[發(fā)明專利]基于分布式光纖測(cè)溫的電纜電氣故障仿真分析方法

有效

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

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電纜電氣故障仿真分析領(lǐng)域，特別涉及一種基于分布式光纖測(cè)溫的電纜電氣故障仿真分析方法。

背景技術(shù)

隨著分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，利用一根測(cè)溫光纖就可以獲得沿線的溫度分布信息。測(cè)溫光纖溫度的測(cè)量一般通過(guò)光纖內(nèi)的光信號(hào)強(qiáng)度或頻率信息獲得，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)測(cè)量的設(shè)備稱為分布式光纖溫度測(cè)量設(shè)備，基于光纖拉曼散射的溫度測(cè)量?jī)x、基于光纖布里淵散射的應(yīng)變和溫度測(cè)量?jī)x和基于光纖瑞利相干檢測(cè)的應(yīng)變和溫度測(cè)量?jī)x都屬于此類設(shè)備。

電能是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，電纜存在于現(xiàn)代化建設(shè)的各行各業(yè)，其重要性不言而喻。將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于電纜溫度監(jiān)測(cè)可充分發(fā)揮光纖分布式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電纜健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

然而，電纜徑向一般采用多層結(jié)構(gòu)、軸向具有長(zhǎng)距離特點(diǎn)，導(dǎo)致電纜的溫度分布和時(shí)間變化復(fù)雜，測(cè)溫光纖測(cè)量的溫度如何反應(yīng)電纜的電氣故障是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。

目前，電力工作者一般采用兩種方法，一種是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷溫度和故障的關(guān)系，另一種是利用實(shí)體實(shí)驗(yàn)獲得二者關(guān)系。前者準(zhǔn)確性和可靠性差，往往導(dǎo)致誤判和漏判；后者實(shí)驗(yàn)難度大、成本高、周期長(zhǎng)、靈活性差，往往實(shí)現(xiàn)困難。

針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于分布式光纖測(cè)溫的電纜電氣故障仿真分析方法，既能提高故障判斷的準(zhǔn)確性和可靠性，又能克服實(shí)體實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)利用分布式光纖測(cè)溫進(jìn)行電纜電氣故障的識(shí)別和定位。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提出一種基于分布式光纖測(cè)溫的電纜電氣故障仿真分析方法，用于解決利用測(cè)溫光纖溫度分布數(shù)據(jù)分析電纜電氣故障時(shí)準(zhǔn)確性差、實(shí)驗(yàn)困難等問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是，一種基于分布式光纖測(cè)溫的電纜電氣故障仿真分析方法，其特征是所述方法包括：

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(shí)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(hào)，獲取電纜參數(shù)，包括電壓等級(jí)、長(zhǎng)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(guò)直接與地短接或通過(guò)小電阻短接地實(shí)現(xiàn)，兩相或三相短路通過(guò)兩相或三相直接短接或通過(guò)小電阻短接實(shí)現(xiàn)，兩相或三相接地短路通過(guò)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(guò)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(dòng)作時(shí)間設(shè)定故障的起始和結(jié)束時(shí)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(guò)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(jì)算故障時(shí)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(jì)算公式計(jì)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(shí)的溫度、故障持續(xù)時(shí)間，利用建立好的熱路模型計(jì)算故障結(jié)束時(shí)刻電纜各層及測(cè)溫光纖的暫態(tài)溫度；

步驟3：建立電纜和測(cè)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(chǎng)分布、故障后電纜和測(cè)溫光纖的暫態(tài)溫度場(chǎng)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(guò)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(guò)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；