CN102721909B - 电缆本体特高频辐射特性仿真方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电缆本体特高频辐射特性仿真方法和系统，其方法包括步骤：对预先构建的电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分；对仿真中的局部放电信号源进行设置；设置一个以上的数据采集点；经预设时间仿真后得到各数据采集点的采集结果，根据各数据采集点的采集结果分析得出电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性。本发明的仿真结果可以良好的拟合工程实际，而且相比于现场试验具有更好的经济性和可实施性。

Description

电缆本体特高频辐射特性仿真方法和系统

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，特别是涉及一种电缆本体的特高频辐射特性仿真方法和系统。

背景技术

交联聚乙烯(简称XLPE)电缆本体是电缆绝缘的薄弱环节和运行故障多发部位。其内部存在大量复合界面，在铜屏蔽、半导体屏蔽、绝缘层和线芯的剥切处产生电应力集中现象，而现场制作安装过程中又难以避免灰尘、导电微粒、水分等杂质侵入，从而在电缆中间接头形成潜在的缺陷，在电缆运行过程中极易引起局部放电，甚至导致绝缘事故的发生。因此，有必要研究典型局部放电脉冲信号源在电缆本体的特高频辐射特性图谱，并将研究成果与工程实际相联系，使成果实现工程化。

电缆本体在发生局部放电时会产生纳秒级的脉冲电流，频率范围可以达到数兆赫兹，特高频局部放电的检测法是利用特高频传感器接收局部放电脉冲激发的电磁波信号，其检测频率范围高(300兆赫兹～3吉赫兹)，能避开现场存在的诸多低频段，具有良好的抗干扰性和较高的灵敏度，但这种检测方法尚处于起步阶段。此外，由于，电缆本体的多层屏蔽结构会影响电磁波的传播，复合介质交界面的折射、反射也会引起信号衰减和畸变的发生，这些诸多因素增加了特高频局部放电信号的检测法检测信号的难度，因此，有必要研究典型局部放电脉冲信号源在电缆本体特高频辐射特性，如衰减特性、辐射方向等等，并将研究成果与工程实际相联系，使成果实现工程化，如对合理的选择特高频传感器的型号、检测位置进行指导。

传统的研究电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性一般是建立真实的试验模拟平台，进行试验验证，但是这种方式成本较高、工程量大，而且不同的试验条件可能会得出不同的结果，同时，由于实际试验中，会存在各种噪声及其他因素的影响，信号在电缆本体中衰减又较为剧烈，往往实际检测中不能得到良好的试验结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电缆本体的特高频辐射特性仿真方法和系统，通过仿真的方式研究电缆本体中的局部放电信号的特高频辐射特性。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种电缆本体特高频辐射特性仿真方法，包括如下步骤：

根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型，其中，所述电缆本体模型为三维模型，所述根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型包括如下步骤：分别根据电缆本体各部件的尺寸搭建各部件模型；根据各部件材料的电气参数对各部件模型的材料电气参数进行设；

对所述电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分；

对仿真中的局部放电信号源进行设置；

在两两垂直的三个方向上分别设置一个以上的数据采集点；

经预设时间仿真后得到各数据采集点的采集结果，根据各数据采集点的采集结果分析得出电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性，所述根据各数据采集点的采集结果得到电缆本体特高频辐射特性包括步骤：根据仿真结果获取不同信号源条件下同一数据采集点的峰峰值变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律，或者/和根据仿真结果获取不同信号源条件下同一数据采集点的频谱变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的频谱变化规律。

一种电缆本体特高频辐射特性仿真系统，包括：

电缆模型构建模块，用于根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型，其中，所述电缆本体模型为三维模型，所述根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型包括：分别根据电缆本体各部件的尺寸搭建各部件模型；根据各部件材料的电气参数对各部件模型的材料电气参数进行设置；

仿真初始设置模块，用于对所述电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分、对仿真中的局部放电信号源进行设置、在两两垂直的三个方向上分别设置一个以上的数据采集点；

仿真分析模块，用于经预设时间仿真后得到各数据采集点的采集结果，根据各数据采集点的采集结果分析得出电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性；

其中，所述仿真分析模块包括场强峰峰值分析单元，用于获取不同信号源条件下同一数据采集点的峰峰值变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律；

或者/和

所述仿真分析模块还包括频谱分析单元，用于获取不同信号源条件下同一数据采集点的频谱变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的频谱变化规律。

