CN110736901A - 基于φ-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法 - Google Patents

基于φ-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,包括如下步骤:建立电缆局部放电超声波产生模型,计算局放点超声波的强度;建立超声波在电缆内部的传导模型,计算光纤安装位置的超声波声压强度;建立超声波声压与光纤应变量的关系模型,计算电缆局部放电发生后,超声波作用下传感光纤应变的变化量;计算电缆局部放电后,光纤内后向瑞利散射光的光强;判断与定位电缆的局部放电。本发明不但能够实现电缆局部放电的分布式监测与定位,及时报告电缆的异常放电,而且抗干扰能力强,所需的设备少,成本低,本监测方法对电缆的安全运行具有重要的意义。

Description

基于*-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法
技术领域
本发明属于电缆在线监测技术领域,具体涉及一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法。
背景技术
电力电缆生产安装时的缺陷或正常运行时受到电、热、机械等应力作用导致电缆绝缘裂化,发生局部放电。局部放电又会加速绝缘裂化,诱发电缆故障,影响生产生活严重时危及生命安全。因此尽早发现电缆局部放电,对减少电缆故障的发生,提高供电可靠性,保证电力系统安全稳定运行有重要意义。
局部放电发生时伴随着电脉冲、电磁波、发光、发热、超声波以及产生气体等现象。局部放电监测主要通过监测上述现象判断与定位局放的发生。目前,常用的局部放电监测方法包括:高频脉冲电流法、暂态地电波监测方法、特高频检测法、超声波检测法。高频脉冲电流监测法灵敏度高,但容易受到电磁干扰,同时该方法定位精度差且所需设备众多。暂态地电波监测方法适用于电缆终端接头、分支箱、开关柜等设备的监测,不适用于电缆的分布式监测。特高频检测法多用于监测变压器,GIS与电缆接头的局部放电,检测电缆内部的局部放电时,定位精度差,监测长距离电缆时,特高频信号衰减严重。超声波检测法采用超声波传感器,多用来监测变压器,GIS内部的局部放电,无法分布式检测电缆的局部放电。
另外这些传统的局部放电监测方法,一方面不适合电缆等长距离设备的分布式局部放电监测,另一方面可用的监测方法,所需设备数量多,监测成本高。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中的不足,提供一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,利用预置在电缆内部或在电缆表面铺设的光纤,监测电缆局部放电超声波,进而判断与定位电缆的局部放电。
技术方案:为实现上述目的,本发明提供一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,包括如下步骤:
S1:建立电缆局部放电超声波产生模型,计算局放点超声波的强度;
S2:建立超声波在电缆内部的传导模型,计算光纤安装位置的超声波声压强度;
S3:建立超声波声压与光纤应变量的关系模型,计算电缆局部放电发生后,超声波作用下传感光纤应变的变化量;
S4:利用应变变化量与光纤内后向瑞利散射光的光强的关系模型,计算电缆局部放电后,光纤内后向瑞利散射光的光强;
S5:建立电缆局部放电的判别与定位模型,判断与定位电缆的局部放电。
进一步的,所述步骤S1中发生局部放电引起以局放点为球心半径为R的气体球温度升高,使得压强增加,压强增加量ΔP表示为:
ΔP=P0β0Δt式中P0表示0℃时气隙气体的压强,β0表示0℃时气隙气体的膨胀系数,Δt表示气隙球温度变化量,其表达式为:
式中W为单次局部放电能量W=ΔqU/2,Δq为视在放电量,U为电缆工作电压,λ为局放中热膨胀能量的百分比,Cv为当前温度和压强下气隙球的定容比热容,m为气隙球的质量m=4πR3ρ/3,R为气隙球半径,ρ为气隙球气体密度;
电缆局部放电时气隙球压强增量ΔP即电缆局放点超声波的声压强度pR表示为:
进一步的,所述步骤S2中光纤安装位置的超声波声压强度的计算过程如下:
在电缆内部距离超声波声源距离为r的任意一点,t时刻时的球面波声压与介质质点振动速度复数表示为:
