CN114578186A - 一种基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，包括以下步骤：S1、采集变电站的若干组电流和电压数据；S2、根据采集的电流和电压数据计算故障点估计电压和故障电流；S3、根据故障点估计电压和故障电流计算早期故障非线性指标，完成电缆早期故障严重程度的评价。电缆早期故障是发生永久性故障前的重要指征，辨识早期故障发展的阶段和状态可以反映电缆运行状态和绝缘劣化水平，本发明可以实现对永久性故障的预警，指导指定检修策略，提高供电可靠性。

Description

一种基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法

技术领域

本发明属于电缆故障辨识技术领域，具体涉及一种基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法。

背景技术

目前对于电缆早期故障的研究主要集中在对早期故障的灵敏检测和准确识别，而对于早期故障的特征和性质的分析尚不充分。早期故障作为电缆发生永久性故障的重要指征，随着早期故障的发展，早期故障的波形特征会发生变化，而对于如何刻画该波形特征变化的方法较少。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法解决了电缆早期故障非线性强弱对故障严重度辨识的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，包括以下步骤：

S1、采集变电站的若干组电流和电压数据；

S2、根据采集的电流和电压数据计算故障点估计电压和故障电流；

S3、根据故障点估计电压和故障电流计算早期故障非线性指标，完成电缆早期故障严重程度的评价。

进一步地：所述步骤S1中，变电站的电流和电压数据包括变电站的母线电压、变电站的相电流。

进一步地：所述步骤S2中，计算故障电流i_f(n)的表达式具体为：

i_f(n)＝i_a(n)+i_b(n)+i_c(n)

式中，i_a(n)为A相电流、i_b(n)为B相电流、i_c(n)为C相电流，n为采样点序数，且n＝1,2,…,N，N为采样点总数。

上述进一步方案的有益效果为：本发明针对电缆早期故障发展过程中，在电压和电流波形表现差异性的问题，通过评估电缆早期故障非线性强弱实现对电缆早期故障严重程度的辨识。

进一步地：所述步骤S2中，计算故障点估计电压的方法包括以下分步骤：

SA1、根据变电站的相电流和故障电流构建已知参数向量，进而根据已知参数向量和变电站的母线电压计算未知参数向量；

SA2、根据未知参数向量计算故障点估计电压。

进一步地：所述步骤SA1中，计算未知参数向量X的表达式具体为：

式中，v_s(n)为母线电压，

为取最小值时的X函数值，D为已知参数向量，且D＝(i_s(n),if(n))，i_s(n)为变电站端测得的故障相电流，if(n)为故障点接地电流，X为未知参数向量，且X＝(R₁,L₁,UT,I_S)，R₁为母线到早期故障点的等效电阻，L₁为母线到早期故障点的等效电感，U_T为电弧性质的第一常数，I_S为电弧性质的第二常数；F(X,D)为未知参数向量与已知参数向量的关系式，其关系式具体为：

式中，Δt为采样时间间隔；

所述步骤SA2中，计算故障点估计电压

的表达式具体为：

进一步地：所述步骤S3中，计算早期故障非线性指标的方法包括以下分步骤：

SB1、根据故障点估计电压和故障电流构建伏安特性曲线，并用直线拟合伏安特性曲线，计算所述直线的斜率；

SB2、根据所述直线的斜率计算早期故障非线性指标。

进一步地：所述步骤SB1中，计算所述直线的斜率K表达式具体为：

式中，

为取最小值时的K函数值；

所述步骤SB2中，计算早期故障非线性指标R_VI的表达式具体为：

式中，

为故障点估计电压均值，且

上述进一步方案的有益效果为：根据本发明定义的早期故障非线性指标R_VI，早期故障非线性指标R_VI越大，说明早期故障伏安特性曲线越接近直线，对应的早期故障非线性越弱。

