基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障仿真分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了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溫的電纜電氣故障仿真分析方法。該方法利用電磁暫態(tài)仿真軟件建立電纜故障模型、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；根據(jù)IEC60287標(biāo)準(zhǔn)建立電纜暫態(tài)熱路模型，計算故障時電纜的暫態(tài)溫度；利用有限元仿真軟件建立電纜和測溫光纖的熱力學(xué)有限元模型，仿真電纜和測溫光纖在故障前的穩(wěn)態(tài)溫度場分布和故障后的暫態(tài)溫度場分布與變化；根據(jù)仿真結(jié)果中測溫光纖的溫度分布和變化規(guī)律獲得電纜電氣故障識別和定位判據(jù)。本發(fā)明解決了利用測溫光纖溫度分布數(shù)據(jù)分析電纜電氣故障時準(zhǔn)確性差、實(shí)驗困難等問題，具有故障設(shè)置靈活，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障仿真分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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溫的電纜電氣故障仿真分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，利用一根測溫光纖就可以獲得沿線的溫度分布信息。測溫光纖溫度的測量一般通過光纖內(nèi)的光信號強(qiáng)度或頻率信息獲得，實(shí)現(xiàn)光信號測量的設(shè)備稱為分布式光纖溫度測量設(shè)備，基于光纖拉曼散射的溫度測量儀、基于光纖布里淵散射的應(yīng)變和溫度測量儀和基于光纖瑞利相干檢測的應(yīng)變和溫度測量儀都屬于此類設(shè)備。
[0003]電能是國民經(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)測可充分發(fā)揮光纖分布式測溫的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電纜健康狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。
[0004]然而，電纜徑向一般采用多層結(jié)構(gòu)、軸向具有長距離特點(diǎn)，導(dǎo)致電纜的溫度分布和時間變化復(fù)雜，測溫光纖測量的溫度如何反應(yīng)電纜的電氣故障是一項亟待解決的問題。
[0005]目前，電力工作者一般采用兩種方法，一種是通過經(jīng)驗判斷溫度和故障的關(guān)系，另一種是利用實(shí)體實(shí)驗獲得二者關(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)驗難度大、成本高、周期長、靈活性差，往往實(shí)現(xiàn)困難。
[0006]針對以上問題，本發(fā)明提出了一種基于分布式光纖測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)驗的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)利用分布式光纖測溫進(jìn)行電纜電氣故障的識別和定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，提出一種基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障仿真分析方法，用于解決利用測溫光纖溫度分布數(shù)據(jù)分析電纜電氣故障時準(zhǔn)確性差、實(shí)驗困難等問題。
[0008]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溫的電纜電氣故障仿真分析方法，其特征是所述方法包括:
[0009]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:
[0010](I)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η型等值電路模擬電纜；
[0011](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；
[0012](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)；
[0013](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；
[0014](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；
[0015]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:
[0016](I)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；
[0017](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；
[0018](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；
[0019]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:
[0020](I)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S0LID90三維二十節(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；
[0021](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；
[0022]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:
[0023](I)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；
[0024](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。
[0025]所述分布式光纖測溫數(shù)據(jù)通過分布式光纖測溫裝置測量獲得，電纜導(dǎo)體的溫度分布和變化能通過測溫光纖的溫度反映出來。[0026]所述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。
[0027]所述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。
[0028]本發(fā)明的有益效果:1、本發(fā)明充分利用各種仿真分析方法的特點(diǎn)，可準(zhǔn)確地獲取電纜電氣故障時的電氣參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)，獲得充分、全面的電纜故障數(shù)據(jù)；2、本發(fā)明克服了利用經(jīng)驗判斷故障類型準(zhǔn)確性差和實(shí)體實(shí)驗困難大等缺點(diǎn)；3、本發(fā)明提出的故障仿真分析方法故障設(shè)置靈活，工作效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為基于分布式光纖測溫的電纜電氣故障仿真分析方法流程圖；