式中Ai为Mi介质中入射波或折射波pt在距声源1m处的声压幅值,Bi为Mi介质中反射波pr在距对称虚拟反射波声源1m处的声压幅值,最外层介质为无穷大介质时,反射波Bi=0,对称虚拟反射波声源与声源的位置关于Mi与Mi+1交界面对称,αη=ωη/(2ca),η为介质的损耗系数,ω=2πfa,fa为声波频率,k=ω/ca,ca为声波波速,ri为介质交界面距离声源的距离;
声压强度与质点振动速度在分界面ri处连续,即:
矩阵表示为:
式中分别为介质Mi,Mi+1的传递矩阵,介质确定时矩阵为常数矩阵;
由多层结构递推得电缆局放超声波从局放点到电缆外界环境传导方程:
求传导方程得到每层介质的Ai与Bi,带入的表达式,即得到电缆内部每点的声压强度。
进一步的,所述步骤S3中根据分析传感光纤的振动受力情况,光纤应变量与超声波声压的关系为:
式中Δε为光纤应变变化量,pO为光纤位置的声压强度,E为光纤的杨氏模量,声压越大,光纤应变变化量越大。
进一步的,所述步骤S4中光纤应变变化量Δε与光纤内后向瑞利散射光的光强Ik(t)的关系为:
Ik(t)=|e(t)|2=I′k(t)+I″k(t)
式中k表示第k次测量,N为光纤内散射中心的数目,ai为第i个散射中心的散射系数,α为光纤衰减常数,c为真空中的光速,nf为光纤的折射率,τi为第i个散射中心的散射光间延迟τi=2nfzi/c,zi为散射中心的位置,W为光脉冲宽度,rect((t-τi)/W)为矩形函数,0≤(t-τi)/W≤1时,rect((t-τi)/W),否则为0,为散射中心i与散射中心j的光波相位差,为由光纤应变变化量Δε引起的的变化量,的表达式如下式:
式中λ为光波波长,Cε为折射率应变系数;
光纤上每个散射中心的后向瑞利散射光强度的变化量ΔIk(zi)为下式:
ΔIk(zi)=Ik(zi)-Ik-1(zi)
式中第i个散射中心的位置zi=tc/2nf
电缆局部放电量越大,电缆局部放电超声波越强,光纤应变变化量越大。通常,局部放电的超声波振动引起的此时,光纤应变变化量越大,局部放电位置对应的光纤散射中心的ΔIk(zi)越大。
进一步的,所述步骤S5中电缆局部放电的判别与定位模型具体为:
定义每M次测量为一个测量周期,一个测量周期中光纤内每个散射中心监测到的振动大小由振动系数Ki表式,Ki的表达式如下式:
式中zst为传感光纤的信号参考段,该段电缆无局部放电。
进一步的,所述步骤S5中判断与定位电缆的局部放电的具体方法为:
当电缆无局部放电时,光纤上每个散射中心的Ki都近似为1,当电缆某一处出现局部放电时,局部放电位置的Ki显著大于1,利用每个点振动系数的大小来判断与定位电缆的局部放电。
有益效果:本发明与现有技术相比,突破了技术局限,不但能够实现电缆局部放电的分布式监测,准确定位局部放电发生的位置,抗干扰能力强,所需的设备少,成本低,而且能够及时报告电缆的异常放电,本发明对电缆的安全运行具有重要的意义。
附图说明
图1为监测系统的安装示意图;
图2为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明。
如图1所示,本实施例中电缆型号为YJV-3×400-8.7/10kV,长度为100米,传感光纤为普通单模光纤,长为100米,传感光纤紧密敷在电缆表面,电缆缺陷在7kV电压作用下,平均视在放电量为100pC。
本实施例将本发明方法应用于上述电缆上,其监测系统的安装如图1所示,本发明提供的一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,如图2所示,包括如下步骤:
S1:建立电缆局部放电超声波产生模型,计算局放点超声波的强度:
由于电缆内部存在气隙缺陷时易发生局部放电,局放时局放产生的热量集中在局放点附近,发生局部放电引起以局放点为球心,半径为R的气体球温度升高,使得压强增加,压强增加量ΔP表示为:
ΔP=P0β0Δt
式中P0表示0℃时气隙气体的压强,本实施例中P0=101325Pa,β0表示0℃时气隙气体的膨胀系数,本实施例中β0=3.66×10-3K-1,Δt表示气隙球温度变化量,其表达式为:
式中W为单次局部放电能量W=ΔqU/2,Δq为视在放电量,U为电缆工作电压,λ为局放中热膨胀能量的百分比,Cv为当前温度和压强下气隙球的定容比热容,m为气隙球的质量m=4πR3ρ/3,R为气隙球半径,ρ为气隙球气体密度;
