CN107402338A - 基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法，包括以下步骤：1)在电磁暂态仿真软件中建立电缆系统模型、设置线路参数、确定故障类型、进行故障仿真、获得故障时的电流值；2)根据工EC60287标准建立电缆的暂态热路模型，计算故障时电缆的暂态温度；3)建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，利用该模型仿真故障前电缆的稳态温度场分布、故障后电缆和测温光纤的暂态温度场分布和变化；4)分析仿真结果，获得电缆电气故障识别和定位判据。该方法既能提高故障判断的准确性和可靠性，又能克服实体实验的缺点，实现利用分布式光纤测温进行电缆电气故障的识别和定位。

Description

基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法

技术领域

本发明涉及电气故障分析方法领域，特别是涉及一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法。

背景技术

随着分布式光纤传感技术的发展，利用一根测温光纤就可以获得沿线的温度分布信息。测温光纤温度的测量一般通过光纤内的光信号强度或频率信息获得，实现光信号测量的设备称为分布式光纤温度测量设备，基于光纤拉曼散射的温度测量仪、基于光纤布里渊散射的应变和温度测量仪和基于光纤瑞利相干检测的应变和温度测量仪都属于此类设备。

电能是国民经济发展的重要能源，电缆存在于现代化建设的各行各业，其重要性不言而喻。将分布式光纤传感技术应用于电缆温度监测可充分发挥光纤分布式测温的优点，实现电缆健康状态的实时监控。

然而，电缆径向一般采用多层结构。轴向具有长距离特点，导致电缆的温度分布和时间变化复杂，测温光纤测量的温度如何反应电缆的电气故障是一项函待解决的问题。

目前，电力工作者一般采用两种方法，一种是通过经验判断温度和故障的关系，另一种是利用实体实验获得二者关系。前者准确性和可靠性差，往往导致误判和漏判；后者实验难度大、成本高、周期长、灵活性差，往往实现困难。

发明内容

为了解决上述技术问题本发明提供了一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法，其既能提高故障判断的准确性和可靠性，又能克服实体实验的缺点，实现利用分布式光纤测温进行电缆电气故障的识别和定位。

为此，本发明的技术方案如下：

一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法，包括以下步骤：

步骤1：在电磁暂态仿真软件中建立电缆系统模型、设置线路参数、确定故障类型、进行故障仿真、获得故障时的电流值，具体方法如下：

(1)选定电磁暂态仿真软件，如PSCAD/EMTDC等同类计算机辅助设计软件，根据线路连接形式建立电缆系统模型，选用二型等值电路模拟电缆；

(2)确定电缆类型和型号，获取电缆参数，包括电压等级、长度、中性点接地方式、工作频率、正序阻抗、零序阻抗；确定电源类型、变压器容量和变比；确定用户负荷、用户等效阻抗；将所有参数输入建立好的电缆系统模型中；

(3)确定故障类型，主要包括单相接地短路、两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路、单相断路等；接地短路故障通过直接与地短接或通过小电阻短接地实现，两相或三相短路通过两相或三相直接短接或通过小电阻短接实现，两相或三相接地短路通过先两相或三相相间短路再接地或两相或三相分别接地实现，单相断路通过切断线路或故障点串联大电阻实现；

(4)进行故障仿真；根据电缆继电保护装置动作时间设定故障的起始和结束时刻；在电缆系统模型中的故障线路段放置电流表和电压表；调用电磁暂态仿真软件的仿真命令进行仿真；

(5)获取故障电流；利用电缆系统模型中放置的电流表和电压表读取故障前 后的电流值及变化过程；

步骤2：根据工EC60287标准建立电缆的暂态热路模型，计算故障时电缆的暂态温度，具体方法如下：

(1)根据电缆的结构和材料特性，利用工EC60287标准中介绍的热路模型构建方法建立电缆的热路模型；

(2)根据电缆各层材料的厚度、热阻系数、热容系数，利用工EC60287标准中介绍的损耗、热阻和热容计算公式计算金属层和绝缘层的损耗、各层的热阻和热容；

(3)根据电缆稳态时的温度、故障持续时间，利用建立好的热路模型计算故障结束时刻电缆各层及测温光纤的暂态温度；

步骤3：建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，利用该模型仿真故障前电缆的稳态温度场分布、故障后电缆和测温光纤的暂态温度场分布和变化，具体方法如下：

(1)选定有限元仿真软件，如ANSYS等同类软件，经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加等过程建立电缆和周围环境的热力学有限元模型；电缆各层使用SOL工D90三维二十节点热实体单元，材料特性由导热系数、密度和比热容确定，几何模型根据电缆结构、形状和尺寸确定，网格划分采用非均匀方式，载荷由电缆各层损耗换算出的热生成率、电缆和环境初始温度、电缆与周围环境的换热系数和边界条件确定；

(2)调用有限元仿真软件中的仿真工具进行电缆故障前后的热力学仿真；先进行稳态仿真，获得电缆正常运行时各层温度分布和测温光纤的温度分布，为步骤2中暂态热路模型的计算提供初值；再进行暂态仿真，获得故障引发继电保护装置切断电源后电缆各层和测温光纤的温度分布及随时间的变化；