进一步地：所述步骤S3中，电缆早期故障严重程度的评价方法具体为：设置非线性指标阈值D，若早期故障非线性指标R_VI大于非线性指标阈值D时，则变电站电缆早期故障重度严重；否则，变电站电缆早期故障轻度严重。

本发明的有益效果为：

(1)电缆早期故障是发生永久性故障前的重要指征，辨识早期故障发展的阶段和状态可以反映电缆运行状态和绝缘劣化水平，本发明可以实现对永久性故障的预警，指导指定检修策略，提高供电可靠性。

(2)本发明刻画了早期故障渐进发展的波形变化特征，对于电压和电流波形表现差异性的问题，通过早期故障非线性变化特征可以实现对早期故障发展阶段的监测和辨识。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为故障点电压和故障电流构成的伏安特性曲线；

图3为实验得到电压和电流波形计算的非线性指标R_VI。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，包括以下步骤：

S1、采集变电站的若干组电流和电压数据；

S2、根据采集的电流和电压数据计算故障点估计电压和故障电流；

S3、根据故障点估计电压和故障电流计算早期故障非线性指标，完成电缆早期故障严重程度的评价。

电缆早期故障是随着电缆投运年限的增加，其绝缘出现劣化而产生间歇性、瞬时性和自清除性的电弧击穿现象；

非线性指的是在早期故障期间，故障点电压和故障电流的伏安特性曲线趋近于直线的程度，伏安特性越接近于直线说明早期故障的非线性越弱。

本发明针对变电站电缆早期故障发展过程中，在电压和电流波形表现差异性的问题，通过评估电缆早期故障非线性强弱实现对电缆早期故障严重程度的辨识。

所述步骤S1中，变电站的电流和电压数据包括变电站的母线电压、变电站的相电流。

所述步骤S2中，计算故障电流i_f(n)的表达式具体为：

i_f(n)＝i_a(n)+i_b(n)+i_c(n)

式中，i_a(n)为A相电流、i_b(n)为B相电流、i_c(n)为C相电流，n为采样点序数，且n＝1,2,…,N，N为采样点总数。

所述步骤S2中，计算故障点估计电压的方法包括以下分步骤：

SA1、根据变电站的相电流和故障电流构建已知参数向量，进而根据已知参数向量和变电站的母线电压计算未知参数向量；

SA2、根据未知参数向量计算故障点估计电压。

所述步骤SA1中，计算未知参数向量X的表达式具体为：

式中，v_s(n)为母线电压，

为取最小值时的X函数值，D为已知参数向量，且D＝(i_s(n),i_f(n))，i_s(n)为变电站端测得的故障相电流，i_f(n)为故障点接地电流，X为未知参数向量，且X＝(R₁,L₁,U_T,I_S)，R₁为母线到早期故障点的等效电阻，L₁为母线到早期故障点的等效电感，U_T为电弧性质的第一常数，I_S为电弧性质的第二常数；U_T与电子碰撞电离系数有关，I_S与外界电离因子作用下的饱和电流有关。

