[发明专利]基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法

摘要

本发明公开了属于电缆电气故障仿真分析领域，特别涉及一种基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法。该方法利用电磁暂态仿真软件建立电缆故障模型、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；根据IEC60287标准建立电缆暂态热路模型，计算故障时电缆的暂态温度；利用有限元仿真软件建立电缆和测温光纤的热力学有限元模型，仿真电缆和测温光纤在故障前的稳态温度场分布和故障后的暂态温度场分布与变化；根据仿真结果中测温光纤的温度分布和变化规律获得电缆电气故障识别和定位判据。本发明解决了利用测温光纤温度分布数据分析电缆电气故障时准确性差、实验困难等问题，具有故障设置灵活，工作效率高等优点。

主权项

基于分布式光纤测温的电缆电气故障仿真分析方法，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π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IEC60287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IEC60287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IEC60287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SOLID90三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。