步骤4：分析仿真结果，获得电缆电气故障识别和定位判据，具体方法如下：

(1)单相接地短路故障发生后，故障点至电源侧的电缆导体温度急剧升高，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之上升，故障点至用户侧电缆导体温度缓慢下降，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之下降，据此可识别单相接地短路故障，并根据测温光纤上故障点两侧不同的温度变化趋势定位故障点；两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路具有相同的特点，均可根据以上判据进行定位；

(2)断路故障发生后，故障点两侧的导体电流都变为零，根据光纤温度分布特点无法识别和定位故障；由于海缆导体的弹性模量和最大可承受应力都远远大于光纤，当导体中断后，光纤必定已断裂，分布式光纤测温数据在光纤断裂点之后会发生丢失，据此可识别和定位断路故障。

进一步，电缆导体的温度分布和变化应能够通过测温光纤的温度反映出来，测温光纤的温度能通过分布式光纤测温装置测量获得。

进一步，测温光纤可以是电缆内复合的光纤，或是敷设于电缆表面的光缆；分布式光纤测温装置可以是基于光纤拉曼散射、基于光纤布里渊散射或基于光纤瑞利相干检测等原理的所有分布式光纤测温设备或仪器。

该基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法，其既能提高故障判断的准确性和可靠性，又能克服实体实验的缺点，实现利用分布式光纤测温进行电缆电气故障的识别和定位。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。

一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法，包括以下步骤：

步骤1：在电磁暂态仿真软件中建立电缆系统模型、设置线路参数、确定故障类型、进行故障仿真、获得故障时的电流值，具体方法如下：

(1)选定电磁暂态仿真软件，如PSCAD/EMTDC等同类计算机辅助设计软件，根据线路连接形式建立电缆系统模型，选用二型等值电路模拟电缆；

(2)确定电缆类型和型号，获取电缆参数，包括电压等级、长度、中性点接地方式、工作频率、正序阻抗、零序阻抗；确定电源类型、变压器容量和变比；确定用户负荷、用户等效阻抗；将所有参数输入建立好的电缆系统模型中；

(3)确定故障类型，主要包括单相接地短路、两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路、单相断路等；接地短路故障通过直接与地短接或通过小电阻短接地实现，两相或三相短路通过两相或三相直接短接或通过小电阻短接实现，两相或三相接地短路通过先两相或三相相间短路再接地或两相或三相分别接地实现，单相断路通过切断线路或故障点串联大电阻实现；

(4)进行故障仿真；根据电缆继电保护装置动作时间设定故障的起始和结束时刻；在电缆系统模型中的故障线路段放置电流表和电压表；调用电磁暂态仿真软件的仿真命令进行仿真；

(5)获取故障电流；利用电缆系统模型中放置的电流表和电压表读取故障前后的电流值及变化过程；

步骤2：根据工EC60287标准建立电缆的暂态热路模型，计算故障时电缆的暂态温度，具体方法如下：

(1)根据电缆的结构和材料特性，利用工EC60287标准中介绍的热路模型构建方法建立电缆的热路模型；

(2)根据电缆各层材料的厚度、热阻系数、热容系数，利用工EC60287标准中介绍的损耗、热阻和热容计算公式计算金属层和绝缘层的损耗、各层的热阻 和热容；

(3)根据电缆稳态时的温度、故障持续时间，利用建立好的热路模型计算故障结束时刻电缆各层及测温光纤的暂态温度；

步骤3：建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，利用该模型仿真故障前电缆的稳态温度场分布、故障后电缆和测温光纤的暂态温度场分布和变化，具体方法如下：

(1)选定有限元仿真软件，如ANSYS等同类软件，经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加等过程建立电缆和周围环境的热力学有限元模型；电缆各层使用SOL工D90三维二十节点热实体单元，材料特性由导热系数、密度和比热容确定，几何模型根据电缆结构、形状和尺寸确定，网格划分采用非均匀方式，载荷由电缆各层损耗换算出的热生成率、电缆和环境初始温度、电缆与周围环境的换热系数和边界条件确定；

(2)调用有限元仿真软件中的仿真工具进行电缆故障前后的热力学仿真；先进行稳态仿真，获得电缆正常运行时各层温度分布和测温光纤的温度分布，为步骤2中暂态热路模型的计算提供初值；再进行暂态仿真，获得故障引发继电保护装置切断电源后电缆各层和测温光纤的温度分布及随时间的变化；

步骤4：分析仿真结果，获得电缆电气故障识别和定位判据，具体方法如下：

(1)单相接地短路故障发生后，故障点至电源侧的电缆导体温度急剧升高，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之上升，故障点至用户侧电缆导体温度缓慢下降，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之下降，据此可识别单相接地短路故障，并根据测温光纤上故障点两侧不同的温度变化趋势定位故障点；两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路具有相同的特点，均可根据以上判据进行定位；

