基于電火花狀態(tài)檢測的隧道高壓電纜起火位置識別

周弋，趙洋，王衛(wèi)東，熊益多，張成，郭甜

(國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司， 北京 100022)

0 引言

由于隧道中高壓電纜的長度較長，且隧道環(huán)境通常較為復(fù)雜和惡劣，導(dǎo)致隧道高壓電纜火災(zāi)事故頻頻發(fā)生。隧道高壓電纜火災(zāi)事故具有較強(qiáng)的隱蔽性，且具有涉及面積廣、擴(kuò)散速度快的特點，一旦隧道高壓電纜發(fā)生火災(zāi)事故，不僅會影響隧道作業(yè)，還會威脅到工作人員的安全[1]。國內(nèi)外的研究學(xué)者曾經(jīng)采用斷路器、熔斷器、保護(hù)器及繼電器來保護(hù)隧道高壓電纜線路，但是上述這些元器件在使用時均存在一個保護(hù)閾值，當(dāng)隧道高壓電纜的電流或電弧比較低時，這些設(shè)備不能對其進(jìn)行有效保護(hù)，也無法有效預(yù)防隧道高壓電纜火災(zāi)事故發(fā)生[2]。部分研究人員也將一些高壓電纜的絕緣參數(shù)引入起火位置識別中，實現(xiàn)隧道高壓電纜火災(zāi)事故的預(yù)防，但是實踐結(jié)果顯示，隧道高壓電纜火災(zāi)事故并不能通過監(jiān)測絕緣參數(shù)來進(jìn)行預(yù)防[3]。

許永鵬等[4]采用NSST域增強(qiáng)技術(shù)在局部環(huán)境中實現(xiàn)了電纜局部放電位置的識別，通過模板匹配方式提高了電纜局部放電位置的識別速度。在全局匹配過程中，利用區(qū)域分析法將電纜局部放電位置的奇異點去除，有效提高了位置識別的準(zhǔn)確性。在局部匹配過程中，采用動態(tài)調(diào)整搜索區(qū)域的方式在放電位置附近識別和定位起點的位置，提高了放電起始點識別的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果顯示，該方法具有比較強(qiáng)的抗干擾能力，可以提高運算速度和識別率。黃于峰等[5]將深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到了位置識別方法設(shè)計中，首先提取了位置特征，通過K均值聚類的方式對位置數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，建立局部卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對位置特征進(jìn)行映射處理，構(gòu)建特征映射圖。通過查詢?nèi)痔卣鬟M(jìn)行初步排名，利用匹配的方式對位置特征重排名，結(jié)果顯示，該方法具有較強(qiáng)的通用性和識別性能。

基于以上背景，本文將電火花狀態(tài)檢測技術(shù)應(yīng)用到隧道高壓電纜起火位置識別中，從而提高隧道高壓電纜起火位置識別能力。

1 起火位置識別

1.1 電火花狀態(tài)分析

隧道高壓電纜的火災(zāi)狀態(tài)可以等效為非火災(zāi)狀態(tài)圖和火災(zāi)附加狀態(tài)的疊加[6]。其中，起火位置的電火花狀態(tài)主要存在附加狀態(tài)的疊加中，如圖1所示。

(a)

(b)

在隧道高壓電纜中，由于每一條電纜線路之間都存在耦合現(xiàn)象，所以行波在每一條電纜線路上傳播時會相互影響，也不會存在單相行波的波速，尤其是在隧道高壓電纜出現(xiàn)火災(zāi)的情況下，無法分析每一條電纜線路的暫態(tài)過程[7]。為了分析隧道高壓電纜的火災(zāi)行波和傳播特性，采用電火花狀態(tài)檢測技術(shù)來分析暫態(tài)信號。

對于三相完全均勻換位的隧道高壓電纜線路，隧道高壓電纜的電感系數(shù)矩陣L和電容系數(shù)矩陣K都是平衡矩陣，而且矩陣中無論是對角線上的元素還是非對角線上的元素都是相同的[8]，假設(shè)參數(shù)矩陣為p，那么將其表示為

(1)

求取參數(shù)矩陣的特征方程，可以得到：

(2)

假設(shè)參數(shù)矩陣特征值λi所對應(yīng)的特征向量為Si=[s1is2is3i]T，(i=1,2,3)，那么令S=[s1s2s3]，根據(jù)矩陣的對角化理論，可以得到S-1pS=Λ。實際上，電火花狀態(tài)檢測就是將求得的參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為對角矩陣。

根據(jù)矩陣特征值和特征向量的性質(zhì)[9]，將特征值代入(p-λiI)Si=0中，可以得到：

(3)

隧道高壓電纜的參數(shù)矩陣經(jīng)過相模變換，可以得到：

(4)

在式(4)的基礎(chǔ)上，再對其進(jìn)行反變換，可以得到：

(5)

