CN117872040B - 基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电缆线路安全运行技术领域，具体涉及基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统及方法，系统包括信号采集模块、温升试验模块、逻辑处理模块和通讯警报模块；步骤包括对电缆实际运行时的电流和温度信息、电缆附件处的温度信息进行采集；对获取到的各个信号进行处理；设置不同仿真运行条件，并针对不同仿真运行条件分别制作带有电缆附件的试验电缆并采集相关数据；对电流、温度数据进行拟合分析并进行仿真计算的结果修正；获得电缆附件热点温度；获取温度差值并进行故障判断。本发明可以在电力电缆运行时对电力电缆附件的运行情况进行监测，并能够进行试验验证和拟合修正，大大提高了监测的可靠性，有效防范事故发生。
Description
技术领域
本发明属于电力电缆线路安全运行技术领域，具体涉及基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统及方法。
背景技术
随着城市化进程的推进，在城市和大中型企业的供电系统中，越来越多地采用电力电缆进行输配电，通过了解实际运行工况及常见的事故分析可知电缆附件属于电缆运行的薄弱环节，容易出现异常现象。为了对电缆附件的具体运行状态进行掌握，需要对电缆附件的运行情况进行监测和判断。目前普遍的电缆附件故障诊断方法包括人工定期检查、电缆附件产生热能与接触电阻之间的关系比较、局部放电信号监测等，对电缆及附件温度监测的应用较少。
电力电缆附件简称为电缆附件，电缆附件附着在电缆导体之上，用于保护电缆和实现绝缘，其热点温度与导体温度密切相关，一般电缆附件出现异常情况会导致温度的变化，因此通过对电缆及其电缆附件的温度进行监测，可以及时判断电缆附件是否出现故障，以此根据实际情况来做好应对工作。有研究表明，对于电缆附件的运行状态的不同，电缆导体和电缆附件温度之间存在一定的规律，因此，以测温为基础，提出一种基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统及方法。
对电缆本体和电缆附件温度进行监测的时候，常见的监测技术包含点式温度检验、红外式温度检验、光纤测温等。红外线温度监测在工作期间，外界因素影响较大，并且红外测温多需要到现场由人工进行操作；光纤测温目前较多采用的是分布式光纤方法和光纤光栅测量方法，光纤测温的问题为，光纤的延展性较差，随着电缆的热胀冷缩，会影响测温精度；点式温度监测技术，可以安装在电缆线路中最容易出现故障或故障多发的地方，操作起来较为简便，不需要太高的成本，但是该技术无法对电缆线路进行整体性测量。
目前，针对电缆附件的温度测量有温度传感器测表面温度、根据运行电流计算电缆附件温度等方法，而为了测量电缆接头的温度，温度传感器可以内置于电缆附件中。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统及方法，可以在电力电缆运行时对电力电缆附件的运行情况进行监测，大大提高了电力电缆附件故障诊断的可靠性。
为达到以上目的，本发明提供了基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，包括电缆和电缆附件，还包括信号采集模块、温升试验模块、逻辑处理模块和通讯警报模块，其中：
信号采集模块包括有线信号采集模块和无线信号采集模块，有线信号采集模块包括电流互感器、环境温度传感器和点式测温系统，无线信号采集模块包括内置无线温度传感器和无线信号传输装置；逻辑处理模块包括数据计算模块、仿真计算模块和数据处理模块，逻辑处理模块还设置有用于数据计算、仿真计算和数据处理的处理器；温升试验模块包括红外热像仪、内置温度传感器和试验模块；
有线信号采集模块和无线信号采集模块采集的信号分别输入至数据计算模块中，数据计算模块的计算结果分别输入至仿真计算模块和数据处理模块，仿真计算模块的仿真计算结果输入至数据处理模块，温升试验模块的试验结果输入至数据处理模块，数据处理模块的处理结果输入至通讯警报模块；
