基于压力波检测的电缆接头绝缘状态评估方法与流程

本发明属于电缆检测，具体涉及基于压力波检测的电缆接头绝缘状态评估方法。

背景技术：

1、随着国家经济的发展，电能需求量逐年增加，电力负荷不断增长，电力电缆成为电能传输的重要角色，交联聚乙烯(xlpe)电缆由于其良好的耐热性能、绝缘性能、机械特性、耐化学特性等，在电力电缆中应用最为广泛，电力电缆的使用率高，但由于电力电缆的隐蔽性，其发生故障的几率也较高，电缆产品的质量问题、安装时工艺的缺陷、电缆交付时检查的疏漏，都可能导致电缆在运行初期隐患不易出现，却在长期运行后隐患扩大，造成严重的后果，由于电力电缆的缺陷难以被直接观察，在运行过程中，隐藏的缺陷将逐步扩大，使得电缆的绝缘性能逐渐降低，最终造成重大事故的发生，由于其特殊结构且受二次加工工艺影响，电缆中间接头故障是导致电缆故障频发的主要原因，因此其绝缘状态对电力系统的安全运行至关重要；因此，提供一种及时发现电缆接头缺陷、对电缆无伤害、准确度高的基于压力波检测的电缆接头绝缘状态评估方法是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种及时发现电缆接头缺陷、对电缆无伤害、准确度高的基于压力波检测的电缆接头绝缘状态评估方法。

2、本发明的目的是这样实现的：基于压力波检测的电缆接头绝缘状态评估方法，所述的方法包括以下步骤：

3、步骤1：构建电缆接头中压力波传播规律仿真计算模型；

4、步骤2：搭建电缆接头典型缺陷的压力波检测系统；

5、步骤3：构建电缆接头局部放电故障类型识别模型；

6、步骤4：构建基于bp神经网络识别电缆接头局部放电故障类型模型；

7、步骤5：基于数据统计理论对电缆接头绝缘状态进行评估。

8、所述的步骤1中的构建电缆接头中压力波传播规律仿真计算模型具体包括以下步骤：

9、步骤1.1：压力波的产生：局部放电产生压力波，局部放电发生时由于能量的累积将对周围空间产生压力或轻微爆炸，周期性的振动产生压力波，如气隙放电过程中累积大量的热量，导致气隙膨胀，对周围固体介质产生向外的作用力，同时气隙受到了介质反作用力，气隙的膨胀和压缩形成一个周期的振动信号，振动以纵向或横向的方式向外扩散形成压力波，单词扩散结束后，气隙与周围固体介质达到力的平衡，此时气隙体积变大，经过多次放电产生的压力波导致固体绝缘介质中的气隙逐渐变大，进而形成永久性的损伤，振动产生的压力波频率越高，其波长远远大于气隙尺寸，可将局部放电发生时气隙处产生的振荡力学过程于二阶电路零输入相应相类比，得到方程为：式中，rm、cm、mm分别为力阻、力顺和质量；uc为气隙壁的对外作用力；气隙周期性的膨胀和压缩对周围固体形成挤压和拉伸，引起压力变化从而形成了压力波，求解得气隙壁的对外作用力uc为：式中，uc除以气隙的表面积可得出放电产生压力波的压强，即放电产生压力波的压强与uc成正比，气隙表面的初始作用力u0可表示为：u0＝qe(3)，式中，q为气隙放电量；e为击穿场强；