其中，i0、iα和iβ分別表示隧道高壓電纜的三相電流模分量，ia、ib和ic表示隧道高壓電纜的三相電流。

利用電火花狀態(tài)檢測技術(shù)對隧道高壓電纜的三相信號進(jìn)行狀態(tài)檢測，得到狀態(tài)檢測的變換矩陣為

(6)

將變換矩陣S-1代入到式(4)中，可以得到：

(7)

通過式(7)完成電火花狀態(tài)檢測之后，可以得到隧道高壓電纜起火位置的三個模分量電流：

(8)

根據(jù)隧道高壓電纜的火災(zāi)狀態(tài)，建立隧道高壓電纜及起火位置附加網(wǎng)絡(luò)，利用電火花狀態(tài)檢測技術(shù)對隧道高壓電纜三相信號進(jìn)行狀態(tài)檢測，完成隧道高壓電纜起火位置的電火花狀態(tài)分析。通過建立隧道高壓電纜的電弧數(shù)學(xué)模型，來消除環(huán)境因素對隧道高壓電纜的影響。

1.2 建立隧道高壓電纜的電弧數(shù)學(xué)模型

隧道高壓電纜的火災(zāi)事故可以近似地看作是電弧故障，隧道高壓電纜的電弧模型是分析電弧故障的主要工具[10]。隧道高壓電纜的電弧模型建立在弧柱能量平衡的基礎(chǔ)上，通常采用電導(dǎo)的微分方程來表示，即：

(9)

其中，g表示瞬時電弧的電導(dǎo)，τ表示隧道高壓電纜電弧的時間常數(shù)，G表示固定的電弧電導(dǎo)。

在電弧模型中，可以定義隧道高壓電纜的電弧電導(dǎo)為

(10)

ust=u0+r0·|iarc|

(11)

其中，iarc表示瞬時電弧的電流大小，ust表示靜態(tài)電弧的電壓大小，u0表示電弧的電壓特征，r0表示電弧的電阻大小。隧道高壓電纜的電弧特征參數(shù)u0和r0主要取決于電弧的長度，計算公式為

(12)

(13)

式(9)只是廣義上的電弧方程，通常適用于隧道高壓電纜終端之間的電弧。在隧道高壓電纜中，小電流電弧的參數(shù)變化情況往往取決于電弧長度的大小，將其定義為電弧伸展率[11]，表示為

(14)

其中，vth表示隧道高壓電纜的初始電壓瞬時值，vmax表示隧道高壓電纜的最大電壓。

隧道高壓電纜出現(xiàn)火災(zāi)事故之前，電弧長度通常被定義成一個時間函數(shù)[12]，表示為

(15)

其中，τ0表示初始時間常數(shù)，l0表示初始電弧長度，α表示負(fù)值系數(shù)。那么電弧長度為

larc=(elongspd·(t-Ftime)+1)·l0

(16)

其中，F(xiàn)time表示電弧出現(xiàn)的時刻。

通過上述過程，將隧道高壓電纜的火災(zāi)事故近似地看作是電弧故障，采用電導(dǎo)的微分方程定義隧道高壓電纜的電弧電導(dǎo)，利用隧道高壓電纜的電弧特征參數(shù)，定義電弧伸展率，構(gòu)建隧道高壓電纜的電弧數(shù)學(xué)模型。通過隧道高壓電纜起火位置識別算法，來實現(xiàn)隧道高壓電纜起火位置的識別。

1.3 隧道高壓電纜起火位置識別

通過火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的暫態(tài)信號來識別隧道高壓電纜的起火位置，此過程需要提取火災(zāi)發(fā)生后的零序電壓和電流[13]。隧道高壓電纜起火位置識別流程如圖2所示。

圖2 隧道高壓電纜起火位置識別流程

將隧道高壓電纜起火位置的特征量定義為

(17)

隧道高壓電纜起火位置識別算法的步驟如下。

Step1 采集每一個隧道高壓電纜測量點的相電壓與電流，電壓記為u1、u1、u3，電流記為i1、i2、i3。

Step2 通過求解相電壓和電流矢量和的方式，計算出隧道高壓電纜零序電壓ur和電流ir的大小。

Step3 采用小波變換理論對零序電壓ur和電流ir進(jìn)行分解重構(gòu)，以提取小波細(xì)節(jié)系數(shù)。

Step4 計算小波細(xì)節(jié)系數(shù)絕對值的固定浮動時間窗[14]，根據(jù)式(17)分別計算出隧道高壓電纜的電壓特征值Ed3(u)和電流特征值Ed3(i)，選擇Ed3(u)中的最大值，確定隧道高壓電纜起火母線所在的位置，選擇Ed3(i)中的最大值，確定隧道高壓電纜起火位置分支的位置。

