【摘要】：電力電纜作為煤礦供電系統(tǒng)的重要能量傳輸元件,如果不能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)其絕緣狀態(tài),很容易導(dǎo)致系統(tǒng)不平衡運(yùn)行,影響煤礦供電的可靠性和安全生產(chǎn)水平。在瓦斯、煤塵聚集的井下,電纜絕緣被擊穿的瞬間產(chǎn)生的電火花極易引發(fā)爆炸事故,造成礦井人員傷亡。因此,從煤礦供電可靠性和安全生產(chǎn)出發(fā),要求應(yīng)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)煤礦供電系統(tǒng)中電力電纜的絕緣狀態(tài)。但對(duì)于6/10kV電壓等級(jí)的三芯礦用電纜,絕緣劣化時(shí)泄露電流微小,信號(hào)特征不明顯,導(dǎo)致絕緣狀態(tài)難以準(zhǔn)確診斷。雖然現(xiàn)有電纜絕緣狀態(tài)診斷方法較多,但是實(shí)際運(yùn)用的效果并不理想,尤其缺乏在礦用電纜方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本文在深入分析電纜絕緣劣化機(jī)理和氣隙局部放電過程的基礎(chǔ)上,建立了改進(jìn)型局部放電模型,給出了局放脈沖信號(hào)去噪的方法,研究了利用線路模型及線路電壓電流信號(hào)的綜合特征的診斷方法。為了更忠實(shí)地模擬電纜絕緣發(fā)生局部放電的過程,本文以絕緣介質(zhì)中氣隙的局部放電為研究對(duì)象,建立了氣隙的改進(jìn)型局部放電模型。局部放電使得氣隙周圍的介質(zhì)發(fā)生電離反應(yīng),局部放電的累積導(dǎo)致氣隙和氣隙周圍介質(zhì)的炭化通道增長(zhǎng)。根據(jù)氣隙局部放電的原理,重點(diǎn)研究了決定局部放電的幾個(gè)主要參數(shù),指出氣隙和炭化通道的增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致氣隙及其周圍的絕緣介質(zhì)的絕緣性能發(fā)生變化,并確定用可變的等效電阻和等效電容模擬氣隙及其周圍介質(zhì)的絕緣性能的變化。利用氣隙中的流注放電的起始條件和熄滅條件確定了局部放電的起始電壓和熄滅電壓。在改進(jìn)型局放模型中通過局部放電的次數(shù)控制各可變等效電阻和等效電容,給出了仿真模型運(yùn)行的流程。仿真結(jié)果表明,由改進(jìn)型局放模型獲得的局放信號(hào)的幅值趨勢(shì)更接近實(shí)測(cè)的局放信號(hào),暫態(tài)波形更加豐富。有效地消除局放信號(hào)中的噪聲干擾有助于提高局放監(jiān)測(cè)的精度,是局放脈沖監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用于實(shí)際中需要解決的關(guān)鍵問題。本文首先分析了局放信號(hào)的測(cè)量方法,研究了染噪前后局放信號(hào)的幅頻特性;其次研究了變分模態(tài)分解和小波閾值法的基本原理。根據(jù)局放信號(hào)的非線性、非平穩(wěn)特征,提出了基于變分模態(tài)分解和小波閾值重構(gòu)的去噪方法,給出了該方法的實(shí)現(xiàn)流程。確定了變分模態(tài)分解過程中兩個(gè)重要參數(shù)(本征模態(tài)個(gè)數(shù)和懲罰因子)的取值,以及小波閾值中的小波基、分解尺度和閾值估計(jì)函數(shù)的選取。與目前已有的幾種去噪方法,如變分模態(tài)分解法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解自相關(guān)法以及小波閾值法,進(jìn)行了對(duì)比分析,通過信噪比、相關(guān)系數(shù)和均方根誤差進(jìn)行了定量比較,驗(yàn)證了對(duì)于信噪比較低的局放信號(hào),基于變分模態(tài)分解和小波閾值重構(gòu)法的去噪效果。并將實(shí)驗(yàn)獲得的局放信號(hào)進(jìn)行去噪,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的方法的去噪能力。