10 kV XLPE电缆中局部放电声波衰减规律研究.pdf
《10 kV XLPE电缆中局部放电声波衰减规律研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《10 kV XLPE电缆中局部放电声波衰减规律研究.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 38 卷第 2 期电 力 科 学 与 技 术 学 报Vol.38 No.22023 年 3 月JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGYMar.202310 kV XLPE电缆中局部放电声波衰减规律研究罗海静,柳赟(华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206)摘要:超声传感技术的应用有望实现电缆局部放电的在线监测,因此有必要对相应型号电缆局放声波频率及幅值的衰减规律进行研究。基于型号为 YJV185 mm2的 10 kV XLPE 电力电缆,结合 2 组不同频率声源的仿真计算和 1组“针孔”局放实验,研究局放声波信号在电缆中的频
2、率及幅值衰减问题。研究结果表明:声波在多层复杂介质中的衰减规律和在单一介质中的衰减规律不一致;声源频率组成对电缆表面可检测声波频率及幅值的影响不可忽略;电缆中“针孔”局部放电的声源模型可以近似为带宽为 1 MHz、峰值时间为 1 s、频率范围为 01.5 MHz的高斯脉冲;本文所用型号电缆的“针孔”局部放电声波信号在电缆中的径向衰减系数值约为 8.17 dB/mm,电缆表面的轴向衰减系数为 0.430.52 dB/mm,电缆表面的可检测声波频率为 040 kHz;高灵敏度传感器的中心频率建议设计为 2040 kHz,而分布式检测传感器分布密度的设计需要具体问题具体研究。关键词:XLPE电缆;局
3、部放电;声波衰减;衰减系数;中心频率DOI:10.19781/j.issn.16739140.2023.02.021中图分类号:TM855文章编号:16739140(2023)02018610Study on the acoustic wave attenuation of partial discharge in 10 kV XLPE cableLUO Haijing,LIU Yun(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,Chin
4、a)Abstract:The application of ultrasonic sensing technology is expected to achieve online monitoring of cable partialdischarge.Therefore,it is necessary to study the acoustic frequency and amplitude attenuation rules of partial discharge ina certain type of cable.Taking the YJV185 mm2type 10 kV XLPE
5、 power cable as research object,this paper carries outsimulation calculations of two sets of different frequency acoustic sources and a set of needlehole partial dischargeexperiment.The frequency and amplitude attenuation rules of partial discharge acoustic signals in the cable are studied.Research
6、results show that the attenuation law of acoustic waves in multilayer complex media is inconsistent with that in asingle medium.The influence of the frequency composition of the sound source on the detectable sound frequency andamplitude of the cable surface cannot be ignored.The acoustic source mod
7、el of the needlehole partial discharge in thecable can be approximated as a Gaussian pulse with a bandwidth of 1 MHz,a peak time of 1s,and a frequency in therange of 01.5 MHz.The radial attenuation coefficient of the needlehole partial discharge acoustic signal in the cablesample is about 8.17 dB/mm
8、,the axial attenuation coefficient on the cable surface is about 0.430.52 dB/mm,and thedetectable acoustic frequency range on the cable surface is 040 kHz.The center frequency of high sensitivity sensors is收稿日期:20230310;修回日期:20230428基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(2019MS005)通信作者:柳赟(1986),女,硕士,高级工程师,主要从事电工理论与