10、步骤1.2：电缆接头仿真模型：采用comsol对电缆接头压力波传播进行仿真计算，具体为：①根据计算要求，选取合适的单元大小与形状，将计算域中的介质划分为一定数量的网格，使之构成一个组合的计算域，固体弹性介质中声场的线性方程为：式中，ρ为介质密度；u为质点位移；c为弹性系数；f为外力；去掉外力作用，得到固体弹性介质的无源声场线性方程：固体介质分为各向同性和各项异性，以各向同性介质为对象，均匀各向同性介质的声场方程：式中，λ、μ为拉梅常数，e为杨氏模量；σ为泊松比；②选择位移插值函数，将计算域划分为多个计算单元后，构造位移插值函数，求解区域内节点的位移；③建立计算单元的有限元方程，利用伽辽金法，根据式(6)得系统的运动方程：式中，为节点加速度向量；为节点速度向量；m、c、k、q(t)分别是系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点荷载向量：式中，分别是单元的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；忽略阻尼，运动方程为：令式(10)中q(t)＝0，则该方程又可被称为系统的自由振动方程；④将激励加到相应单元节点；⑤由计算单元的有限元方程形成整体的有限元基本方程；⑥设置边界条件；⑦求解方程，得到节点位移，运动方程求解采用newmark积分法，具体为：1)初始计算：形成m、c、k、给定a0，选择δ(t)、α、δ，计算积分常数，形成有效高度矩阵元：形成三角分解元：2)对于每一时间步长：计算时间t+δt的有效裁荷：求解时间t+δt的位移：计算时间t+δt的速度和加速度：当δ≥0.50,α≥0.25(0.5+δ)2时，newmark积分法是无条件稳定的，此时，可根据计算的精度确定δt的大小；⑧求解应力，从式(14)或式(16)中解得节点的位移向量a(t)，可计算应变ε(t)和应力σ(t)；

11、步骤1.3：压力波在固体介质中的传播特性：局部放电产生压力波的传播有两个要素，分别是高频振动的质点和传播介质的性质，电缆中问接头局部放电产生的压力波可用以下三式来描述：式中，pt为瞬时压强；u为介质质点振动速度；ρ′为介质密度变化量；t′为平均时间间隔，ξ(x,y,z,t)为振动位移；由牛顿第二定律可得：由质量守恒定律可得：由热力学定律可得：式中，c0为压力波波速；

12、步骤1.4：压力波在多层多孔介质中的传播特性：介质的特征阻抗：填充层由无纺布、阻水带组成，在结构上具有多孔特性，压力波在通过多孔材料时，材料中纤维的振动引起粘性摩擦，会产生能量损耗，压力波产生衰减，可简化计算，将填充层视为聚酯纤维多孔介质，其流阻为：式中，r为流阻；ρm成为整体密度；a为与聚酯纤维丝径相关的自由参数；b为自由参数；基于delany-bazley关系的缓冲层正入射的声学模型为：

13、式中，zr和zi为zp的实部和虚部，zp为特征阻抗；α和β分别为γp的实部和虚部，γp为传播常数；ρ0为空气密度；c0为声速；f为声波频率；c1-c8为拟台系数；压力波在传输过程中，由于阻抗不匹配，各介质层的分界面发生折反射现象，反射波的传播介质不变则波速不变，折射波透过分界面进入下一层介质，波速发生改变；在多层介质结构中，设第n层和第n+1层介质的密度、波速、声阻抗率分别为ρn、cn、ρn+1、cn+1、zn、zn+1，则压力波的反射系数和折射系数可以分别表示为：填充介质层经多层绕包，根据机-电类比法，第k子层的每一层材料表面声阻抗与背面声阻抗的关系为：式中，z表示声阻抗；γ为声传播常数；d为介质层厚度；下标中f表示表面，k表示第k子层，r表示该层中的第r层材料。

14、所述的步骤2中的搭建电缆接头典型缺陷的压力波检测系统具体为：所述的系统包括220v工频交流电源、自耦调压器、无局放高压实验变压器、保护电阻、电容分压器、高频电流传感器、局部放电试品的等效电容、压电传感器、前置放大器、示波器。