点式测温系统和电流互感器分别设置在电缆上，内置无线温度传感器设置在电缆附件内，无线信号传输装置设置在电缆外部，用于传输无线温度传感器的温度信号，试验模块用于构建试验模型，并通过红外热像仪和内置温度传感器采集试验模型的温度信息。
所述的点式测温系统为设置在电缆表面的若干温度传感器，内置无线温度传感器采用若干微型温度传感器。依据《高压电缆接头内置式导体测温装置技术规范》，选用微型温度传感器内置于电缆附件中，占用体积小且不会影响电缆的正常运行。
所述的电缆上设置有用于给内置无线温度传感器供电的充电环。
上述的基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统的故障诊断方法，包括以下步骤：
S1、在不同运行条件、不同运行状态下，通过有线信号采集模块获取电缆实际运行时的电流和温度信息，包括由电流互感器测得的电流信号、由环境温度传感器测得的环境温度信号和由点式测温系统测得的电缆表面温度信号，并将电流信号、环境温度信号和电缆表面温度信号输入至数据计算模块；
通过无线信号采集模块获取电缆附件处的温度信息，由内置无线温度传感器测得的电缆附件温度信号经过无线信号传输装置后，输入至数据计算模块；
S2、通过数据计算模块对获取到的各个信号进行处理，得到电缆导体表面温度Tt和环境温度T0，随后通过仿真计算模块，依据电缆实际运行电流It进行有限元仿真计算，得到电缆导体温度Td1和电缆附件温度分布，并输入至数据处理模块；
S3、通过温升试验模块，设置不同仿真运行条件，并针对不同仿真运行条件分别制作带有电缆附件的试验电缆，通过红外热像仪和内置温度传感器对试验电缆进行测温，并将测温数据输入至数据处理模块，其中，红外热像仪用于确定试验电缆中电缆附件的温度分布，内置温度传感器设置若干个，用于确定试验电缆中电缆导体的多点温度；
S4、数据处理模块对S2和S3中的电流、温度数据进行拟合分析，得到拟合函数，将其作为修正因子对有限元仿真计算的结果进行修正，得到电缆导体修正温度Td和修正后的电缆附件温度分布；
S5、通过数据处理模块，对试验电缆中电缆附件的温度分布和修正后的电缆附件温度分布进行比较分析，得到电缆附件热点温度分布主要部位，对应设置内置无线温度传感器，随后更新S1中的无线信号采集模块获取的电缆附件处的温度信息，再次经过S2步骤的计算后（即通过数据计算模块和仿真计算模块进行计算），获得电缆附件热点温度Tr；
S6、通过数据处理模块，获取温度差值△T1=Td-Tr，并判断△T1是否小于0，如小于0，则执行S7，如大于0，则执行S8；
S7、减小电缆实际运行时的负载，并通过数据处理模块观察△T1的变化情况，变化后的温度差值记为△T2，并定义△T1和△T2的差值为△T3，△T3=△T1-△T2，如△T3大于0，电缆附件正常，返回S1继续进行监测，如△T3小于0，执行S9；
S8、数据处理模块分别判断Td和Tr是否均小于95℃，是则电缆附件正常，返回S1继续进行监测，否则电缆附件故障，执行S9；
S9、数据处理模块发送监测结果和警报信号至通讯警报模块，由通讯警报模块发出警报。
所述的S2中，有限元仿真计算采用COMSOL有限元仿真软件，通过创建电缆及电缆附件的三维等效模型（三维等效模型与真实电缆的比例根据实际需求而定），基于有限元仿真和自适应网格控制对三维等效模型进行多物理场耦合。通过自适应网格控制的单元细化和粗化修改网格，能够更好地遵循三维等效模型和仿真分析，使用尽可能少的单元来获得更精确的解。
所述的S2中，有限元仿真计算中，依据的计算公式包括麦克斯韦方程、传热公式和温升公式。可以采用公知的麦克斯韦方程、传热公式和温升公式，能够完成计算并获得相应输出即可。
所述的S3中，设置的不同仿真运行条件包括试验电压下、正常运行电压下、典型缺陷情况下、典型故障情况下。
所述的S4中，数据处理模块根据修正因子，获得相应的修正公式并发送至通讯警报模块。
本发明所具有的有益效果是：
