1、 - 1 - 武汉大学 2013年度大学生创新创业训练计划申报书 填表时间： 2013 年 03 月 13 日 项目名称 电缆接头温度在线实时监测实验 项目创新特色概述 基于目前国内外电缆温度检测方法普遍存在的铺设难、成本高、维护困难等问题，本项目通过建立电缆表面温度和线 芯温度间的数值关系，实现电缆接头温度的在线实时监测。具有成本低， 精度高，方便快捷等特点。 项目所属一级学科 工学 申请经费 1500 元 起止时间 2013 年 4 月至 2014 年 3 月 申请人或申请团队信息 姓 名 学 号 院 （系）、 专业 联系电话 E-mail 杨文涛 2011302540024 电气工程学院
2、 13163293850 蔡磊 2011302540095 电气工程 学院 13886027675 陶文栋 2011302540072 电气工程学院 13212747032 易先坤 2011302540079 电气工程学院 13163295158 王纾淇 2011302540083 电气工程学院 13163297703 注：项目负责学生的信息填写在本栏目的第一行，成员共计不超过 5 人。 导师信息 姓名 院（系） 职称 联系电话 E-mail 阮 江军 电气工程学院 教授 13807134399 - 2 - 一、申请理由（ 包括自身具备的知识条件：特长、兴趣等 ） 指导老师 阮江军
3、： 博士，教授，博士生指导教师，中国共产党党员，武汉大学电气工程学院实验中心主任， IEEE 会员， 中国电机工程学会电能质量及电磁兼容专委会委员，湖北省电机工程学会直流输电专委会委员。 杨 文涛： 学习成绩十分优异，名列年级前茅，并曾获得甲等奖学金，专业知识掌握比较扎实，擅长美术绘画，在班里担任宣传委员。善于思考，勇于探索，思维敏锐，做事认真负责，一丝不苟。并在院学生会宣传部和青年志愿者协会工作，参与过各种学生活动，组织能力和实践能力强。 蔡磊 做事踏实，办事严谨，学习认真，喜欢钻研自己感兴趣的事物。有极强的集体荣誉感和责任感，喜欢体育运动，爱好桌游，在大学积极参加社会活动和学生会工作。在大
4、一曾获得新生丙等 奖学金和院乙等奖学金。 陶文栋 认真好学，成绩优异，勤奋努力，思维活跃，爱好钻研，热情细心。在班级中担任团支书一职，踏实扎实务实，工作做到一丝不苟，尽职尽责，积极帮助有困难的同学。在院学生会工作，并且参加多个学生活动，交际能力与实践能力强。 易先坤 学习成绩一直名列班级前茅，曾获武汉大学甲等奖学金、王星拱校长专项奖学金，对于软件有着浓厚的兴趣。 积极参加学术、学术活动和社团活动，热心帮助需要帮助的同学。对待学习一丝不苟，发扬艰苦奋斗的精神，动手能力强。 王纾淇 擅长查找资料及书面写作工作，在班中担任生活委员一 职，工作一丝不苟，尽职尽责，并在学生会任职，有很强的组织能力和交际
5、能力，并具有较强的实践能力，曾多次帮助老师分担工作，是老师的得力助手，并善于团结同学，与老师关系融洽。 - 3 - 二、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料） 1、研究背景： 电力 工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位 。电力系统的根本任务是“安全、可靠、优质”地供应电能 。 1随着电力电缆的广泛使用， 在城市供电 系统 中 存在着大量的电缆接头。 在 运行过程中，由于受到电、热、机械、环境等各种因素作用，极易引发 故障。特别是电缆接头，在用电过负荷，天气炎热，老化或接触电阻过大而发热，引起温度过高，导致接头处绝缘 劣化 ，甚至击穿而造成事
6、故 。 2 据有关资料统计，我国在 1975-1985 年间，因电缆着火造成的重大事故发生 60 起，造成直接或间接损失达 50 亿。在 1986-1992 年 7 年间，仅我国火电厂发生电缆火灾 75 次，其中有 24 个电厂发生过两次及以上电缆火灾事故，个别电厂达 4-6 次， 70%以上的电缆火灾所造成的损失非常严重。近十年间，由电气引起的火灾事故在总数中一直占有最大的比重，造成的人亡和损失也最大。国外，美国在 1965-1975 年统计的 3258 次电气火灾事故中，电线电缆火灾事故就占 30.5%，直接损失约 4000 万美元。日本曾对电力、钢铁、石油化学、造纸等工程企业调查，有 7