依据上述本发明的方案，是根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型，通过对该电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分，可实现在保证仿真结果精度前提下增加仿真可实施性，通过对仿真中的局部放电信号源进行设置以及数据采集点的设置可以便于得出特高频辐射特性。本发明得到的仿真结果可以良好的拟合工程实际，而且相比于现场试验具有更好的经济性和可实施性。

附图说明

图1为本发明电缆本体特高频辐射特性仿真方法的实施例流程示意图；

图2为本发明电缆本体特高频辐射特性仿真系统的第一实施例的结构框图；

图3为本发明电缆本体特高频辐射特性仿真系统的第二实施例的结构框图；

图4为图或图3中的仿真分析模块的结构框图；

图5为本发明电缆本体特高频辐射特性仿真系统的另一实施例的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明进行详细阐述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1所示，为本发明电缆本体特高频辐射特性仿真方法的实施例流程示意图，如图1所示，该实施例中的电缆本体特高频辐射特性仿真方法包括如下步骤：

步骤S101：对预先构建的电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分，进入步骤S102，由于考察的是辐射特性，电缆本体模型外部空间远大于绝缘接头本身，因此，一般需要对电缆本体模型及其外部空间进行自适应划分，以满足精度和广度的要求，如电缆本体模型很多部件结构较细，不允许使用较大的网格划分，但是电缆本体模型整体又十分巨大，都使用较细的网格划分是，计算量会很大，因此，引入自适应网格划分的方式，对电缆本体模型实体部分进行细化，而对外部空间使用较大尺寸的网格划分，可以实现仿真结果精度和仿真可实施性的完美结合，这部分一般都可以通过现有技术实现，不予加以赘述；

步骤S102：对仿真中的局部放电信号源进行设置，进入步骤S103，其中，设置局部放电信号源一般是根据实际中电缆本体中可能发生局部放电的位置，及实际的局部放电信号源的类型对对仿真中的局部放电信号源进行设置；

步骤S103：设置一个以上的数据采集点，进入步骤S104，其中，设置一个以上的数据采集点一般需要选取合理的数据采集点，以便得到明显的准确的仿真结果，也方便特高频辐射特性的得出；

步骤S104：经预设时间仿真后得到各数据采集点的采集结果，根据各数据采集点的采集结果分析得出电缆本体特高频辐射特性，采集结果中一般包括各数据采集点得到的场强波形图等，可以根据场强波形图读取各个方向的场强峰峰值，再根据各个数据采集点的场强峰峰值得出电缆本体特高频辐射特性，如在步骤S103沿着同一方向分别设置了若干个数据采集点，每个数据采集点距离局部放电信号源的远近不同，通过对比这些观测点的场强峰峰值，就可以得到步骤S102设置的局部局部放电信号源辐射的电池波沿着数据采集点设置方向的衰减情况，根据这一衰减情况，就可以很好的指导现场试验。

上述步骤S101、步骤S102、步骤S103是仿真的初始设置步骤，在实际操作过程中，通过更改仿真的初始设置，可以得到更精确的拟合现场试验的结果，具有较高的准确性。

依据上述本发明的方案，通过对预先电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分，可实现在保证仿真结果精度前提下增加仿真可实施性，通过对仿真中的局部放电信号源进行设置以及数据采集点的设置可以便于得出特高频辐射特性。本发明得到的仿真结果可以良好的拟合工程实际，而且相比于现场试验具有更好的经济性和可实施性。

在步骤S101中提及预先构建的电缆本体模型，在其中一个实施例中，构建的电缆本体模型可以是根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型，其中，构建的电缆本体模型为一个三维模型，材料的电气参数包括电导率及相对介电常数，在实际操作中，构建电缆本体模型可以使用Pro/E软件，Pro/E软件(Pro/Engineer操作软件)是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，可以在XFDTD软件中进行各部件的材料电气参数的设置，XFDTD软件是基于时域有限差分(FDTD)方法的全波三维电磁场仿真软件，但本发明不限于使用Pro/E软件和XFDTD，根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型具体可以包括：

步骤S100a：分别根据电缆本体各部件的尺寸搭建各部件模型，其中，在搭建各部件模型的过程中一般可以采用从里到外的顺序依次搭建，各部件模型一般包括线芯模型、内半导电层模型、电缆主绝缘模型、外半导电层模型、绝缘密封模型、外部屏蔽铜壳模型、热缩管模型、绝缘胶带模型；