合理的線路模型可提高電纜絕緣診斷技術(shù)的精度和效率,是理論確定和仿真驗(yàn)證絕緣狀態(tài)診斷方法的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。論文分析了電纜的原參數(shù)以及線路的三種參數(shù)模型,即分布參數(shù)模型、π型參數(shù)模型和T型參數(shù)模型。根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)方程推導(dǎo)出三種參數(shù)模型的原參數(shù)與電纜兩端電壓、電流的關(guān)系,并對(duì)比了由三種計(jì)算關(guān)系式得到的絕緣參數(shù)與真實(shí)絕緣參數(shù)值之間的誤差。結(jié)合礦用電力電纜的實(shí)際情況,從礦用電纜的長(zhǎng)度、計(jì)算公式復(fù)雜度和計(jì)算的精度等方面綜合考慮,分析了三種關(guān)系式的優(yōu)缺點(diǎn),最終確定了把由π模型得到的關(guān)系式作為電纜絕緣參數(shù)計(jì)算公式。利用電纜首末兩端電壓電流的矢量值進(jìn)行復(fù)數(shù)運(yùn)算,求出了電纜的絕緣電導(dǎo)值和介質(zhì)損耗角正切值,提出了基于同步相量測(cè)量的電纜絕緣狀態(tài)診斷方法�；谕较嗔繙y(cè)量的絕緣狀態(tài)診斷方法要求高精度同步采集電纜兩端的電壓電流信號(hào),為了保證算法的精度,利用廣域同步測(cè)量技術(shù)以實(shí)現(xiàn)電纜首末兩端的信號(hào)的同步測(cè)量。分析了廣域同步測(cè)量技術(shù)的結(jié)構(gòu)體系,以及同步相量測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。通過GPS實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步授時(shí),利用PMU中的相量計(jì)算微處理器計(jì)算電壓、電流的相量,計(jì)算方法采用遞歸相量計(jì)算法�？紤]了電流互感器精度對(duì)同步相量測(cè)量法準(zhǔn)確性的影響,提出了長(zhǎng)距離電纜的絕緣實(shí)時(shí)在線診斷和短距離礦用電纜的絕緣“準(zhǔn)實(shí)時(shí)”診斷。分析了互感器精度造成的算法的最大誤差,給出了同步相量測(cè)量法用于電纜絕緣實(shí)時(shí)在線診斷時(shí)的條件。分析了當(dāng)短距離礦用電纜處于空載檢修期時(shí)微小量程互感器的精度對(duì)算法的影響,驗(yàn)證了該方法用于短距離礦用電纜空載檢修時(shí)期的“準(zhǔn)實(shí)時(shí)”監(jiān)測(cè)的可行性。分析了系統(tǒng)中的2~7次諧波、GPS同步授時(shí)誤差以及系統(tǒng)頻率偏移對(duì)同步相量測(cè)量法的影響,分析結(jié)果指出:諧波的存在對(duì)算法沒有影響;目前GPS授時(shí)技術(shù)的同步誤差均較小,對(duì)算法精度的影響也很小;系統(tǒng)頻率偏移造成電壓電流相量計(jì)算誤差,致使絕緣參數(shù)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。電纜絕緣不對(duì)稱時(shí),系統(tǒng)三相不平衡運(yùn)行產(chǎn)生了零序電壓,各電纜線路中出現(xiàn)了零序電流。根據(jù)電纜的絕緣劣化時(shí)零序分量與電纜絕緣參數(shù)的關(guān)系,提出了基于決策樹法的電纜絕緣狀態(tài)在線診斷方法。首先分別分析了單相絕緣劣化以及兩相絕緣劣化時(shí)線路的等效運(yùn)算電路,形成了不同絕緣劣化類型線路的零序電壓內(nèi)部等效電路。將絕緣劣化線路的零序電壓內(nèi)部等效電路與系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)組合成了新的零序等效電路,給出了零序電壓和零序電流隨電纜絕緣參數(shù)的變化規(guī)律。分析了電纜發(fā)生單相絕緣劣化和兩相絕緣劣化前后零序電流的變化量△I _j與系統(tǒng)相對(duì)地電壓之間的相位關(guān)系,指出對(duì)于單相絕緣劣化的電纜,△I _j與絕緣劣化相的相對(duì)地電壓同相位,對(duì)于兩相絕緣劣化的電纜,△I _j的相位在兩相絕緣劣化相相對(duì)地電壓之間,并給出了△I _j的計(jì)算流程。