7、8%的单位发生过电缆着火，其中危害程度较大的事故占 40%。 由此可见，因电力电缆故障带来的损失是不可忽视的，严重时直接影响到 城市居民的生活和人生财产安全。 4 通过对电缆故障数据分析， 发现 在电力电缆线路中，电缆附件和弯曲敷设的部位是电力系统安全运行中的最薄弱环节。由于电缆本身特性，附件 (终端、接头 )需要在敷设完成后现场安装，制作时受现场环境不利因素的 影响以及制作工艺的限 制，而电缆中间接头的压接质量，只能在运行中得以检验。 运行时间越长附件越容易发生过热烧穿事故。同时，经过一段时间的大电流（过负荷）运行后，往往在压接点处产生过热、氧化，使接触电阻逐渐增大，接点温度逐渐升高， 加速
8、 绝缘老化，最终导致绝缘层损坏而造成事故发生。 2009 年国家电网公司系统电力电缆设备运行故障 /缺陷情况统计数据表明：不计及外力破坏原因，大于 70%的电力电缆线路运行故障是由电缆附件故障引起的。当电缆本体在同一环境中直线敷设时，电缆本体中电场的分布和电流引起的热场的分布是基本对 称的，而当 电缆进行弯曲敷设时，弯曲的部分使绝缘本体发生变形，直接影响绝缘密度和强度，最终导致电场和热场的分布变形。所以弯曲敷设部位也是电缆系统极易发生故障的部位。 - 4 - 综上所述，无论是电缆本身产品制造质量缺陷还是安装质量缺陷或过负荷运行状态 ，这些故障都能够通过电缆温度的变化体现出来。 因此 迫切需要一
9、套可靠的高性能的自动化系统来对电缆的运行状况进行实施监控分析，以便及时发现电缆的潜在隐患并进行有效处理，减少有电缆故障造成的直接损失，提高供电可靠性。 2、研究现状： 目前中高压电缆在线监测研究主要集中在电缆绝缘老化 及缺陷探测等方面，其主要手段有局部放电检测和在线温度监测两种。其中，要实施局部放电检测的关键技术难点在于如何在现场存在较大电磁场的情况下提高局部放电检测设备的灵敏度。一般而言，为了满足实际工程需要，需要采用高精度的高频局放和甚高频局放检测仪，其核心技术国内尚未攻破，因此相应的检测设备都需要从国外进口，设备购买费和未来的维护费用都相当高。除了局部放电检测外，温度检测是目前国内外在电
10、缆监测中最被认可的一项重要手段。常用的传统电缆温度监测方法包括：感温电缆式测温系统和热敏电阻式测温系统，此外，还有近年来出现的光纤 分布式温度监测系统。 (1)感温电缆式测温系统：将感温电缆与电缆平行安放，当电缆温度超过固定温度值时，发出报警信号。普通型感温电缆的缺点是：破坏性报警、报警温度固定、故障信号不全，系统安装及维护工作不够方便，设备易损坏；模拟式线型感温电缆只能以某一局部线段作为报警单位 ，因此它无法精确定位出是某一点产生的报警信号。以上两种方法均无 温度趋势分析。 (2)热敏电阻式测温系统：可以显示温度值，但由于每个热敏电阻都需要独立的接线、布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大；传感
11、器不具备自检功能，需要经常校验 。 (3)光纤分布 式测温系统：是较 先进的一种系统。利用一根光纤充当分 布式温度传感器，能测量数千个温度监独立的测量点的温度。通过光纤 传输的激光脉冲产生后向喇曼散射滴梯 度效应来完成对温度的测量。最新的光纤分布式温度监测系统性能对于多模光纤，能够允许光纤回路长度达到 12 公里，测量精度达到 1。同时，温度监测系统需要智能化的数据分析软件， 并结合系统负载数据，最终使用户能够建立并预测沿整个线路电缆的运行状况。采用光纤分布式温度监测系统的好处是可以对电缆沿线上的热点位臵进行高精度定位，能够显示并记录下温度变化曲线轨迹，能显示出线路上热 点的位臵。但它的缺点也
