項(xiàng)目

名稱

基于溫差發(fā)電的XLPE電纜環(huán)流故障檢測(cè)系統(tǒng)

（一） 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

XLPE電力電纜具有優(yōu)良的電氣特性，對(duì)增強(qiáng)電力系統(tǒng)的供電可靠性具有關(guān)鍵性作用，廣泛應(yīng)用于城市電網(wǎng)電能傳輸中，及時(shí)了解電纜運(yùn)行狀態(tài)，提高實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的靈敏性對(duì)保證電力系統(tǒng)安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

電纜在其制造過(guò)程中難免存在絕緣氣隙與突起等局部缺陷，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)受到外界不利因素影響，使得電纜絕緣介質(zhì)中容易形成水樹(shù)枝、進(jìn)一步發(fā)展成電樹(shù)枝等絕緣老化現(xiàn)象。我國(guó)對(duì)電力電纜的在線監(jiān)測(cè)研究起步較晚，長(zhǎng)期以來(lái)主要采用預(yù)防性試驗(yàn)進(jìn)行維護(hù)，這種離線檢測(cè)方法耗時(shí)耗力，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障或缺陷。研究表明，接地環(huán)流值與電纜負(fù)荷電流值有關(guān)聯(lián)，與電纜絕緣電阻有關(guān)聯(lián)，因而可通過(guò)測(cè)量接地環(huán)流值來(lái)判斷電纜絕緣狀況。

本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一套XLPE電纜環(huán)流故障檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采集電纜環(huán)流瞬時(shí)值，采用軌跡分析的方式對(duì)其進(jìn)行故障診斷，并通過(guò)故障時(shí)刻電流加大產(chǎn)生的溫差實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)供電。

（二） 研究目的

電纜運(yùn)行時(shí)不同參數(shù)有著不同的表現(xiàn)形式，各參數(shù)反映絕緣老化或故障的靈敏度也有所不同，因此將“多參數(shù)綜合評(píng)估思想”引入到電纜的狀態(tài)評(píng)估中，可以充分利用各項(xiàng)絕緣參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行電纜的狀態(tài)評(píng)估，加強(qiáng)檢測(cè)精準(zhǔn)度、解放勞動(dòng)力、減少經(jīng)濟(jì)損失。

環(huán)流檢測(cè)裝置主要依靠感應(yīng)線圈取電或光伏太陽(yáng)能電池供電。24小時(shí)不間斷的對(duì)環(huán)流進(jìn)行測(cè)量十分耗電，并無(wú)意義。當(dāng)電纜發(fā)生絕緣故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量并在線路上傳遞。通過(guò)對(duì)熱量變化的感知可以識(shí)別故障狀態(tài)與正常狀態(tài)。利用故障產(chǎn)生的熱能對(duì)檢測(cè)裝置供電可節(jié)省用電消耗，提高檢測(cè)系統(tǒng)環(huán)保性。

（三） 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一款基于溫差發(fā)電的XLPE電纜環(huán)流故障檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集電纜金屬護(hù)套接地環(huán)流參數(shù)，構(gòu)建同一時(shí)間段內(nèi)兩種參數(shù)綜合起來(lái)的軌跡圖。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析比較該軌跡圖與正常情況下的差異情況，分析其長(zhǎng)軸變化率，旋轉(zhuǎn)角變化率，離心率變化率，面積變化率，來(lái)精確地進(jìn)行故障診斷。系統(tǒng)利用溫差發(fā)電片充當(dāng)輔助電源的功能給環(huán)流檢測(cè)系統(tǒng)供電。用隔熱墊片做成盒子，溫差發(fā)電片的熱面位于盒外，用導(dǎo)熱硅膠使之貼在電纜絕緣接頭內(nèi)連接管處，冷面處于盒內(nèi)。當(dāng)電力電纜發(fā)生故障時(shí)，電纜線芯電流增大，因而連接管內(nèi)溫度迅速增加，隔熱墊削弱傳送至冷面的熱量，熱面與冷面溫度差升高，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)給穩(wěn)壓芯片，而后給傳感器及運(yùn)放供電，檢測(cè)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，傳送環(huán)流值至監(jiān)控中心并報(bào)警。當(dāng)電纜正常運(yùn)行或已經(jīng)發(fā)生故障很久時(shí)，發(fā)電片兩面溫差很小或?yàn)?span style="font-family: Times New Roman;">0，檢測(cè)系統(tǒng)處于停止運(yùn)行狀態(tài)。散熱器用于降低冷面溫度。