(2)断路故障发生后，故障点两侧的导体电流都变为零，根据光纤温度分布特点无法识别和定位故障；由于海缆导体的弹性模量和最大可承受应力都远远大于光纤，当导体中断后，光纤必定已断裂，分布式光纤测温数据在光纤断裂点之后会发生丢失，据此可识别和定位断路故障。

进一步，电缆导体的温度分布和变化应能够通过测温光纤的温度反映出来，测温光纤的温度能通过分布式光纤测温装置测量获得。

进一步，测温光纤可以是电缆内复合的光纤，或是敷设于电缆表面的光缆；分布式光纤测温装置可以是基于光纤拉曼散射、基于光纤布里渊散射或基于光纤瑞利相干检测等原理的所有分布式光纤测温设备或仪器。

Claims (3)

1.一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在电磁暂态仿真软件中建立电缆系统模型、设置线路参数、确定故障类型、进行故障仿真、获得故障时的电流值，具体方法如下：

(1)选定电磁暂态仿真软件，如PSCAD/EMTDC等同类计算机辅助设计软件，根据线路连接形式建立电缆系统模型，选用二型等值电路模拟电缆；

(2)确定电缆类型和型号，获取电缆参数，包括电压等级、长度、中性点接地方式、工作频率、正序阻抗、零序阻抗；确定电源类型、变压器容量和变比；确定用户负荷、用户等效阻抗；将所有参数输入建立好的电缆系统模型中；

(3)确定故障类型，主要包括单相接地短路、两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路、单相断路等；接地短路故障通过直接与地短接或通过小电阻短接地实现，两相或三相短路通过两相或三相直接短接或通过小电阻短接实现，两相或三相接地短路通过先两相或三相相间短路再接地或两相或三相分别接地实现，单相断路通过切断线路或故障点串联大电阻实现；

(4)进行故障仿真；根据电缆继电保护装置动作时间设定故障的起始和结束时刻；在电缆系统模型中的故障线路段放置电流表和电压表；调用电磁暂态仿真软件的仿真命令进行仿真；

(5)获取故障电流；利用电缆系统模型中放置的电流表和电压表读取故障前后的电流值及变化过程；

步骤2：根据工EC60287标准建立电缆的暂态热路模型，计算故障时电缆的暂态温度，具体方法如下：

(1)根据电缆的结构和材料特性，利用工EC60287标准中介绍的热路模型构建方法建立电缆的热路模型；

(2)根据电缆各层材料的厚度、热阻系数、热容系数，利用工EC60287标准中介绍的损耗、热阻和热容计算公式计算金属层和绝缘层的损耗、各层的热阻和热容；

(3)根据电缆稳态时的温度、故障持续时间，利用建立好的热路模型计算故障结束时刻电缆各层及测温光纤的暂态温度；

步骤3：建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，利用该模型仿真故障前电缆的稳态温度场分布、故障后电缆和测温光纤的暂态温度场分布和变化，具体方法如下：

(1)选定有限元仿真软件，如ANSYS等同类软件，经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加等过程建立电缆和周围环境的热力学有限元模型；电缆各层使用SOL工D90三维二十节点热实体单元，材料特性由导热系数、密度和比热容确定，几何模型根据电缆结构、形状和尺寸确定，网格划分采用非均匀方式，载荷由电缆各层损耗换算出的热生成率、电缆和环境初始温度、电缆与周围环境的换热系数和边界条件确定；

(2)调用有限元仿真软件中的仿真工具进行电缆故障前后的热力学仿真；先进行稳态仿真，获得电缆正常运行时各层温度分布和测温光纤的温度分布，为步骤2中暂态热路模型的计算提供初值；再进行暂态仿真，获得故障引发继电保护装置切断电源后电缆各层和测温光纤的温度分布及随时间的变化；

步骤4：分析仿真结果，获得电缆电气故障识别和定位判据，具体方法如下：

(1)单相接地短路故障发生后，故障点至电源侧的电缆导体温度急剧升高，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之上升，故障点至用户侧电缆导体温度缓慢下降，电缆层间热交换导致测温光纤温度随之下降，据此可识别单相接地短路故障，并根据测温光纤上故障点两侧不同的温度变化趋势定位故障点；两相 短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路具有相同的特点，均可根据以上判据进行定位；

(2)断路故障发生后，故障点两侧的导体电流都变为零，根据光纤温度分布特点无法识别和定位故障；由于海缆导体的弹性模量和最大可承受应力都远远大于光纤，当导体中断后，光纤必定已断裂，分布式光纤测温数据在光纤断裂点之后会发生丢失，据此可识别和定位断路故障。

2.根据权利要求1所述基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法，其特征在于，电缆导体的温度分布和变化应能够通过测温光纤的温度反映出来，测温光纤的温度能通过分布式光纤测温装置测量获得。

3.根据权利要求1所述基于分布式光纤测温的电缆电气故障分析方法，其特征在于，测温光纤可以是电缆内复合的光纤，或是敷设于电缆表面的光缆；分布式光纤测温装置可以是基于光纤拉曼散射、基于光纤布里渊散射或基于光纤瑞利相干检测等原理的所有分布式光纤测温设备或仪器。