本发明可以在电力电缆运行时对电力电缆附件的运行情况进行监测，并能够进行试验验证和拟合修正，大大提高了监测的可靠性，能更真实反映电力电缆附件的运行状态，监测结果和计算结果的准确度更高，可信度更强，且在发生故障时能够给电力电缆运行管理者实时发出警报信号，从而及时做出应对措施，有效防范事故发生。
附图说明
图1是本发明实施例中电缆和电缆附件的简化结构示意图；
图2是本发明实施例中各个模块的结构示意图；
图3是本发明实施例中故障诊断方法的流程示意图。
图中：1、充电环；2、温度传感器；3、内置无线温度传感器；4、无线信号传输装置；5、电缆线芯；6、电缆绝缘层；7、接头绝缘层；8、金属压接管；9、电流互感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
实施例1：
如图1所示，本实施例中，构建电缆和电缆附件的简化结构，包括电缆线芯5（即为电缆导体）、电缆线芯5上包裹的电缆绝缘层6、在电缆接头处的金属压接管8（即为电缆附件，用于连接两段电缆）和金属压接管8处包裹的接头绝缘层7。
如图2所示，基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，还包括信号采集模块、温升试验模块、逻辑处理模块和通讯警报模块，其中：
信号采集模块包括有线信号采集模块和无线信号采集模块，有线信号采集模块包括电流互感器9、环境温度传感器和点式测温系统，无线信号采集模块包括内置无线温度传感器3和无线信号传输装置4；逻辑处理模块包括数据计算模块、仿真计算模块和数据处理模块，逻辑处理模块还设置有用于数据计算、仿真计算和数据处理的处理器；温升试验模块包括红外热像仪、内置温度传感器和试验模块；
有线信号采集模块和无线信号采集模块采集的信号分别输入至数据计算模块中，数据计算模块的计算结果分别输入至仿真计算模块和数据处理模块，仿真计算模块的仿真计算结果输入至数据处理模块，温升试验模块的试验结果输入至数据处理模块，数据处理模块的处理结果输入至通讯警报模块；
点式测温系统和电流互感器9分别设置在电缆绝缘层6和电缆线芯5上，内置无线温度传感器3设置在电缆接头处，并位于金属压接管8内，无线信号传输装置4设置在接头绝缘层7外侧，用于传输无线温度传感器的温度信号，试验模块用于构建试验模型，并通过红外热像仪和内置温度传感器采集试验模型的温度信息。
各个模块等均采用公知技术即可，其中试验模块的构建试验模型需要人工进行配合搭建。
点式测温系统为设置在电缆绝缘层6上的若干温度传感器2，内置无线温度传感器3采用若干微型温度传感器。
电缆绝缘层6上设置有用于给内置无线温度传感器3供电的充电环1。
如图3所示，上述的基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统的故障诊断方法，包括以下步骤：
S1、在不同运行条件、不同运行状态下，通过有线信号采集模块获取电缆实际运行时的电流和温度信息，包括由电流互感器9测得的电流信号、由环境温度传感器测得的环境温度信号和由点式测温系统测得的电缆表面温度信号，并将电流信号、环境温度信号和电缆表面温度信号输入至数据计算模块；
通过无线信号采集模块获取电缆附件处的温度信息，电缆附件即为电缆接头处的金属压接管8，由内置无线温度传感器3测得的电缆接头温度信号经过无线信号传输装置4后，输入至数据计算模块；
S2、通过数据计算模块对获取到的各个信号进行处理，得到电缆导体表面温度Tt和环境温度T0，随后通过仿真计算模块，依据电缆实际运行电流It进行有限元仿真计算，得到电缆导体温度Td1和电缆附件温度分布，并输入至数据处理模块；
S3、通过温升试验模块（具体为其中的试验模块），设置不同仿真运行条件，并针对不同仿真运行条件分别制作带有电缆附件的试验电缆，通过红外热像仪和内置温度传感器对试验电缆进行测温，并将测温数据输入至数据处理模块，其中，红外热像仪用于确定试验电缆中电缆附件的温度分布，内置温度传感器设置若干个，用于确定试验电缆中电缆导体的多点温度；
S4、数据处理模块对S2和S3中的电流、温度数据进行拟合分析，得到拟合函数，将其作为修正因子对有限元仿真计算的结果进行修正，得到电缆导体修正温度Td和修正后的电缆附件温度分布；