步骤S100b：根据各部件材料的电气参数对各部件模型的材料电气参数进行设置，由于各部件模型的材料电气参数之间存在差异，对各部件模型的材料电气参数设置后，也便于仿真系统根据电气参数区别各部件模型。

在仿真中设置的局部放电信号源是要能反应实际中电缆本体中可能发生局部放电的位置、及局部放电源的类型，因此，在其中一个实施例中，对仿真中的局部放电信号源进行设置可以包括设置脉冲的类型、宽度、幅值、以及仿真中的局部放电信号源的位置。

为了便于得到比较准确的仿真结果，方便特高频特性的得出，一般是在两两垂直的三个方向上分别设置一个以上的数据采集点，如在两两相互垂直的X、Y、Z三个方向上分别设置一个以上的数据采集点，同时，一般是选其中一个方向是沿着线芯模型的轴向方向，如选择X方向是沿着线芯模型的轴向方向。

仿真结束后，用于仿真的软件，如XFDTD会给出各个数据采集点的场强波形图，一般可以从图中读取各数据采集点场强峰峰值，对各个采集点的场强峰峰值进行比对，以获取同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律，如在一次仿真中，在同一个方向上分别距离局部放电信号源1m、2m、3m、4m、5m、6m的位置设置了观测点，那么可以分别采集这些观测点的场强峰峰值，然后得到同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律，也可以在每次仿真的时候设置不同的局部放电信号源，如幅值分别为1mV、2mV、3mV、4mV、......的局部放电信号源，通过比较各个观测点的场强峰峰值，可以获取不同信号源条件下同一数据采集点的峰峰值变化规律。

另一方面，一般还要考虑各数据采集点的频谱特性及截止频率，因此，还可以通过对仿真结果进行频谱分析，如每次仿真都可以通过Labview软件对各数据采集点的频谱进行分析，获取不同信号源条件下同一数据采集点的频谱变化规律，也可以获取同一信号源条件下不同数据采集点的频谱变化规律。

通过本发明的仿真方法得到的特高频辐射特性是为了要指导现场试验，以期避免绝缘事故等类事件的发生，需要实际设置的特高频传感器能够检测的到电缆本体在运行过程中产生的局部放电，因此需要考虑特高频传感器的选取类型及设置位置，在其中一个事实例中，本发明的电缆本体特高频辐射特性仿真方法还包括步骤：根据电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性分析出在电缆本体中装设特高频传感器的位置和型号，如通过电缆直通机头中局部放电信号的传播特性仿真分析，距离局部放电信号源1m-2m之外信号几乎衰减为零，则这时候需要特高频传感器设置到距离局部放电信号源对应位置比较近的地方。

实施例2

根据上述本发明的电缆本体特高频辐射特性仿真方法，本发明还提供一种电缆本体特高频辐射特性仿真系统，以下就本发明的电缆本体特高频辐射特性仿真系统的具体实施例进行详细说明。图2中示出了本发明实施例的电缆本体特高频辐射特性仿真系统的结构示意图，仿真初始设置模块201、仿真分析模块202，其中：

仿真初始设置模块201，用于对预先构建的电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分、对仿真中的局部放电信号源进行设置、设置一个以上的数据采集点，其中，由于考察的是辐射特性，电缆本体模型外部空间远大于绝缘接头本身，因此，一般需要对电缆本体模型及其外部空间进行自适应划分，以满足精度和广度的要求，如电缆本体模型很多部件结构较细，不允许使用较大的网格划分，但是电缆本体模型整体又十分巨大，都使用较细的网格划分是，计算量会很大，因此，引入自适应网格划分的方式，对电缆本体模型实体部分进行细化，而对外部空间使用较大尺寸的网格划分，可以实现仿真结果精度和仿真可实施性的完美结合，这部分一般都可以通过现有技术实现，不予加以赘述；设置局部放电信号源一般是根据实际中电缆本体中可能发生局部放电的位置，及局部放电信号源的类型对对仿真中的局部放电信号源进行设置，设置一个以上的数据采集点一般是选取合理的数据采集点，以便得到明显的准确的结果，也方便特高频辐射特性的得出，在实际操作过程中，通过更改仿真的初始设置，可以得到更精确的拟合现场试验的结果，具有较高的准确性；

