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                電纜接頭溫度反演及故障診斷研究

                文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019/3/5     瀏覽次數:    
                  電纜接頭溫度反演及故障診斷研究
                  摘要:為間接測量得到電纜導芯溫度、預防電纜接頭故障,建立了電纜接頭2階和1階暫態熱路簡化模型,提出了一種電纜接頭導芯溫度的反演算法,推導得出導體實時溫度。同時,通過參數辨識對電纜接頭進行在線監測并得到故障診斷結果。結果表明,建立的電纜接頭2階和1階暫態熱路模型可有效簡化反演計算,進而通過電纜接頭外皮和金屬護套溫度反推出導體溫度,且所得反演結果與實測結果相符。此外,根據辨識參數相對正常運行狀態時的變化情況,可判斷出電纜接頭是否存在故障隱患以及是何種故障。
                  關鍵詞:電纜接頭;電纜導體溫度;較小二乘法;在線監測;溫度反演;故障診斷;
                  電纜接頭故障診斷分析

                  因實際運行中的電纜接頭熱容熱阻參數無法直接測量,更不能在線監測,即使是停電測量,不破壞電纜接頭也難以測得熱容熱阻參數。因此,本節提出利用電纜接頭1階暫態熱路模型的暫態時間常數和穩態溫升系數進行故障診斷。

                  3.1故障診斷判據分析從式(3)可以看出,監測點與外表皮的相對溫升Δθm是電纜接頭相關參數的非線性函數,且具有以下形式2//12ykIDD=++12ee??xxττ(11)式中:k為穩態溫升系數,它是監測點在當前電流下較終將達到的穩態溫升除以電流平方得到的,與電纜接頭的接觸電阻和監測點的熱阻成正比,2kWRIRR=≈ewe/;y為監測點實時檢測到的暫態溫升Δθm;I為實時監測得到的流過電纜接頭的電流;x為時間Δt,可通過對監測得到的電纜電流負荷曲線進行分段階躍化處理后得到;D1、D2為常數。
                  因此,式中y、I、x為已知量,而k、D1、D2、τ1、τ2均為未知量,它們可根據y、I、x形成的時間序列利用非線性較小二乘法進行參數辨識得到。
                  當電纜接頭制作完成后,暫態熱路模型中的相關參數C1、C3、Ri、Re、Rw將為一個確定常數。則由式(5)可知,此時τ1、τ2也應該為恒定不變的量。
                  一旦電纜接頭發生松動、老化、水樹枝、局部放電等故障,暫態熱路模型中的相關參數C1、C3、Ri、Re、Rw將部分或者全部偏離初始值,此時通過參數辨識得到的穩態溫升系數和暫態過渡過程時間常數k、τ1、τ2也會相應發生變化。因此可用參數辨識得到的k、τ1、τ2的變化趨勢來衡量電纜接頭質量的好壞。
                  3.2較小二乘辨識方程近似線性化雖然可以采用式(3)這個非線性方程作為辨識方程,利用非線性較小二乘辨識方法對電纜接頭參數進行辨識,但非線性化的2階方程計算復雜度偏高、辨識結果精度較低。相比之下,若能采用線性函數作為辨識方程,則計算過程要簡單明了得多。
                  因此,本文擬進一步簡化電纜接頭的暫態熱路模型,將相應參數辨識變成一個線性辨識問題。
                  根據上述分析,為了能夠較為準確的反演電纜接頭導體的溫度,選擇監測點時要求暫態過渡時間常數滿足τ≈τ21或τ12τ。根據高階系統的降階條件可知,若τ12τ,則其暫態過渡過程主要由較小的參數決定,此時可以忽略衰減較快的指數項,只保留衰減較慢的指數項,整個模型從2階降階為1階;若τ≈τ21,則該2階系統實際上近似為1階;即使τ1、τ2不滿足上述2個條件,在工程計算時也可以將其近似降階為1階系統,由此帶來的暫態過渡過程的求解誤差可以忽略。1階暫態熱路模型如圖5所示。
                  圖5中,θe為電纜接頭外表皮的溫度值;θ(t)為電纜接頭監測點溫度值;R和C分別為接頭熱阻和熱容。此時,電纜接頭監測點在其內部電流流經導體產生的熱源W的作用下,產生的暫態溫升為若直接采用式(12)作為辨識方程,則仍是一個非線性參數辨識問題,因此需對辨識方程進行變形。
                  取任意暫態過渡過程中,相隔固定間隔Δtm的2個時刻t1和t2,可得到電纜接頭監測點在熱源W單獨作用下產生的暫態溫升為式(13)描述了電纜溫升暫態過渡過程中相隔Δtm時間前后2個暫態溫升之間的關系。將Δθ(t1)看作自變量x,Δθ(t2)看作因變量y,同時引入電纜電流I,則可得到關于電纜接頭的1階線性表達式。
                  1階模型中,參數x、I、y均為已知量,參數A、B為未知量。在短時間內電纜暫態模型參數R、C是恒定不變的,而Δtm是人為選定的固定時間間隔,故A、B為常數,因此式(14)是一個線性辨識方程。
                  因此,參數A、B可以根據x、y形成的時間序列并利用線性較小二乘法辨識出來。根據A、B便可推算出1階暫態熱路模型的暫態時間常數τ和穩態溫升系數k分別為:

                  可以通過參數A、B得到τ、k,通過τ、k的不同變化趨勢來衡量電纜接頭質量的好壞,并判定發生了何種故障。


                  結論
                  1)本文針對目前電纜在線溫度監測技術不能直接檢測導體溫度的問題,通過數學推導對電纜接頭暫態熱路模型進行逐步簡化,得到1階暫態熱路模型;并基于此得到溫度反演系數,對電纜接頭進行了導芯溫度的反演計算,即利用監測點的溫升預測得到導體實時溫升。同時,通過參數辨識進行在線監測并獲知故障診斷結果。

                  2)研究結果表明,反演結果與實驗平臺實測導體溫升結果相符。根據辨識參數相對正常運行狀態的變化,可判斷出電纜接頭是否存在故障隱患以及是何種故障。


                本文由 安徽電力電纜 整理編輯。

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