基于宽频阻抗谱的电缆局部缺陷诊断方法研究

摘要

电缆在现代大型电气系统的电能及通讯信号传输中起着极其重要的作用。运行中的电缆易发生永久性故障，电缆故障一旦发生，将导致大型电气系统停运甚至失控，造成严重的经济损失和社会影响。电缆永久性故障的发生往往开始于局部潜伏性缺陷，电缆局部潜伏性缺陷主要包括：电缆由于局部高温、高湿、局部放电甚至核辐射而发生的局部老化，以及电缆由于机械外力而发生的局部破损。电缆局部缺陷若得不到及时有效的排除，将对大型电气系统的安全与稳定性构成严重的威胁。因此，实现电缆局部潜伏性缺陷的诊断具有重要意义。
　　现有电缆运行状态诊断惯用方法在电缆整体运行状态评估以及永久性故障定位方面取得一定成果，但无法诊断电缆局部潜伏性缺陷。电缆局部放电在线监测技术是电缆局部缺陷诊断的一种方法，但电缆局部放电监测技术存在放电信号检测难度高，信号传播及衰变特性不明确等局限。因此，研究和开发新的电缆局部缺陷诊断方法具有重要意义。
　　近年来，国外部分学者开始研究利用电缆宽频阻抗谱实现电缆局部缺陷诊断，其基本原理是：利用阻抗谱分析仪测量电缆首端输入阻抗随频率变化的曲线（宽频阻抗谱），当频率足够高时，阻抗谱主要与电缆本身特性相关，通过阻抗谱数据分析提取出电缆运行状态相关信息，进而实现电缆局部缺陷诊断。电缆阻抗谱数据容易测量，但如何从阻抗谱数据中分析和提取出局部缺陷的特征量（缺陷位置、缺陷严重程度）是一个难题。国外阻抗谱数据分析方法主要有LIRA方法和IFFT方法。LIRA方法和IFFT方法在利用阻抗谱实现电缆局部缺陷诊断方面取得一定的成果，但相关研究处于起步阶段，系统化的理论尚未形成，从所报道的结果来看 LIRA方法和IFFT方法尚不能可靠的实现电缆局部缺陷定位与缺陷状态评估，且相关技术处于保密阶段。在国内，相关技术研究仍处于空白。
　　本文针对现有国内外研究的不足，研究了基于宽频阻抗谱的电缆局部缺陷诊断方法。研究了电缆宽频阻抗特性，研究了电缆局部缺陷对阻抗谱的影响机理及程度，提出了有效的电缆阻抗谱数据分析方法，实现电缆局部缺陷可靠定位及缺陷状态评估，并采用仿真及试验对该方法进行了验证，取得的主要成果有：
　　1．研究了电缆宽频阻抗谱的特性，分析了宽频阻抗谱与电缆电气参数的关联性，为宽频阻抗谱技术在电缆运行状态诊断中的应用奠定理论基础。同时，研究了电缆宽频阻抗测量技术，选取了适合电缆宽频阻抗测量的方法及仪器。研究表明，频率足够高时，电缆阻抗谱具有周期性、迅变性及衰减性三大特性，这三大特性主要由电缆本身传播系数所决定。阻抗幅值频谱的极大值附近，以及阻抗相位频谱的过零点附近，阻抗的变化十分迅速，这类点能够十分敏感的反映电缆的运行状态参数的变化，因此可以利用宽频阻抗谱获取电缆运行状态信息。为满足各类电缆的阻抗谱测量要求，电缆阻抗谱测量仪器频率上限应达到5.5MHz以上。
　　2．研究了电缆局部缺陷对阻抗谱的影响机理及影响程度，为宽频阻抗谱技术在电缆局部缺陷诊断中的应用提供理论支撑。提出了含局部缺陷的电缆阻抗谱计算模型，实现含多处局部缺陷段的电缆首端阻抗谱计算，明确了电缆局部缺陷与首端阻抗谱的函数关系。研究表明，电缆出现局部缺陷后，将导致缺陷处传播系数发生变化，传输信号在缺陷处发生折反射，使得电缆首端阻抗谱变为局部缺陷处特征阻抗、传播系数及缺陷位置的函数。电缆出现1％总长度轻度老化段后，部分频率点处阻抗幅值变化比率超过40%，而部分频率点处阻抗相位变化比率超过老化前的500%。因此，电缆局部缺陷的出现会对首端宽频阻抗谱造成十分显著的影响，可以利用宽频阻抗谱进行电缆局部缺陷诊断。
　　3．提出了电缆阻抗谱数据分析方法，从电缆首端阻抗谱中有效提取出局部缺陷的特征参量，实现局部缺陷的定位与缺陷状态评估。提出了基于积分变换分析法的电缆局部缺陷定位方法，实现电缆局部缺陷的定位；提出了基于粒子群算法的电缆局部缺陷状态评估方法，实现电缆局部缺陷严重程度的评估，利用仿真验证了局部缺陷定位及缺陷状态评估方法的有效性。研究表明，长度为3.5km的电缆出现5cm的局部缺陷段可采用本文提出的积分变换方法可靠定位，通过选取阻抗谱频率范围可改善定位效果，末端负载大小对定位效果的影响可以忽略不计。积分变换方法所得诊断图中不存在可导致误判的信息，诊断结果优于 LIRA方法及 IFFT方法。通过粒子群方法可有效获取电缆局部缺陷特征参数，实现局部老化段介电损耗值以及局部破损段几何破损系数的计算，从而评估电缆局部缺陷的严重程度。电缆出现多处缺陷时，各处缺陷对诊断结果的影响相互独立，因此本文所提出的方法能有效实现多处缺陷的诊断。
　　4．研究了实际电缆初始特征参数的获取方法，为电缆运行状态诊断提供基础数据。开展了实际电缆局部老化诊断试验、局部破损诊断试验以及混合缺陷诊断试验，进一步验证了本文所提出的诊断方法的有效性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 电缆运行状态诊断惯用方法

1.3电缆局部放电监测技术

1.4 电缆宽频阻抗谱技术

1.5 本文的研究内容

2 电缆宽频阻抗谱特性研究

2.1 引言

2.2电缆分布参数

2.3 电缆宽频阻抗谱特性研究

2.4电缆宽频阻抗谱的测量

2.5 本章小结

3电缆局部缺陷对阻抗谱的影响研究

3.1 引言

3.2局部缺陷对电缆阻抗谱的影响机理

3.3 局部缺陷对电缆阻抗谱的影响程度

3.4本章小结

4 电缆局部缺陷诊断方法研究

4.1 引言

4.2 基于积分变换分析法的电缆局部缺陷定位

4.3基于粒子群算法的电缆局部缺陷状态评估

4.4本章小结

5 电缆局部缺陷诊断试验研究

5.1引言

5.2试验步骤及样品准备

5.3 电缆初始特征参数的获取方法

5.4 电缆局部缺陷诊断结果

5.5本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间参与的课题研究情况

附录3攻读博士学位期间授权和申请的专利