F(X,D)为未知参数向量与已知参数向量的关系式，其关系式具体为：

式中，Δt为采样时间间隔；

假定R₁和L₁是母线到早期故障点的等效电阻和电感，v_s(n)是变电站端测得的母线电压，i_s(n)是变电站端测得的相电流,

是故障点电压，而i_f(n)为故障点接地电流。根据基尔霍夫电压定律易得，母线电压v_s(n)等于故障点电压

加上线路上的压降。

所述步骤SA2中，计算故障点估计电压

的表达式具体为：

实施例2：

本实施例为针对早期故障非线性强弱计算。

在本实施例中，假设共有N个采样点，故障点估计电压

和故障电流i_f(n)一一对应，n为采样点序数，且n＝1，2，3,…，N。此时，用直线拟合由

和i_f(n)构成的伏安特性曲线，如图2所示。

所述步骤S3中，计算早期故障非线性指标的方法包括以下分步骤：

SB1、根据故障点估计电压和故障电流构建伏安特性曲线，并用直线拟合伏安特性曲线，计算所述直线的斜率；

SB2、根据所述直线的斜率计算早期故障非线性指标。

所述步骤SB1中，计算所述直线的斜率K表达式具体为：

式中，

为取最小值时的K函数值；

所述步骤SB2中，计算早期故障非线性指标R_VI的表达式具体为：

式中，

为故障点估计电压均值，且

所述步骤S3中，电缆早期故障严重程度的评价方法具体为：设置非线性指标阈值D，若早期故障非线性指标R_VI大于非线性指标阈值D时，则变电站电缆早期故障重度严重；否则，变电站电缆早期故障轻度严重。

如图3所示，根据本发明定义的早期故障非线性指标R_VI，早期故障非线性指标R_VI越大，说明早期故障伏安特性曲线越接近直线，对应的早期故障非线性越弱。

本发明的有益效果为：电缆早期故障是发生永久性故障前的重要指征，辨识早期故障发展的阶段和状态可以反映电缆运行状态和绝缘劣化水平，本发明可以实现对永久性故障的预警，指导指定检修策略，提高供电可靠性。

本发明刻画了早期故障渐进发展的波形变化特征，对于电压和电流波形表现差异性的问题，通过早期故障非线性变化特征可以实现对早期故障发展阶段的监测和辨识。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (8)

1.一种基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集变电站的若干组电流和电压数据；

S2、根据采集的电流和电压数据计算故障点估计电压和故障电流；

S3、根据故障点估计电压和故障电流计算早期故障非线性指标，完成电缆早期故障严重程度的评价。

2.根据权利要求1所述的基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤S1中，变电站的电流和电压数据包括变电站的母线电压、变电站的相电流。

3.根据权利要求2所述的基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算故障电流i_f(n)的表达式具体为：

i_f(n)＝i_a(n)+i_b(n)+i_c(n)

式中，i_a(n)为A相电流、i_b(n)为B相电流、i_c(n)为C相电流，n为采样点序数，且n＝1,2,…,N，N为采样点总数。

4.根据权利要求3所述的基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算故障点估计电压的方法包括以下分步骤：

SA1、根据变电站的相电流和故障电流构建已知参数向量，进而根据已知参数向量和变电站的母线电压计算未知参数向量；

SA2、根据未知参数向量计算故障点估计电压。

5.根据权利要求4所述的基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤SA1中，计算未知参数向量X的表达式具体为：

式中，v_s(n)为母线电压，

为取最小值时的X函数值，D为已知参数向量，且D＝(i_s(n),i_f(n))，i_s(n)为变电站端测得的故障相电流，i_f(n)为故障点接地电流，X为未知参数向量，且X＝(R₁,L₁,U_T,I_S)，R₁为母线到早期故障点的等效电阻，L₁为母线到早期故障点的等效电感，U_T为电弧性质的第一常数，I_S为电弧性质的第二常数；F(X,D)为未知参数向量与已知参数向量的关系式，其关系式具体为：

式中，Δt为采样时间间隔；

所述步骤SA2中，计算故障点估计电压

的表达式具体为：

6.根据权利要求5所述的基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算早期故障非线性指标的方法包括以下分步骤：

SB1、根据故障点估计电压和故障电流构建伏安特性曲线，并用直线拟合伏安特性曲线，计算所述直线的斜率；

SB2、根据所述直线的斜率计算早期故障非线性指标。

7.根据权利要求6所述的基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤SB1中，计算所述直线的斜率K表达式具体为：

式中，

为取最小值时的K函数值；

所述步骤SB2中，计算早期故障非线性指标R_VI的表达式具体为：

式中，

为故障点估计电压均值，且

8.根据权利要求7所述的基于伏安特性分析的电缆早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤S3中，电缆早期故障严重程度的评价方法具体为：设置非线性指标阈值D，若早期故障非线性指标R_VI大于非线性指标阈值D时，则变电站电缆早期故障重度严重；否则，变电站电缆早期故障轻度严重。

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