式(TRPD),提出基于超声能量和电信号的时间差计算方法,准确建立局部放电超声PRPD,进一步提取二维图谱的27维统计算子;对超声信号进行加窗分帧处理,提取短时能量、功率谱重心频率作为TRPD特征量。采用高斯核函数加权改进K-近邻算法(KNN),相较传统KNN和线性支持向量机,该算法对TRPD特征有更高的识别率和识别速度,且噪声干扰下鲁棒性较好;采用深度信念网络(DBN)实现PRPD高维特征的识别,相较浅层神经网络识别率提升明显。最后,基于Dempster-Shafer证据理论,将KNN和DBN的识别结果在决策层进行融合,进一步提升识别率达92.38%,实现不同局放模式信息的充分利用与提升识别结果的可靠性。