15、所述的压电传感器的压电效应的原理是基于力学与电学的耦合，因此可利用机-电类比法将其工作原理等效为一个耦合回路，耦合部分用一变压器来模拟，在力学部分回路中，根据各物理量的计算关系，将应力类比为电压，应变率类比为电流，传感器惯性类比为电感，力阻类比为电阻，弹性柔顺系数类比为电容，变压器的变比n表示机电转化比，根据基尔霍夫电压定律kvl和基尔霍夫电流定律kcl可得各物理量关系为：式中，对于力学回路，lm为材料惯性；rb为力阻；σin为应力源；ck为弹性柔顺系数；对于电学回路，cb为电容；r为负载电阻；i为回路电流；v为输出电压；n为等效转化比例。

16、所述的压电传感器用于动态压力检测，所述的压电传感器的压电材料采用压电陶瓷pzt、压电聚合物pvdf、压电纤维混合物、驰豫型单晶体中的一种。

17、所述的步骤3中的构建电缆接头局部放电故障类型识别模型具体包括以下步骤：

18、步骤3.1：xlpe电缆局放信号的脉冲序列相位分析模式即prpsa模式和模式：prpsa模式表示脉冲序列、电压大小、电压相位二者之间的关系，图中的横坐标均为时间，纵坐标分别为振荡波检测电压和局部放电水平，在同一采样时刻，振荡波的大小u(t)、相位以及局部放电的大小q(t)三者是相互对应的，因此可建立局部放电相位相位分布模式，即模式，由振荡波电压的相位局放大小q以及局放次数n三个特征量组合而成；

19、步骤3.2：局部放电特征矩阵的构建：三维特征参数中的三个局部放电特征量分别为振荡波电压的工频相位局部放电大小q和放电次数n，采用的特征表达式为它描述的是自变量为q所对应的局部放电次数n的分布；具体为：①振荡波工频相位的取值范围为0-360°，将划分位2m个窗口，正负半周的窗口数目各为m；②将其中的一个特征参数q划分为2n个小区间，因此在所组成的平面上就会形成2m*2n个小区间，正负半周各为m*n个；③首先建立一十二维数组kij，其中i,j的取值为0≤i≤m-1,0≤j≤n-1；④读入一个放电数据时，会找到每个数据对应的位置，并使得矩阵对应的位置的数据自动加l；⑤最终得到的矩阵kij是基于特征自变量的放电次数，即

20、步骤3.3：构建局放特征矩阵的特征图谱；采集六中典型的放电故障类型，分别为少量盐水浸泡、搭接缺陷、悬浮缺陷、针尖缺陷、半导电层破损、中间接头错用绝缘腔带；用matlab对这六种典型的故障类型数据做预处理，提取局部放电的三维特征并且绘制特征图谱。

21、所述的步骤4中的构建基于bp神经网络识别电缆接头局部放电故障类型模型具体包括以下步骤：

22、步骤4.1：算法原理：多输入-单输出的bp网络模型共有m层，其中第一层为输入层，最后一层即m层为输出层，输出层仅有一个节点，给定的标准样本的个数为n对，即{x1(p),x2(p),...xn(p)；xi(p)|p＝1,2,...,n}，网络的输出定义为o(p)，隐层与输出层节点之间的传递函数设为sigmoid函数，即函数f(x)的取值范围为f(x)∈(0，1)；q是表征函数曲线的陡峭程度的参数；当输入信号为x(p)＝{x1(p),x2(p),...xn(p)；xi(p)p＝1,2,...,n}，可以从前到后对神经网络的每一层的每个单元，列出如下的等式：yj＝f(netj)(32)，式中，xi表示网络当前层的输；wij表示卜一层到当前层的权值；对于输出层来说，op为实际输出，tp为目标输出，定义误差函数为：通过计算获得误差函数的表达式，为简化上式，需要定义局部梯度：权值对误差的影响程度，定义下面的表达式：如果节点j为输出节点，那么yj＝o(36)，如果j处于bp网络的隐层，而不是输出层，那么j节点的输出信号yj对它后面的网络中所有节点都会造成影响，因此，因此可以获得下面的等式：对于sigmoid函数有因此