（四） 國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

溫差發(fā)電技術(shù)的基本原理是塞貝克效應(yīng)，其內(nèi)容是：將P型和N型兩種不同類(lèi)型的熱電材料的一端相連形成一個(gè)PN結(jié)，并使之一端處于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)，由于熱激發(fā)的作用，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于低溫端，由于存在濃度梯度，使得空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)熱電材料熱端和冷端之間的溫度差實(shí)現(xiàn)了熱能向電能的直接轉(zhuǎn)化。由于一個(gè)PN結(jié)所能形成的電動(dòng)勢(shì)非常小，因此在實(shí)際應(yīng)用中將很多PN結(jié)按照一定的方式連接起來(lái)，以獲取足夠高的電壓。導(dǎo)熱硅膠片可以很好的填充接觸面的間隙,將空氣擠出接觸面,空氣是熱的不良導(dǎo)體,會(huì)嚴(yán)重阻礙熱量在接觸面之間的傳遞;有了導(dǎo)熱硅膠片的補(bǔ)充,可以使接觸面更好的充分接觸，真正做到面對(duì)面的接觸.在溫度上的反應(yīng)可以達(dá)到盡量小的溫差。

當(dāng)前溫差發(fā)電技術(shù)尚未得到在電力設(shè)備故障檢測(cè)領(lǐng)域得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，主要應(yīng)用于汽車(chē)船舶尾氣利用和能量回收、小型制冷裝置制造及太陽(yáng)能發(fā)電等。

目前電纜絕緣或故障監(jiān)測(cè)方法有溫度檢測(cè)法、直流成分法、絕緣介質(zhì)損耗法、局部放電法、行波定位法等。僅提供電纜表面溫度信息的電纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法滿足相關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)的使用要求?；谛胁ɡ碚摰臏y(cè)距方法在頻變電纜的故障定位中，由于頻變特性導(dǎo)致波頭難以捕捉，反射波在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的電纜線路傳播后，波頭幅值衰減較大，易受到干擾信號(hào)的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)外的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法進(jìn)行了跟蹤研究，雖也取得一定成果，但因起步較晚，相對(duì)缺乏自己的電纜在線監(jiān)測(cè)結(jié)果積累，加上現(xiàn)場(chǎng)干擾、方法本身存在缺陷及監(jiān)測(cè)裝置的精度制約等問(wèn)題，僅用單一方法通常無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行電纜的狀態(tài)評(píng)估，導(dǎo)致評(píng)估存在不確定性。

電纜運(yùn)行時(shí)不同參數(shù)有著不同的表現(xiàn)形式，各參數(shù)反映絕緣老化或故障的靈敏度也有所不同，因此將“多參數(shù)綜合評(píng)估思想”引入到電纜的狀態(tài)評(píng)估中，可以充分利用各項(xiàng)絕緣參數(shù)來(lái)準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行電纜的狀態(tài)評(píng)估。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了一種證據(jù)理論與模糊理論集成的XLPE電纜狀態(tài)評(píng)估研究，驗(yàn)證了混合診斷系統(tǒng)有效性，但沒(méi)有在復(fù)合監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)處理上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。楊靜、朱曉玲等提出用復(fù)合監(jiān)測(cè)方法選用負(fù)荷電流及環(huán)流作為測(cè)量參數(shù)，選用比值法作為數(shù)據(jù)處理方式，但該方法不能反映變化趨勢(shì)。國(guó)外學(xué)者提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的變壓器多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)內(nèi)部故障的方法，通過(guò)測(cè)量變壓器輸入輸出電壓差值及變壓器輸入電流對(duì)變壓器內(nèi)部繞組短路、軸向位移、機(jī)械變形等故障進(jìn)行檢測(cè)，利用二維軌跡圖實(shí)現(xiàn)多參數(shù)融合利用。該方法為本項(xiàng)目提供了參考價(jià)值。