Step5 利用以上4個步驟的綜合判斷，確定隧道高壓電纜的具體起火位置[15]。

綜上所述，在電火花狀態(tài)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析隧道高壓電纜起火位置的電火花狀態(tài)，通過建立隧道高壓電纜的電弧數(shù)學(xué)模型，消除環(huán)境因素對隧道高壓電纜的影響，最后通過隧道高壓電纜起火位置識別算法，完成隧道高壓電纜起火位置的識別。

2 實驗驗證

2.1 構(gòu)建仿真系統(tǒng)模型

仿真系統(tǒng)由一個單電源為其提供電能，采用單輻射接線形成饋線接線模式，由于隧道高壓電纜的結(jié)構(gòu)比較簡單，具有較低的供電可靠性，極易發(fā)生火災(zāi)。本實驗采用電力系統(tǒng)仿真軟件搭建仿真系統(tǒng)模型。仿真系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)模型

2.2 電火花狀態(tài)識別

為了精準(zhǔn)檢測隧道高壓電纜起火位置，使用所提方法對電火花的工作狀態(tài)進(jìn)行識別，并對比電火花穩(wěn)定狀態(tài)和放電狀態(tài)的頻譜圖與能量譜圖。

分析對比圖4、圖5可知，所提方法識別的電火花放電狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)具有較為明顯的差距，兩種工作狀態(tài)的頻譜圖與能量譜圖存在嚴(yán)重差距，因此說明所提方法能夠有效識別電火花的狀態(tài)，為精準(zhǔn)識別起火位置奠定基礎(chǔ)。

2.3 隧道高壓電纜起火位置識別正確率測試

由于隧道高壓電纜所處的工作環(huán)境比較惡劣，起火位置識別正確率測試實驗以隧道高壓電纜的工作環(huán)境為自變量，利用文獻(xiàn)[4]的位置識別方法和文獻(xiàn)[5]的位置識別方法作為對比對象，測試3種位置識別方法對隧道高壓電纜起火位置的識別正確率情況，測試結(jié)果如圖6所示。

(a) 頻譜圖

(b) 能量譜圖

(a) 頻譜圖

(b) 能量譜圖

圖6 隧道高壓電纜起火位置識別正確率測試結(jié)果

從圖6的測試結(jié)果可以看出，采用文獻(xiàn)[4]的位置識別方法來識別隧道高壓電纜的起火位置時，由于該方法經(jīng)常將電纜的高溫位置作為起火位置，而真正起火的位置卻不會被識別，導(dǎo)致該方法的識別正確率大大降低；文獻(xiàn)[5]的位置識別方法在識別正確率方面優(yōu)于文獻(xiàn)[5]的位置識別方法，但是在實際應(yīng)用中，由于不同時刻隧道高壓電纜的狀態(tài)是不同的，該方法并沒有分析高壓電纜起火位置的電火花狀態(tài)，導(dǎo)致識別的正確率偏低，而采用基于電火花狀態(tài)檢測的隧道高壓電纜起火位置識別方法來識別隧道高壓電纜的起火位置時，隧道高壓電纜的電弧數(shù)學(xué)模型的建立，排除了電纜工作環(huán)境對起火位置識別的影響，從而大大提高了隧道高壓電纜起火位置的識別正確率。

2.4 隧道高壓電纜起火位置識別效率測試

為了驗證基于電火花狀態(tài)檢測的隧道高壓電纜起火位置識別方法的可行性，與文獻(xiàn)[4]的位置識別方法和文獻(xiàn)[5]的位置識別方法進(jìn)行對比，測試了隧道高壓電纜起火位置的識別效率情況，測試結(jié)果如表1所示。

表1 隧道高壓電纜起火位置識別效率測試結(jié)果

從表1的測試結(jié)果可以看出，隨著隧道高壓電纜工作環(huán)境越來越惡劣，文獻(xiàn)[4]的位置識別方法和文獻(xiàn)[5]的位置識別方法對隧道高壓電纜起火位置的識別效率都不高，經(jīng)計算，兩種識別方法對隧道高壓電纜起火位置的平均識別效率分別為36.553%和69.418%，而基于電火花狀態(tài)檢測的隧道高壓電纜起火位置識別方法由于設(shè)計了起火位置識別算法，簡化了起火位置的判斷流程，從而有效提高了隧道高壓電纜起火位置的識別效率。

以上實驗結(jié)果可以證明，基于電火花狀態(tài)檢測的隧道高壓電纜起火位置識別方法具有較高的識別能力。

3 總結(jié)

本文提出基于電火花狀態(tài)檢測的隧道高壓電纜起火位置識別，結(jié)果顯示，該方法在起火位置識別正確率和效率方面，都具有很明顯的優(yōu)勢。但是在今后的理論研究中，在保證這兩個指標(biāo)滿足要求的情況下，還要盡量縮短起火位置識別的時間。