9、新技术的研究,Email:罗海静,等:10 kV XLPE电缆中局部放电声波衰减规律研究第 38 卷第 2 期recommended to be designed at 2040 kHz,while the design of distribution density of distributed detection sensorsrequire specific research on specific issues.Key words:XLPE power cable;partial discharge;acoustic attenuation;attenuation coefficien
10、t;center frequency交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)电缆被广泛应用于城市输配电网络中,其安全运行对于电力系统稳定性至关重要14。局部放电是威胁电缆安全的主要因素之一,因此,保障电缆安全运行的关键措施是对电缆局部放电进行在线监测,尽早发现绝缘缺陷并采取应对措施。然而,目前对于电缆局部放电缺乏有效的在线监测手段,电缆本体及附件被击穿的事故时有发生。用于电气设备局部放电检测的主流方法是脉冲电流法、特高频检测法以及超声波检测法5。脉冲电流法需要接高压试验电源,适用于离线检测6。特高频检测法易受现场电磁环境干扰,误报、漏报问题十分严重7。相比电学
11、原理的检测方法,超声波检测法具有相对较强的抗电磁干扰能力,长久以来得到广泛的关注和研究。目前应用超声波法对局部放电进行研究,主要针对 GIS、发电机、变压器等设备,而应用超声波法对 XLPE 电 缆 及 其 附 件 局 部 放 电 进 行 研 究 的 较少3,8,其原因是局放声波信号在电缆的多层介质结构中衰减比较严重910,电缆的局放超声波检测对传感器的灵敏度提出很大的挑战。传统的局放声波检测技术是利用压电陶瓷传感器(piezoelectrictransducers,PZT),其灵敏度比较低11,不能满足电缆局放检测的要求。近年来,随着光纤技术的进步,电力设备上的光纤超声传感技术得到快速发展1
12、2。研究表明,光纤超声传感器比 PZT 的灵敏度高,并且能够实现通道复用11,1314,这是目前最有望用于实现电缆局放在线监测的超声波传感技术。电缆中的局部放电在发展到击穿之前,局部放电程度会逐渐增加。局部放电发生的初期是局放检测的最佳窗口期,但当放电发展到中期比较剧烈且没有击穿之前,仍然是超声检测法进行局放检测的关键窗口期,对电缆中的大局放进行检测,可以降低对超声传感器灵敏度的要求。设计适用于电缆局放的分布式光纤超声传感检测系统,分布式检测的方法可以弥补单个超声传感器检测范围小的不足,因此仍然有希望实现高效的电缆局放在线监测,以降低目前的电缆事故带来的经济损失。因此,需要对电缆上局放声波的频
13、率和幅值衰减的规律进行深入研究,以指导分布式传感器中心频率以及分布密度的设计。电气设备绝缘中局部放电产生的声波频率一般认为能高达数 MHz5。但是,由于局放声波在介质中传播时频率会发生衰减以及电气设备自身固有频率的影响,不同电气设备具有不同的可检测声波频率。比如,在 GIS 的局部放电超声波检测中,超声波传感器的谐振频率一般在 25 kHz 左右,而在变压器中,其谐振频率一般在 150 kHz 左右5。目前,对电缆中局放声波可检测频率的研究很少。文献 15 利用中心频率为 150 kHz 的 PZT 对 110 kVXLPE 电缆中间接头中的局部放电声波频率进行了研究,得到声信号频率为 502
14、50 kHz,此研究的不足在于没有考虑电缆结构的固有频率的分析。现有关于电缆局放声波幅值衰减的研究需进一步完善。文献 16 利用断铅方式模拟局放声波信号,研究了25 kV电缆上声波的幅值随传播距离的变化趋势;文献 17 采用模拟计算的方式研究了电缆外表面声波幅值随传播距离以及切向夹角的变化趋势;文献 18 在 XLPE 绝缘试块上开展了局放声波检测实验,测得局放声波信号全波幅值在 XLPE 绝缘块上的衰减系数为 0.62 dB/mm、216.4 kH 的高频信号幅值衰减系数为 0.80 dB/mm 以及 76.36 kHz的低频信号幅值衰减系数为 0.44 dB/mm;文献 19开展了 10
15、kV XLPE 电缆中模拟局放超声波传播的仿真计算和实验,用电缆中声波波阵面的变化解释了电缆表面声波信号幅值的变化,并且测得电缆表面声波信号幅值的衰减系数为 0.62 dB/mm。但是上述研究的结论难以直接指导前述分布式光纤局放超声传感检测系统的设计。本文基于型号为 YJV185 mm2的 10 kV XLPE单芯电缆,通过 2 组脉冲宽度声源的仿真计算以及“针孔”类型缺陷的局放试验,研究局放声波在电缆结构中的频率及幅值衰减规律,得到此型号电缆外表面可检测局放声波频率范围以及声波幅值衰187电力科学与技术学报2023 年 3 月减系数,并依此可以直接给出本文型号电缆对应分布式传感器中心频率设计
16、的建议范围。1电缆局部放电声波传播仿真1.1仿真模型的建立1.1.1电缆本体模型的建立型号为 YJV185 mm2的 10 kV XLPE 电缆本体结构如图 1所示,电缆为多层同心圆柱体,各层结构参数如表 1所示;在有限元仿真软件中,构建此型号电缆本体三维模型,如图 2 所示,设置轴向长度为150 mm,径向尺寸和实际电缆完全一致。为方便描述,在模型上建立空间直角坐标系 Oxyz,O 点在轴心左端点,x轴与电缆轴心重合。外护套钢铠内护套铜屏蔽外半导电层XLPE绝缘内半导电层铜芯三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三
17、三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三图 110 kV XLPE电缆本体结构Figure 1Structure of 10 kV X