仿真分析模块202，用于经预设时间仿真后得到各数据采集点的采集结果，根据各数据采集点的采集结果分析得出电缆本体特高频辐射特性，在实际操作过程中，采集结果中一般包括各数据采集点得到的场强波形图等，可以根据场强波形图读取各个方向的场强峰峰值，再根据各个数据采集点的场强峰峰值得出电缆本体特高频辐射特性，如仿真初始设置模块201沿着同一方向分别设置了若干个数据采集点，每个数据采集点距离局部放电信号源的远近不同，通过对比这些观测点的场强峰峰值，就可以得到仿真初始设置模块201设置的局部局部放电信号源辐射的电池波沿着数据采集点设置方向的衰减情况，根据这一衰减情况，就可以很好的指导现场试验。

依据上述本发明的方案，仿真初始设置模块201通过对电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分，可实现在保证仿真结果精度前提下增加仿真可实施性，通过对仿真中的局部放电信号源进行设置以及数据采集点的设置可以便于得出特高频辐射特性。本发明得到的仿真结果可以良好的拟合工程实际，而且相比于现场试验具有更好的经济性和可实施性。

在其中一个实施例中，参见图3所示，本发明的电缆本体特高频辐射特性仿真系统还可以包括电缆模型构建模块203，用于根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型，其中，构建的电缆本体模型为一个三维模型，材料的电气参数包括电导率及相对介电常数，在实际操作中，构建电缆本体模型可以使用Pro/E软件，Pro/E软件(Pro/Engineer操作软件)是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，可以在XFDTD软件中进行各部件的材料电气参数的设置，XFDTD软件是基于时域有限差分(FDTD)方法的全波三维电磁场仿真软件，但本发明不限于使用Pro/E软件和XFDTD。

上述根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型具体可以包括分别根据电缆本体各部件的尺寸搭建各部件模型，根据各部件材料的电气参数对各部件模型的材料电气参数进行设置，其中，在搭建各部件模型的过程中一般可以采用从里到外的顺序依次搭建，各部件模型一般包括线芯模型、内半导电层模型、电缆主绝缘模型、外半导电层模型、绝缘密封模型、外部屏蔽铜壳模型、热缩管模型、绝缘胶带模型，由于各部件模型的材料电气参数之间存在差异，对各部件模型的材料电气参数设置后，也便于仿真系统根据电气参数区别各部件模型。

在仿真中设置的局部放电信号源是要能反应实际中电缆本体中可能发生局部放电的位置、及局部放电源的类型，因此，在其中一个实施例中，仿真初始设置模块201对仿真中的局部放电信号源进行设置包括设置脉冲的类型、宽度、幅值、以及仿真中的局部放电信号源的位置，使仿真中的局部放电信号源和实际中的局部放电信号源尽可能一致。

为了便于得到比较准确的仿真结果，方便特高频特性的得出，仿真初始设置模块201设置一个以上的数据采集点可以包括在两两垂直的三个方向上分别设置一个以上的数据采集点，如在两两相互垂直的X、Y、Z三个方向上分别设置一个以上的数据采集点，一般是选其中一个方向是沿着线芯模型的轴向方向，如选择X方向是沿着线芯模型的轴向方向。

仿真结束后，用于仿真的软件，如XFDTD一般会给出各数据采集点的场强波形图，一般可以在图中读取的数据采集点场强峰峰值，因此，如图4所示，仿真初始设置模块201可以包括场强峰峰值分析单元301，获取不同信号源条件下同一数据采集点的峰峰值变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律，具体可以是通过对各个采集点的的场强峰峰值进行比对，以获取同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律，如在一次仿真中，在同一个方向上分别距离局部放电信号源1m、2m、3m、4m、5m、6m的位置设置了观测点，那么可以分别采集这些观测点的场强峰峰值，然后得到同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律，也可以用于根据多次仿真结果获取不同信号源条件下同一数据采集点的峰峰值变化规律，如可以在每次仿真的时候设置不同的局部放电信号源，如幅值分别为1mV、2mV、3mV、4mV、......的局部放电信号源，通过比较各个观测点的场强峰峰值，可以获取不同信号源条件下同一数据采集点的峰峰值变化规律。

另一方面，一般还要考虑各数据采集点的频谱特性及截止频率，因此，仿真初始设置模块201还可以包括频谱分析单元302，可以用于根据多次仿真结果获取不同信号源条件下同一数据采集点的频谱变化规律，也可以用于根据多次仿真结果获取同一信号源条件下不同数据采集点的频谱变化规律，其中，频谱分析可以通过Labview软件实现。