电缆局部放电时气隙球压强增量ΔP即电缆局放点超声波的声压强度pR表示为:
S2:建立超声波在电缆内部的传导模型,计算光纤安装位置的超声波声压强度:
在电缆内部距离超声波声源距离为r的任意一点,t时刻时的球面波声压与介质质点振动速度复数表示为:
式中Ai为Mi介质中入射波或折射波pt在距声源1m处的声压幅值,Bi为Mi介质中反射波pr在距对称虚拟反射波声源1m处的声压幅值,最外层介质为无穷大介质时,反射波Bi=0,对称虚拟反射波声源与声源的位置关于Mi与Mi+1交界面对称,αη=ωη/(2ca),η为介质的损耗系数,金属约为0.001,复合材料约为0.1,ω=2πfa,fa为声波频率,k=ω/ca,ca为声波波速,ri为介质交界面距离声源的距离;
声压强度与质点振动速度在分界面ri处连续,即:
矩阵表示为:
式中分别为介质Mi,Mi+1的传递矩阵,介质确定时矩阵为常数矩阵;
由多层结构递推得电缆局放超声波从局放点到电缆外界环境传导方程:
求传导方程得到每层介质的Ai与Bi,带入的表达式,即得到电缆内部每点的声压强度。
S3:建立超声波声压与光纤应变量的关系模型,计算电缆局部放电发生后,超声波作用下传感光纤应变的变化量:
根据分析传感光纤的振动受力情况,光纤应变量与超声波声压的关系为:
式中Δε为光纤应变变化量,pO为光纤位置的声压强度,E为光纤的杨氏模量,声压越大,光纤应变变化量越大。
S4:利用应变变化量与光纤内后向瑞利散射光的光强的关系模型,计算电缆局部放电后,光纤内后向瑞利散射光的光强:
光纤应变变化量Δε与光纤内后向瑞利散射光的光强Ik(t)的关系为:
Ik(t)=|e(t)|2=I′k(t)+I″k(t)
式中k表示第k次测量,N为光纤内散射中心的数目,ai为第i个散射中心的散射系数,α为光纤衰减常数,c为真空中的光速,nf为光纤的折射率,τi为第i个散射中心的散射光间延迟τi=2nfzi/c,zi为散射中心的位置,W为光脉冲宽度,rect((t-τi)/W)为矩形函数,0≤(t-τi)/W≤1时,rect((t-τi)/W),否则为0,为散射中心i与散射中心j的光波相位差,为由光纤应变变化量Δε引起的的变化量,的表达式如下式:
式中λ为光波波长,Cε为折射率应变系数;
光纤上每个散射中心的后向瑞利散射光强度的变化量ΔIk(zi)为下式:
ΔIk(zi)=Ik(zi)-Ik-1(zi)
式中第i个散射中心的位置zi=tc/2nf
电缆局部放电量越大,电缆局部放电超声波越强,光纤应变变化量越大。通常,局部放电的超声波振动引起的此时,光纤应变变化量越大,局部放电位置对应的光纤散射中心的ΔIk(zi)越大。
S5:建立电缆局部放电的判别与定位模型,判断与定位电缆的局部放电:
电缆局部放电的判别与定位模型具体为:
定义每M次测量为一个测量周期,一个测量周期中光纤内每个散射中心监测到的振动大小由振动系数Ki表式,Ki的表达式如下式:
式中zst为传感光纤的信号参考段,该段电缆无局部放电;
判断与定位电缆的局部放电的具体方法为:
当电缆无局部放电时,光纤上每个散射中心的Ki都近似为1,当电缆某一处出现局部放电时,局部放电位置的Ki显著大于1,利用每个点振动系数的大小来判断与定位电缆的局部放电。
本实施例中利用上述系统对电缆的局部放电情况进行分布式在线实时监测,当电缆发生局部放电故障,局部放电量为100pC时,局部放电位置的振动系数Ki=3.68,明显大于其他无局部放电的位置;特别需要注意的是,当电缆的局部放电量大于300pC时,电缆为异常状态,此时的振动系数Ki=8.9。
通过本实施例可以看出,本发明提供的一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,不但可以准确定位局部放电发生的位置,抗干扰能力强,而且所需的设备少,成本低,能够及时报告电缆的异常放电,对电缆的安全运行具有重要的意义。

Claims (7)

1.一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1:建立电缆局部放电超声波产生模型,计算局放点超声波的强度;
S2:建立超声波在电缆内部的传导模型,计算光纤安装位置的超声波声压强度;
S3:建立超声波声压与光纤应变量的关系模型,计算电缆局部放电发生后,超声波作用下传感光纤应变的变化量;
S4:利用应变变化量与光纤内后向瑞利散射光的光强的关系模型,计算电缆局部放电后,光纤内后向瑞利散射光的光强;
