[發明專利]基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障分析方法

在審

• 申請號: 201610341789.6
• 申請日: 2016-05-20
• 公開（公告）號: CN107402338A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 孫寶平;侯宏生;董學坤;楊福君;杜彬;田小禾;李雙寶
• 申請（專利權）人: 國網天津市電力公司;國家電網公司
• 主分類號: G01R31/08
• 分類號: G01R31/08;G01K11/32
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司12108
• 代理人: 王顕

1.一種基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：在電磁暫態仿真軟件中建立電纜系統模型、設置線路參數、確定故障類型、進行故障仿真、獲得故障時的電流值，具體方法如下：

(1)選定電磁暫態仿真軟件，如PSCAD/EMTDC等同類計算機輔助設計軟件，根據線路連接形式建立電纜系統模型，選用二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，包括電壓等級、長度、中性點接地方式、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；確定用戶負荷、用戶等效阻抗；將所有參數輸入建立好的電纜系統模型中；

(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現，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現，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現，單相斷路通過切斷線路或故障點串聯大電阻實現；

(4)進行故障仿真；根據電纜繼電保護裝置動作時間設定故障的起始和結束時刻；在電纜系統模型中的故障線路段放置電流表和電壓表；調用電磁暫態仿真軟件的仿真命令進行仿真；

(5)獲取故障電流；利用電纜系統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：根據工EC60287標準建立電纜的暫態熱路模型，計算故障時電纜的暫態溫度，具體方法如下：

(1)根據電纜的結構和材料特性，利用工EC60287標準中介紹的熱路模型構建方法建立電纜的熱路模型；

(2)根據電纜各層材料的厚度、熱阻系數、熱容系數，利用工EC60287標準中介紹的損耗、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)根據電纜穩態時的溫度、故障持續時間，利用建立好的熱路模型計算故障結束時刻電纜各層及測溫光纖的暫態溫度；

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

(1)選定有限元仿真軟件，如ANSYS等同類軟件，經過單元與材料模型選擇、幾何模型建立、網格劃分、載荷施加等過程建立電纜和周圍環境的熱力學有限元模型；電纜各層使用SOL工D90三維二十節點熱實體單元，材料特性由導熱系數、密度和比熱容確定，幾何模型根據電纜結構、形狀和尺寸確定，網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、電纜和環境初始溫度、電纜與周圍環境的換熱系數和邊界條件確定；

(2)調用有限元仿真軟件中的仿真工具進行電纜故障前后的熱力學仿真；先進行穩態仿真，獲得電纜正常運行時各層溫度分布和測溫光纖的溫度分布，為步驟2中暫態熱路模型的計算提供初值；再進行暫態仿真，獲得故障引發繼電保護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：分析仿真結果，獲得電纜電氣故障識別和定位判據，具體方法如下：

(1)單相接地短路故障發生后，故障點至電源側的電纜導體溫度急劇升高，電纜層間熱交換導致測溫光纖溫度隨之上升，故障點至用戶側電纜導體溫度緩慢下降，電纜層間熱交換導致測溫光纖溫度隨之下降，據此可識別單相接地短路故障，并根據測溫光纖上故障點兩側不同的溫度變化趨勢定位故障點；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，均可根據以上判據進行定位；

(2)斷路故障發生后，故障點兩側的導體電流都變為零，根據光纖溫度分布特點無法識別和定位故障；由于海纜導體的彈性模量和最大可承受應力都遠遠大于光纖，當導體中斷后，光纖必定已斷裂，分布式光纖測溫數據在光纖斷裂點之后會發生丟失，據此可識別和定位斷路故障。

2.根據權利要求1所述基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障分析方法，其特征在于，電纜導體的溫度分布和變化應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.根據權利要求1所述基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障分析方法，其特征在于，測溫光纖可以是電纜內復合的光纖，或是敷設于電纜表面的光纜；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備或儀器。