由于絕緣不對(duì)稱劣化線路的絕緣參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式不同于絕緣對(duì)稱線路的計(jì)算表達(dá)式,同時(shí)結(jié)合△I _j與相對(duì)地電壓的相位關(guān)系建立了電纜絕緣狀態(tài)的診斷決策樹,并給出了絕緣狀態(tài)的詳細(xì)判定流程,克服了同步相量測(cè)量法無法對(duì)礦用電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷,以及其他方法無法判斷礦用電纜劣化相的弊端。分析了中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中零序電壓的表達(dá)式,指出系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式影響零序電壓的變化,但不影響各線路零序分量與其絕緣參數(shù)之間的關(guān)系。拓展研究了當(dāng)決策樹應(yīng)用于時(shí)地面電網(wǎng)等負(fù)載中性點(diǎn)接地系統(tǒng)時(shí),負(fù)載的三相不平衡對(duì)決策方法的影響,給出了決策算法的相應(yīng)修改方案。針對(duì)6kV中性點(diǎn)不接地煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果表明了該決策樹法的優(yōu)越性和可行性。最后,在本文結(jié)尾總結(jié)了所做工作,并展望了下一步的研究方向。
【圖文】：

本文認(rèn)為感應(yīng)電荷為定值。圖 2.3 的模型中，n 次局部放電后，各等 結(jié) 果 為 ，10 05.56 / {(10 )ln[(5 ) / 5]} 10 airC l n l l n l 12.21 10 F ，122 0C 0.128 / ln[9 / (5 l n l)] 10 F ，1R =2.63 10140.5ln[9 / (5 l n l )] 10 ，，0 03.81(10 )ln[(5 ) / 5] 1iR l n l l n l 100 03.18(10 )ln[(5 ) / 5] 10 l n l l n l ，154.1 10 FqC 。仿真模型上述公式可知，氣隙及其串聯(lián)部分介質(zhì)的等效電阻和電容是隨局部變化的。因此，本文利用 Matlab 中的 s-function 函數(shù)自建與放電次數(shù)阻和可變電容模塊。因?yàn)殚_關(guān) K 的閉合和斷開代表局部放電的開始和部放電次數(shù)等于開關(guān)斷開次數(shù)。通過對(duì)開關(guān)的斷開次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)來的次數(shù)，并實(shí)時(shí)反饋給可變電阻和可變電阻進(jìn)行刷新計(jì)算。圖 2.5 所效電阻的仿真模型，其中 S-Function1 模塊為用 M 語言編寫的自建模 R2和 Ri也是隨局部放電次數(shù)變化的可變電阻，其模型框圖與圖 2.5 是 S-Function 模塊中的程序語言。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文放電時(shí)電離通道等的效電阻 Ri均存在不同程度的增長(zhǎng)，而與氣隙串聯(lián)部分介質(zhì)的等效電阻值 R2減小。圖 2.7 所示為改進(jìn)型局放模型中氣隙的等效電容 Cair的仿真圖。由于仿真中不允許兩個(gè)受控電流源串聯(lián)，也不允許兩個(gè)受控電壓源并聯(lián)，所以，在等效電阻和等效電容的模型中分別采用受控電流源和受控電壓源。與氣隙串聯(lián)部分介質(zhì)的等效電容 C2的仿真模型框架與圖 2.7 相同，但 s-函數(shù)不同，此處不贅述。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD611;TM247

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2646745