S5、通过数据处理模块，对试验电缆中电缆附件的温度分布和修正后的电缆附件温度分布进行比较分析，得到电缆附件热点温度分布主要部位，对应设置内置无线温度传感器3，随后更新S1中的无线信号采集模块获取的电缆附件处的温度信息，再次经过S2步骤的计算后，获得电缆附件热点温度Tr；
S6、通过数据处理模块，获取温度差值△T1=Td-Tr，并判断△T1是否小于0，如小于0，则执行S7，如大于0，则执行S8；
S7、减小电缆实际运行时的负载，并通过数据处理模块观察△T1的变化情况，变化后的温度差值记为△T2，并定义△T1和△T2的差值为△T3，△T3=△T1-△T2，如△T3大于0，电缆附件正常，返回S1继续进行监测，如△T3小于0，执行S9；
S8、数据处理模块分别判断Td和Tr是否均小于95℃，是则电缆附件正常，返回S1继续进行监测，否则电缆附件故障，执行S9；
S9、数据处理模块发送监测结果和警报信号至通讯警报模块，由通讯警报模块发出警报。
S2中，有限元仿真计算采用COMSOL有限元仿真软件，通过创建电缆及电缆附件的三维等效模型，基于有限元仿真和自适应网格控制对三维等效模型进行多物理场耦合。
通过COMSOL有限元仿真软件建立三维等效模型、以及进行多物理场耦合均为现有技术，例如，可以采用10：1三维等效模型，通过输入300A的电流参数，设置边界条件，基于有限元仿真和自适应网格控制进行多物理场耦合计算，通过自适应网格对三维等效模型进行划分。
S2中，有限元仿真计算中，依据的计算公式包括麦克斯韦方程、传热公式和温升公式。
S3中，设置的不同仿真运行条件包括试验电压下、正常运行电压下、典型缺陷情况下、典型故障情况下。
S4中，数据处理模块根据修正因子，获得相应的修正公式并发送至通讯警报模块。
本发明可以在正式投入电力系统运行监测前，通过仿真和试验获取修正因子，便于后续检测时，更好的进行比较和修正，提高对于真实工况的可应用性和准确性。
实施例2：
本实施例中，采用完整的电缆和电缆附件结构，在S2的有限元仿真计算中，所采用的温升公式为：
；
式中，R为导体（本实施例中，即为电缆导体）在最高工作温度下单位长度的交流电阻，Wd是每相导体绝缘单位长度的介质损耗，T1是一根导体和金属套（金属压接管8为金属套的一种）之间单位长度的热阻，T2金属套和铠装（铠装为另一种电缆附件）之间衬垫层单位长度的热阻，T3为电缆外护套单位长度热阻，T4为电缆表面和周围介质之间单位长度的热阻，n指电缆中载有负荷的导体数（导体截面相同、负载相同)，λ1是指电缆金属套损耗相对于该电缆所有导体总损耗的比率，λ2是电缆铠装损耗相对于该电缆所有导体总损耗的比率，Id是流过导体的电流。
Claims (7)
1.一种基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，包括电缆和电缆附件，其特征在于：还包括信号采集模块、温升试验模块、逻辑处理模块和通讯警报模块，其中：
信号采集模块包括有线信号采集模块和无线信号采集模块，有线信号采集模块包括电流互感器、环境温度传感器和点式测温系统，无线信号采集模块包括内置无线温度传感器和无线信号传输装置；逻辑处理模块包括数据计算模块、仿真计算模块和数据处理模块，逻辑处理模块还设置有用于数据计算、仿真计算和数据处理的处理器；温升试验模块包括红外热像仪、内置温度传感器和试验模块；
有线信号采集模块和无线信号采集模块采集的信号分别输入至数据计算模块中，数据计算模块的计算结果分别输入至仿真计算模块和数据处理模块，仿真计算模块的仿真计算结果输入至数据处理模块，温升试验模块的试验结果输入至数据处理模块，数据处理模块的处理结果输入至通讯警报模块；
点式测温系统和电流互感器分别设置在电缆上，内置无线温度传感器设置在电缆附件内，无线信号传输装置设置在电缆外部，用于传输无线温度传感器的温度信号，试验模块用于构建试验模型，并通过红外热像仪和内置温度传感器采集试验模型的温度信息；
采用基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统的故障诊断方法，包括以下步骤：