23、步骤4.2：bp网络算法的步骤为：1)网络初始化，给各层的权值赋初值，初值的取值范围为(-1，1)，给出学习最大次数m；2)重复下面的流程，直到bp阿络的误差e小于预先设定的最小误差或者训练次数达到预设的最大值，学习过程结束；①按照前后顺序计算各层各单元oj：②对于输出层，计算局部梯度δj：δj＝(y-oj)oj(1-oj)(46)；③反向计算δj：④计算并修正各连接权值：δwij(t)＝αδwij(t-1)+ηδjoi(48)，wij(t+1)＝wij(t)+δwij(t)(49)；⑤计算全局误差：

24、步骤4.3：初始化bp网络以及数据准备：将特征矩阵作为神经网络的输入，输入的特征数据为m×n矩阵，在matlab进行读取数据并且构建特征矩阵时，设定特征矩阵的大小为36×10，即共360维特征数据，在输入到神经网络之前，还需要对这360维特征数据做归一化处理，这样输入到神经网络的特征就是各个点的放电比率，而不是单纯的放电个数，bp神经网络的输入层单元为360，训练样术的个数为每个故障30条数据，共计180条数据；神经网络的输出层的单元个数等于电缆的故障类型总数，即输出层单元数为6，确定隐层神经元的个数设置为19，对于给定的六种故障类型，进行标签二值化处理，那么输出层的每个神经元的输出值只能是0和1两种情况；

25、步骤4.4：bp网络的训练：将处理好的训练数据输入到已经建立好并初始化的bp神经网络中进行训练，并将网络计算输出层的误差与预先设定的最小误差进行比较，当满足最小误差或者训练的次数达到预先设定的最大值，那么训练结束。

26、所述的步骤5中的基于数据统计理论对电缆接头绝缘状态进行评估具体包括以下步骤：

27、步骤5.1：选择随机变量：表征电缆老化现象的特征参数；

28、步骤5.2：选择分布函数：正态分布、对数正态分布、指数分布、weibull分布；

29、步骤5.3：对数据的拟合效果进行拟台优度测试：确定数据拟合效果最优的分布模型；

30、步骤5.4：确定状态区间：电缆老化等级的边界值的确定以及相关置信区间的计算；

31、步骤5.5：输出区间结果：边界值及其置信区间的输出。

32、所述的步骤5.4中的电缆老化等级包括健康、亚健康以及缺陷三种等级，其中健康等级具体为：该状态下的电缆可能是新电缆或者旧电缆，没有明显缺陷及老化现象；亚健康等级具体为：旧电缆，可以观察到绝缘退化，可能会对电力输送造成影响；缺陷等级具体为：发生老化现象，绝缘层退化较为明显，这意味着电缆工作的可靠性较低。

33、本发明的有益效果：本发明为基于压力波检测的电缆接头绝缘状态评估方法，在使用中，所述的方法包括以下步骤：构建电缆接头中压力波传播规律仿真计算模型；搭建电缆接头典型缺陷的压力波检测系统；构建电缆接头局部放电故障类型识别模型；构建基于bp神经网络识别电缆接头局部放电故障类型模型；基于数据统计理论对电缆接头绝缘状态进行评估；本发明基于压力波的电缆中间接头缺陷检测技术，对于压力波在电缆中间接头中的产生、传播与检测进行研究，根据计算得出的电缆接头结构参数，以及局部放电产生压力波的机理，得到压力波在电缆接头中的传播进行有限元仿真，建立电缆接头仿真模型，使用机-电类比法对局部放电产生的压力波进行计算，实现对电缆无伤害的检测，实现电缆接头缺陷的及时发现，并且搭建电缆接头典型故障检测系统，进行局部放电检测；本发明利用bp神经网络对六种故障类型进行识别，包括分析局部放电特征模式，选择最优特征，构建特征矩阵，绘制特征图以及建立故障类型识别分类器，bp神经网络对于每类故障的识别率均在85％以上，识别效果理想且检测准确度高；本发明具有及时发现电缆接头缺陷、对电缆无伤害、准确度高的优点。