通过本发明的电缆本体特高频辐射特性仿真系统得到的特高频辐射特性是为了要指导现场试验，以期避免绝缘事故等类事件的发生，需要特高频传感器能够检测的到电缆本体在运行过程中产生的局部放电，因此需要考虑特高频传感器的选取类型及设置位置，在其中一个实施例中，本发明的电缆本体特高频辐射特性仿真系统，如图5所示，还可以包括应用分析模块204，用于根据电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性分析出在电缆本体中装设特高频传感器的位置和型号，如通过电缆直通机头中局部放电信号的传播特性仿真分析，距离局部放电信号源1m-2m之外信号几乎衰减为零，则这时候需要特高频传感器设置到距离局部放电信号源对应位置比较近的地方。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种电缆本体特高频辐射特性仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型，其中，所述电缆本体模型为三维模型，所述根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型包括如下步骤：分别根据电缆本体各部件的尺寸搭建各部件模型；根据各部件材料的电气参数对各部件模型的材料电气参数进行设置；

对所述电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分；

对仿真中的局部放电信号源进行设置；

在两两垂直的三个方向上分别设置一个以上的数据采集点；

经预设时间仿真后得到各数据采集点的采集结果，根据各数据采集点的采集结果分析得出电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性，所述根据各数据采集点的采集结果得到电缆本体特高频辐射特性包括步骤：根据仿真结果获取不同信号源条件下同一数据采集点的峰峰值变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律，或者/和根据仿真结果获取不同信号源条件下同一数据采集点的频谱变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的频谱变化规律。

2.根据权利要求1所述的电缆本体特高频辐射特性仿真方法，其特征在于，所述各部件模型包括线芯模型、内半导电层模型、电缆主绝缘模型、外半导电层模型、绝缘密封模型、外部屏蔽铜壳模型、热缩管模型、绝缘胶带模型。

3.根据权利要求1所述的电缆本体特高频辐射特性仿真方法，其特征在于：

所述对仿真中的局部放电信号源进行设置包括设置脉冲的类型、宽度、幅值、以及仿真中的局部放电信号源的位置。

4.根据权利要求1至3之一所述的电缆本体特高频辐射特性仿真方法，其特征在于，还包括步骤：

根据电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性分析出在电缆本体中装设特高频传感器的位置和型号。

5.一种电缆本体特高频辐射特性仿真系统，其特征在于，包括：

电缆模型构建模块，用于根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型，其中，所述电缆本体模型为三维模型，所述根据电缆本体的尺寸及其材料的电气参数构建电缆本体模型包括：分别根据电缆本体各部件的尺寸搭建各部件模型；根据各部件材料的电气参数对各部件模型的材料电气参数进行设置；

仿真初始设置模块，用于对所述电缆本体模型及其外部空间进行自适应网格划分、对仿真中的局部放电信号源进行设置、在两两垂直的三个方向上分别设置一个以上的数据采集点；

仿真分析模块，用于经预设时间仿真后得到各数据采集点的采集结果，根据各数据采集点的采集结果分析得出电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性；

其中，所述仿真分析模块包括场强峰峰值分析单元，用于获取不同信号源条件下同一数据采集点的峰峰值变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的峰峰值变化规律；

或者/和

所述仿真分析模块还包括频谱分析单元，用于获取不同信号源条件下同一数据采集点的频谱变化规律和/或获取同一信号源条件下不同数据采集点的频谱变化规律。

6.根据权利要求5所述的电缆本体特高频辐射特性仿真系统，其特征在于，所述各部件模型包括线芯模型、内半导电层模型、电缆主绝缘模型、外半导电层模型、绝缘密封模型、外部屏蔽铜壳模型、热缩管模型、绝缘胶带模型。

7.根据权利要求6所述的电缆本体特高频辐射特性仿真系统，其特征在于：

所述仿真初始设置模块对仿真中的局部放电信号源进行设置包括设置脉冲的类型、宽度、幅值、以及仿真中的局部放电信号源的位置。

8.根据权利要求5至7之一所述的电缆本体特高频辐射特性仿真系统，其特征在于，还包括：

应用分析模块，用于根据电缆本体中局部放电信号的特高频辐射特性分析出在电缆本体中装设特高频传感器的位置和型号。