[0030]圖2為利用PSCAD/EMTDC軟件建立的電纜系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型；
[0031 ]圖3為利用PSCAD/EMTDC軟件建立的電纜故障發(fā)生模塊；
[0032]圖4為利用PSCAD/EMTDC軟件仿真得到的A相接地短路故障時A、B、C各相的電流變化；
[0033]圖5為根據(jù)IEC60287標(biāo)準(zhǔn)建立的海纜暫態(tài)熱路模型；
[0034]圖6為在有限元仿真軟件ANSYS中進(jìn)行的海纜和周圍土壤溫度場網(wǎng)格劃分效果圖；
[0035]圖7為利用ANSYS仿真得到的海纜和周圍土壤穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖；
[0036]圖8為利用ANSYS仿真得到的各類故障導(dǎo)致海纜內(nèi)復(fù)合光纖的溫度變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0037]本發(fā)明給出的電纜電氣故障仿真分析方法流程圖如圖1所示。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明:
[0038]1、利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立電纜系統(tǒng)模型、設(shè)置線路參數(shù)。以某海峽敷設(shè)的光纖復(fù)合海底電纜為例，海纜為YJQ41型IlOkV三相單芯高壓交流電纜，中性點(diǎn)接地方式為直接接地。海纜長3km，與50Hz工頻電壓波長相比長度較短，所以選用π型等值電路模擬海纜。由海纜技術(shù)協(xié)議得正序阻抗為0.077 Ω/km，零序阻抗與正序阻抗比值為
2.415 ;海纜兩側(cè)各有約15km的高壓架空線，正序阻抗為0.445 Ω /km ;負(fù)荷采用恒定電阻模型，為滿足用戶變電站0.2kA運(yùn)行負(fù)荷電流的要求，電阻選用300 Ω ;變壓器額定容量為94.5MVA，變比為10.5/1 IOkV ;最后，建立仿真模型如圖2所示。
[0039]2、設(shè)置故障類型，建立故障模塊。海纜故障主要分為單相接地短路、兩相短路、三相短路、兩相接地短路、三相接地短路和斷路六種類型，其中常見的是單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路和斷路。將故障發(fā)生模塊建立在圖2中的海纜部分，可以產(chǎn)生單相接地短路、相間短路及斷路等故障，模塊如圖3所示。圖3中COUPLED PI SECTION為海纜π型等值電路，分為兩段。Ia_l、Ib_l、Ic_l、Ia_2、Ib_2、Ic_2 為電流表，BRK_a、BRK_b 和 BRK_c 為斷路發(fā)生器，通過Timed BREAKer Logic控制斷路方式和時間；FAULTS為短路發(fā)生器，通過Timed Fault Logic控制短路發(fā)生方式和時間。在海纜故障發(fā)生模塊中，使用兩段π型等值電路模擬海纜，在中間加入斷路、短路故障發(fā)生裝置，調(diào)節(jié)η型等值電路的Line Length參數(shù)，即可將海纜分為任意長度的兩段，方便模擬海纜不同位置發(fā)生故障情況。為提高計算的真實(shí)性，斷路發(fā)生器中使用極小電阻模擬通路，極大電阻模擬斷路；短路發(fā)生器中使用極小電阻模擬短路，且短路電阻可調(diào)，用于模擬不同阻值短路故障，用極大電阻模擬無故障狀態(tài)。
[0040]3、進(jìn)行故障仿真、獲得故障時的電流值。以單相接地短路故障為例，根據(jù)故障時繼電保護(hù)裝置的反應(yīng)時間長度，設(shè)定故障持續(xù)時間為ls，設(shè)置模型在0.12s至1.12s內(nèi)對故障進(jìn)行了仿真，得到的A相接地短路故障電流變化如圖4所示。圖4中，a點(diǎn)時間為0，b點(diǎn)時間為0.12s，c點(diǎn)時間為1.12s，d點(diǎn)時間為L 2s。a至b為海纜A、B、C三相從啟動到穩(wěn)定運(yùn)行的電流變化過程，b時刻海纜運(yùn)行電流已達(dá)穩(wěn)態(tài)；b至c為海纜發(fā)生A相接地短路故障時A、B、C三相電流變化情況，幅值較大的波形為A相電流，幅值較小的波形為B、C相電流；c至d為海纜故障排除后A、B、C三相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流。讀取仿真結(jié)果得，A相接地短路故障發(fā)生后，A、B、C三相的電流依次為6.288kA、0.270kA和0.251kA。
[0041]4、根據(jù)IEC60287標(biāo)準(zhǔn)建立海纜的暫態(tài)熱路模型，計算熱路參數(shù)。
[0042]根據(jù)海纜結(jié)構(gòu)確定海纜的熱路模型如圖5所示。圖5中，Wtl為銅導(dǎo)體損耗，W1為XLPE絕緣層損耗，W2為鉛合金護(hù)套損耗，W3為黃銅帶損耗，W4為鋼絲鎧裝層損耗；Θ ^為銅導(dǎo)體表面溫度，Θ i為半導(dǎo)電包帶外表面溫度，Q2SXLPE絕緣層外表面溫度，03為半導(dǎo)電阻水帶外表面溫度，θ4為鉛合金護(hù)套外表面溫度，θ5為浙青防腐層外表面溫度，θ6為高密度聚乙烯塑料護(hù)層外表面溫度，Θ 7為黃銅帶外表面溫度，Θ 8為PET填充條外表面溫度(亦即測溫光纖溫度)，Θ9*ΡΡ繩內(nèi)襯層外表面溫度，θ1(ι為鋼絲鎧裝層外表面溫度，Q11為外護(hù)套(PP繩被層)外表面溫度；Ci(i = O~11)為對應(yīng)海纜各層熱容Ji (i = I~11)為對應(yīng)海纜各層熱阻；Θ &~θ m為海纜外部熱源溫度，Ttjl~Tm為海纜外部熱源至電纜表面介質(zhì)熱阻，C0為海纜外部介質(zhì) 等效熱容。
[0043]損耗、熱容、熱阻的計算按照以下步驟進(jìn)行:
[0044](I)確定海纜各層的材料參數(shù)，如表1所示。
[0045]表1海纜的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)
[0046]
【權(quán)利要求】
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η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S0LID90三維二十節(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: (I)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?，根?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。
【文檔編號】G01R31/08GK103728539SQ201410030376
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】呂安強(qiáng), 李永倩, 李靜, 宋士剛 申請人:華北電力大學(xué)（保定）