（五） 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色

提出一種基于溫差發(fā)電的XLPE電纜環(huán)流故障檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用電纜故障產(chǎn)生的熱能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)供電，可實(shí)現(xiàn)能量高效利用，降低能耗，符合節(jié)能減排需求。提出了一種基于環(huán)流軌跡分析的高壓電纜故障診斷方法，有效利用軌跡圖特征參數(shù)如長(zhǎng)軸、短軸、傾斜角、離心率等數(shù)值進(jìn)行故障診斷，使監(jiān)測(cè)有直觀的圖像和參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，解決了采用單一參數(shù)檢測(cè)遇到的準(zhǔn)確度不足的問(wèn)題。

（六） 技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題及預(yù)期成果

1.技術(shù)路線：整個(gè)系統(tǒng)框架圖如圖1所示，系統(tǒng)由以下部分組成：環(huán)流信號(hào)采集模塊、信號(hào)無(wú)線傳輸模塊、遠(yuǎn)程綜合信息管理系統(tǒng)。其中，信號(hào)采集模塊主要包括原始信號(hào)采集、信號(hào)處理電路、輔助電源。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

輔助電源為溫差發(fā)電模塊如圖2所示。溫差發(fā)電片裝在電纜接頭內(nèi)，用隔熱墊片做成盒子，溫差發(fā)電片的熱面位于盒外，用導(dǎo)熱硅膠使之貼在電纜絕緣接頭內(nèi)連接管處，冷面處于盒內(nèi)，引出兩線連接傳感器及運(yùn)放電源引腳。

圖2 溫差發(fā)電模塊圖

原始信號(hào)采集模塊通過(guò)電流傳感器從金屬護(hù)層兩端接地線與護(hù)層交叉互聯(lián)處采集環(huán)流信號(hào)，如圖3所示。

圖3 原始信號(hào)采集圖

使用信號(hào)處理電路放大信號(hào)同時(shí)消除信號(hào)中的高頻噪聲。信號(hào)無(wú)線傳輸模塊主要是把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程綜合管理系統(tǒng)監(jiān)控中心。最后由監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收傳感器采集到的金屬護(hù)套電流信號(hào)。

采集裝置將數(shù)據(jù)傳至現(xiàn)場(chǎng)RTU遠(yuǎn)程終端，通過(guò)基站利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳至遠(yuǎn)程綜合信息管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合與分析，得出故障軌跡圖，如圖4所示：

圖4 故障軌跡示意圖

不同的故障對(duì)軌跡的影響不同，選取橢圓特征參數(shù)分析其變化規(guī)律即可實(shí)現(xiàn)故障定位和故障判別。每一個(gè)故障的軌跡是獨(dú)一無(wú)二的，具體判別方式如表1所示，依據(jù)長(zhǎng)軸、短軸、離心率、傾斜角的變化情況確定故障類(lèi)型及故障點(diǎn)。

表1 故障判據(jù)

開(kāi)支科目                    

預(yù)算經(jīng)費(fèi)

（元）

主要用途       

階段下達(dá)經(jīng)費(fèi)計(jì)劃（元）

該項(xiàng)目具有一定研究意義，且有較好的研究基礎(chǔ)及應(yīng)用前景，同意指導(dǎo)。

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