[發(fā)明專利]基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障仿真分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410030376.7
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103728539A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂安強(qiáng);李永倩;李靜;宋士剛
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)(保定)
• 主分類號: G01R31/08
• 分類號: G01R31/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障仿真分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：在電磁暫態(tài)仿真軟件中建立電纜系統(tǒng)模型、設(shè)置線路參數(shù)、確定故障類型、進(jìn)行故障仿真、獲得故障時的電流值，具體方法如下：

(1)選定電磁暫態(tài)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC等同類計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，根據(jù)線路連接形式建立電纜系統(tǒng)模型，選用π型等值電路模擬電纜；

(2)確定電纜類型和型號，獲取電纜參數(shù)，包括電壓等級、長度、中性點(diǎn)接地方式、工作頻率、正序阻抗、零序阻抗；確定電源類型、變壓器容量和變比；確定用戶負(fù)荷、用戶等效阻抗；將所有參數(shù)輸入建立好的電纜系統(tǒng)模型中；

(3)確定故障類型，主要包括單相接地短路、兩相短路、三相短路、兩相接地短路、三相接地短路、單相斷路等；接地短路故障通過直接與地短接或通過小電阻短接地實(shí)現(xiàn)，兩相或三相短路通過兩相或三相直接短接或通過小電阻短接實(shí)現(xiàn)，兩相或三相接地短路通過先兩相或三相相間短路再接地或兩相或三相分別接地實(shí)現(xiàn)，單相斷路通過切斷線路或故障點(diǎn)串聯(lián)大電阻實(shí)現(xiàn)；

(4)進(jìn)行故障仿真；根據(jù)電纜繼電保護(hù)裝置動作時間設(shè)定故障的起始和結(jié)束時刻；在電纜系統(tǒng)模型中的故障線路段放置電流表和電壓表；調(diào)用電磁暫態(tài)仿真軟件的仿真命令進(jìn)行仿真；

(5)獲取故障電流；利用電纜系統(tǒng)模型中放置的電流表和電壓表讀取故障前后的電流值及變化過程；

步驟2：根據(jù)IEC60287標(biāo)準(zhǔn)建立電纜的暫態(tài)熱路模型，計算故障時電纜的暫態(tài)溫度，具體方法如下：

(1)根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)和材料特性，利用IEC60287標(biāo)準(zhǔn)中介紹的熱路模型構(gòu)建方法建立電纜的熱路模型；

(2)根據(jù)電纜各層材料的厚度、熱阻系數(shù)、熱容系數(shù)，利用IEC60287標(biāo)準(zhǔn)中介紹的損耗、熱阻和熱容計算公式計算金屬層和絕緣層的損耗、各層的熱阻和熱容；

(3)根據(jù)電纜穩(wěn)態(tài)時的溫度、故障持續(xù)時間，利用建立好的熱路模型計算故障結(jié)束時刻電纜各層及測溫光纖的暫態(tài)溫度；

步驟3：建立電纜和測溫光纖的熱力學(xué)有限元模型，利用該模型仿真故障前電纜的穩(wěn)態(tài)溫度場分布、故障后電纜和測溫光纖的暫態(tài)溫度場分布和變化，具體方法如下：

(1)選定有限元仿真軟件，如ANSYS等同類軟件，經(jīng)過單元與材料模型選擇、幾何模型建立、網(wǎng)格劃分、載荷施加等過程建立電纜和周圍環(huán)境的熱力學(xué)有限元模型；電纜各層使用SOLID90三維二十節(jié)點(diǎn)熱實(shí)體單元，材料特性由導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容確定，幾何模型根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸確定，網(wǎng)格劃分采用非均勻方式，載荷由電纜各層損耗換算出的熱生成率、電纜和環(huán)境初始溫度、電纜與周圍環(huán)境的換熱系數(shù)和邊界條件確定；

(2)調(diào)用有限元仿真軟件中的仿真工具進(jìn)行電纜故障前后的熱力學(xué)仿真；先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，獲得電纜正常運(yùn)行時各層溫度分布和測溫光纖的溫度分布，為步驟2中暫態(tài)熱路模型的計算提供初值；再進(jìn)行暫態(tài)仿真，獲得故障引發(fā)繼電保護(hù)裝置切斷電源后電纜各層和測溫光纖的溫度分布及隨時間的變化；

步驟4：分析仿真結(jié)果，獲得電纜電氣故障識別和定位判據(jù)，具體方法如下：

(1)單相接地短路故障發(fā)生后，故障點(diǎn)至電源側(cè)的電纜導(dǎo)體溫度急劇升高，電纜層間熱交換導(dǎo)致測溫光纖溫度隨之上升，故障點(diǎn)至用戶側(cè)電纜導(dǎo)體溫度緩慢下降，電纜層間熱交換導(dǎo)致測溫光纖溫度隨之下降，據(jù)此可識別單相接地短路故障，并根據(jù)測溫光纖上故障點(diǎn)兩側(cè)不同的溫度變化趨勢定位故障點(diǎn)；兩相短路、三相短路、兩相接地短路、三相接地短路具有相同的特點(diǎn)，均可根據(jù)以上判據(jù)進(jìn)行定位；

(2)斷路故障發(fā)生后，故障點(diǎn)兩側(cè)的導(dǎo)體電流都變?yōu)榱悖鶕?jù)光纖溫度分布特點(diǎn)無法識別和定位故障；由于海纜導(dǎo)體的彈性模量和最大可承受應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖，當(dāng)導(dǎo)體中斷后，光纖必定已斷裂，分布式光纖測溫數(shù)據(jù)在光纖斷裂點(diǎn)之后會發(fā)生丟失，據(jù)此可識別和定位斷路故障。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障仿真分析方法，其特征在于，電纜導(dǎo)體的溫度分布和變化應(yīng)能夠通過測溫光纖的溫度反映出來，測溫光纖的溫度能通過分布式光纖測溫裝置測量獲得。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障仿真分析方法，其特征在于，測溫光纖可以是電纜內(nèi)復(fù)合的光纖，或是敷設(shè)于電纜表面的光纜；分布式光纖測溫裝置可以是基于光纖拉曼散射、基于光纖布里淵散射或基于光纖瑞利相干檢測等原理的所有分布式光纖測溫設(shè)備或儀器。