S1、在不同运行条件、不同运行状态下，通过有线信号采集模块获取电缆实际运行时的电流和温度信息，包括由电流互感器测得的电流信号、由环境温度传感器测得的环境温度信号和由点式测温系统测得的电缆表面温度信号，并将电流信号、环境温度信号和电缆表面温度信号输入至数据计算模块；
通过无线信号采集模块获取电缆附件处的温度信息，由内置无线温度传感器测得的电缆附件温度信号经过无线信号传输装置后，输入至数据计算模块；
S2、通过数据计算模块对获取到的各个信号进行处理，得到电缆导体表面温度Tt和环境温度T0，随后通过仿真计算模块，依据电缆实际运行电流It进行有限元仿真计算，得到电缆导体温度Td1和电缆附件温度分布，并输入至数据处理模块；
S3、通过温升试验模块，设置不同仿真运行条件，并针对不同仿真运行条件分别制作带有电缆附件的试验电缆，通过红外热像仪和内置温度传感器对试验电缆进行测温，并将测温数据输入至数据处理模块，其中，红外热像仪用于确定试验电缆中电缆附件的温度分布，内置温度传感器设置若干个，用于确定试验电缆中电缆导体的多点温度；
S4、数据处理模块对S2和S3中的电流、温度数据进行拟合分析，得到拟合函数，将其作为修正因子对有限元仿真计算的结果进行修正，得到电缆导体修正温度Td和修正后的电缆附件温度分布；
S5、通过数据处理模块，对试验电缆中电缆附件的温度分布和修正后的电缆附件温度分布进行比较分析，得到电缆附件热点温度分布主要部位，对应设置内置无线温度传感器，随后更新S1中的无线信号采集模块获取的电缆附件处的温度信息，再次经过S2步骤的计算后，获得电缆附件热点温度Tr；
S6、通过数据处理模块，获取温度差值△T1=Td-Tr，并判断△T1是否小于0，如小于0，则执行S7，如大于0，则执行S8；
S7、减小电缆实际运行时的负载，并通过数据处理模块观察△T1的变化情况，变化后的温度差值记为△T2，并定义△T1和△T2的差值为△T3，△T3=△T1-△T2，如△T3大于0，电缆附件正常，返回S1继续进行监测，如△T3小于0，执行S9；
S8、数据处理模块分别判断Td和Tr是否均小于95℃，是则电缆附件正常，返回S1继续进行监测，否则电缆附件故障，执行S9；
S9、数据处理模块发送监测结果和警报信号至通讯警报模块，由通讯警报模块发出警报。
2.根据权利要求1所述的基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，其特征在于：所述的点式测温系统为设置在电缆表面的若干温度传感器，内置无线温度传感器采用若干微型温度传感器。
3.根据权利要求2所述的基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，其特征在于：所述的电缆上设置有用于给内置无线温度传感器供电的充电环。
4.根据权利要求1所述的基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，其特征在于：所述的S2中，有限元仿真计算采用COMSOL有限元仿真软件，通过创建电缆及电缆附件的三维等效模型，基于有限元仿真和自适应网格控制对三维等效模型进行多物理场耦合。
5.根据权利要求4所述的基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，其特征在于：所述的S2中，有限元仿真计算中，依据的计算公式包括麦克斯韦方程、传热公式和温升公式。
6.根据权利要求1所述的基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，其特征在于：所述的S3中，设置的不同仿真运行条件包括试验电压下、正常运行电压下、典型缺陷情况下、典型故障情况下。
7.根据权利要求1所述的基于温差比较的电力电缆附件故障诊断系统，其特征在于：所述的S4中，数据处理模块根据修正因子，获得相应的修正公式并发送至通讯警报模块。
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