S5:建立电缆局部放电的判别与定位模型,判断与定位电缆的局部放电。
2.根据权利要求1所述的一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,其特征在于:所述步骤S1中发生局部放电引起以局放点为球心,半径为R的气体球温度升高,使得压强增加,压强增加量ΔP表示为:
ΔP=P0β0Δt
式中P0表示0℃时气隙气体的压强,β0表示0℃时气隙气体的膨胀系数,Δt表示气隙球温度变化量,其表达式为:
式中W为单次局部放电能量W=ΔqU/2,Δq为视在放电量,U为电缆工作电压,λ为局放中热膨胀能量的百分比,Cv为当前温度和压强下气隙球的定容比热容,m为气隙球的质量m=4πR3ρ/3,R为气隙球半径,ρ为气隙球气体密度;
电缆局部放电时气隙球压强增量ΔP即电缆局放点超声波的声压强度pR表示为:
3.根据权利要求1所述的一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,其特征在于:所述步骤S2中光纤安装位置的超声波声压强度的计算过程如下:
在电缆内部距离超声波声源距离为r的任意一点,t时刻时的球面波声压与介质质点振动速度复数表示为:
式中Ai为Mi介质中入射波或折射波pt在距声源1m处的声压幅值,Bi为Mi介质中反射波pr在距对称虚拟反射波声源1m处的声压幅值,最外层介质为无穷大介质时,反射波Bi=0,对称虚拟反射波声源与声源的位置关于Mi与Mi+1交界面对称,αη=ωη/(2ca),η为介质的损耗系数,ω=2πfa,fa为声波频率,k=ω/ca,ca为声波波速,ri为介质交界面距离声源的距离;
声压强度与质点振动速度在分界面ri处连续,即:
矩阵表示为:
式中分别为介质Mi,Mi+1的传递矩阵,介质确定时矩阵为常数矩阵;
由多层结构递推得电缆局放超声波从局放点到电缆外界环境传导方程:
求传导方程得到每层介质的Ai与Bi,带入的表达式,即得到电缆内部每点的声压强度。
4.根据权利要求1所述的一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,其特征在于:所述步骤S3中根据分析传感光纤的振动受力情况,光纤应变量与超声波声压的关系为:
式中Δε为光纤应变变化量,pO为光纤位置的声压强度,E为光纤的杨氏模量。
5.根据权利要求1所述的一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,其特征在于:所述步骤S4中光纤应变变化量Δε与光纤内后向瑞利散射光的光强Ik(t)的关系为:
Ik(t)=|e(t)|2=I′k(t)+I″k(t)
式中k表示第k次测量,N为光纤内散射中心的数目,ai为第i个散射中心的散射系数,α为光纤衰减常数,c为真空中的光速,nf为光纤的折射率,τi为第i个散射中心的散射光间延迟τi=2nfzi/c,zi为散射中心的位置,W为光脉冲宽度,rect((t-τi)/W)为矩形函数,0≤(t-τi)/W≤1时,rect((t-τi)/W),否则为0,为散射中心i与散射中心j的光波相位差,为由光纤应变变化量Δε引起的的变化量,的表达式如下式:
式中λ为光波波长,Cε为折射率应变系数;
光纤上每个散射中心的后向瑞利散射光强度的变化量ΔIk(zi)为下式:
ΔIk(zi)=Ik(zi)-Ik-1(zi)
式中第i个散射中心的位置zi=tc/2nf
6.根据权利要求1所述的一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,其特征在于:所述步骤S5中电缆局部放电的判别与定位模型具体为:
定义每M次测量为一个测量周期,一个测量周期中光纤内每个散射中心监测到的振动大小由振动系数Ki表式,Ki的表达式如下式:
式中zst为传感光纤的信号参考段,该段电缆无局部放电。
7.根据权利要求6所述的一种基于-OTDR原理的电缆局部放电分布式在线监测与定位方法,其特征在于:所述步骤S5中判断与定位电缆的局部放电的具体方法为:
当电缆无局部放电时,光纤上每个散射中心的Ki都近似为1,当电缆某一处出现局部放电时,局部放电位置的Ki大于1,利用每个点振动系数的大小来判断与定位电缆的局部放电。
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