18、LPE power cable表 110 kV XLPE电缆结构参数Table 1Structure parameters of 10 kV XLPE cable结构铜芯XLPE绝缘内/外半导电层铜屏蔽钢铠内/外护套厚度/mm8.4(R)5.01.00.20.23.0密度/(kg/m3)8 9609301 1508 9607 9302 230杨氏模量/GPa110.000.130.11110.00195.001.9510-3泊松比0.350.320.330.350.250.45zy单位:mmxO图 2电缆本体仿真模型Figure 2Simulation model of power cable
19、 body1.1.2物理场、声源、边界条件的设置利用有限元仿真软件中固体力学位移场模块,模拟局放声波在电缆中的传播过程,运动方程为 S+FV=2ut2(1)式中,r为媒质密度,kg/m3;FV为体积力,N;S 为应力,Pa;u为位移量,m。电缆中的局部放电可能会发生在绝缘中,故仿真时将声源设置在绝缘中距内半导电层 1 mm 的位置 S 处(图 2),S 在 z 坐 标 轴 上,其 坐 标 为(0,0,10.4)。局部放电会产生声波为脉冲型,有限元计算中一般可用高斯脉冲模拟。声源设置方式为指定位移,声源表达式为 u0 x=0u0y=0u0z=Aexp-2f20()t-tc2(2)式中,u0 x、
20、u0y、u0z分别为声源点 x、y、z 方向的初始位移量;A为位移量初始幅值;tc为脉冲峰值时间;f0为脉冲带宽。声源波形及频谱形状如图 3所示。为了研究声源的频率组成对电缆表面可检测声波频率及幅值衰减系数的影响,本文设置 2 种不同频带范围的高斯脉冲模型作为声源,分别对其进行仿真。将低频声源仿真记为“仿真 1”、高频声源仿真记为“仿真2”,具体参数设置如表 2 所示,其中,“频带范围”的定义采用“1/10法则”,即频谱幅值下降到最大幅的1/10时的频率范围。OAuoztc2tctOf02f0fuoz(a)时域波形(b)频谱图 3声源波形及其频谱Figure 3Waveform and spe
21、ctrum of sound source表 2声源参数Table 2Parameters of sound source声源仿真12tc/s1.00.2f0/MHz15频带范围/MHz01.507.5实际运行的电缆长度一般为几公里到几十公里,而仿真中的电缆模型仅有 150 mm,为模拟实际188罗海静,等:10 kV XLPE电缆中局部放电声波衰减规律研究第 38 卷第 2 期长度电缆中声波的传播,避免声波在模型的 2 个端面发生反射造成误差,将 2 个端面设置为低反射边界,同时电缆模型的柱面外围设置为空气介质。1.1.3网格的剖分对模型进行网格剖分是有限元计算的关键环节,网格剖分质量决定着
22、计算结果的准确性。钢铠和铜屏蔽的厚度均仅为 0.2 mm,为了保证计算结果的准确性,要求其至少被剖分成 2层网格,每层网格最多 0.1 mm,如此细小的网格剖分会使整个电缆的网格剖分数量骤增。网格数量决定自由度的求解,对运算设备中 CPU 的计算能力和内存大小提出很高的要求。现有很多关于电缆的仿真研究中,为了减少计算量均忽略了这 2 层结构,一定程度上给仿真结果带来误差。本文在高性能计算机的支持下,对钢铠和铜屏蔽结构进行合理剖分,暂态求解自由度高达 324 300,保证了仿真结果的准确性。1.2仿真结果分析1.2.1仿真数据采集仿真计算时间长度为 1 000 s,步长为 0.25 s,采样率为
23、 4 MS/s,频谱分辨率为 1 kHz,能够充分保证信号频率的完整性。电缆模型的 xoz面以及声波信号采集位置如图 4所示。m10m2m1znp1p2p10 xOS单位:mm图 4电缆模型上信号采集位置Figure 4Position of signal acquisition on the cable model为了对声波信号在电缆中径向和轴向的频率变化以及幅值变化进行研究,在声源 S 正上方(沿 z轴正方向)依次设置若干检测点 mi和 n,其中 n 点是外护套表面距离声源最近的点;在外护套表面轴向(沿 x 轴正方向)依次设置若干检测点 pi。mi、n、pi均位于坐标 xoz 面,各点坐标
24、值:mi(0,0,10.4+i),i=1,2,10;n(0,0,20.8);pi(10i,0,20.8),i=1,2,10。2组仿真 n点采集的声波信号波形及频谱分别如图 5所示。2814014281.00.50.0t/msu/nm仿真 132140f/kHz2006080 100仿真 1(a)时域波形(b)频谱4020020401.00.50.0t/msu/nm仿真 232120f/kHz10030仿真 2(c)时域波形(d)频谱图 5n点信号时域波形及频谱Figure 5Time domain waveform and spectrum ofsignal on point n由于仿真声源设
25、置的初始位移量在空间只有z0方向,故时域信号波形中低频分量的部分明显关于时间轴 t=0 不对称,这是预期的现象;其他检测点也有相同特点,这不影响对频谱及幅值变化规律的分析。n 点是电缆外护套表面距离声源 S 最近的位置,和声源 O 点相比,n点声波信号的高频部分发生了明显的衰减。仿真 1的 n点信号频带上限衰减至 34 kHz,主频为 13 kHz;仿真 2的频带上限衰减至 10 kHz。一般认为高频声波信号比低频衰减快,由于仿真 1、2 声源频谱的差异,电缆表面的可被检测频率也有较大差异,需进一步分析。1.2.2声波信号频率的变化规律2 组仿真径向和轴向测点信号的频带上限值 fh如图 6所示
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 10 kV XLPE电缆中局部放电声波衰减规律研究 XLPE 电缆 局部 放电 声波 衰减 规律 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。