12、是十分明显的，设备成本是这种系统的最大的问题。 总之，目前国内外电缆温度的监测方法大多以有线传输为前提，但面对城市供电电网这样大规模的地下电缆网络，各种有线传输方式都存在着铺设难、成本高、难以维护等问题 。 - 5 - 3、研究趋势： 基于目前国内外电缆温度检测方法普遍存在的铺设难、成本高、维护困难的问题；以及对于分布式传感器则多采用蓄电池供电，影响了使用寿命；同时大都只是监测了易过热点温度，并未监测很大程度影响温度变化的电流值、环境温度，不利于准确判断发热原因、评估电缆接头运行状况；其次有些方法 需要运行人员到现场巡检，不能实现远程监测，不能实现电力系统监测自动化、信息网络化等一系列 要求
13、。研制一套基于无线通讯技术的电缆接头温度远程在线实时监测与故障分析系统，是电力系统高压设备发热监测的必然发展趋势，对于提高城市供电电缆运行安全性与城市供电水平有着重要的现实意义。 4、参考文献： (1) 樊会丛 .新型电缆接头温度监测系统 系统电源设计与实现 D.北京：华北电力大学， 2006. (2) 陈慧斌 .新型电缆接头温度监测系统 客户端软件设计与实现 D.北京：华北电力大学， 2006. (3) 虢红霞 .基于光纤光栅的电力电缆温度 在线监测系统研究 D.武汉：武汉理工大学 ,2010. (4) 樊冰 .电缆接头温度监测系统终端装臵的设计与实现 D.北京：华北电力大学， 2006.
14、(5) 姜芸，闵虹，夏荣，等高压交联电缆接头局部放电的电容耦合法检测机分析 J高电压技术， 2010,36(8)： 20052011. (6) 牛海清，周鑫，王晓兵 ,等 .外皮温度监测的单芯电缆暂态温度计算与试验 J.高电压技术 ,2009,35(9)： 2138-2143. (7) 常炜 .新型电缆接头温度监测系统 服务器端软件设计与实现 D.北京：华北电力大学， 2006. (8) 徐元哲，王乐 天，刘雪冬，李波 .电力电缆接头测温系统的设计 J.高电压技术，2009,35(12):29772982. (9) 周鑫 .单芯电力电缆导体温度计算及试验研究 D.广州：华南理工大学， 2010
15、. (10) 刘毅刚 , 罗 俊 华 . 电 缆 导 体 温 度 实 时 计 算 的 数 学 方 法 J. 高 电 压 技术 ,2005,31(5):52-54. (11) 张尧 ,周鑫，牛海清，等 .单芯电缆热时间常数的理论计算与试验研究 J.高电压技术， 2009,35(11)： 2801-2806. - 6 - 三、项目方案 本项目研究的目的在于通过对电缆接头进行 温度场 仿真和实验测量，建立 电缆表面温度和线芯温度之间的 数值关系 ，从而实现对电缆线芯温度非接触式、实时在线诊断。项目方案主要分为三大部分：模型仿真、物理实验和数据分析。通过综合利用仿真和物理实验分析结果，可以构建和完善电
16、缆接头温度反演计算的模型，它们将用来对实时监测获得的存在数据库中的数据进行初步处理。 项目 总 流程 图 1. 软件工具选用 本项目中选用 Ansys 作为 有限元分析软件， 采用 matlab 进行数据分析。 Ansys 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与 多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN， Alogor, I DEAS, AutoCAD 等，是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。 MATLAB 是美国 MathWorks
17、公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及 数值计算 的高级技术计算语言和交互式环境，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算，众多科学领域提供 了一种全面的解决方案。 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为有限个按照一定方式相互连接的单元 - 7 - 的集合。在有限元中单元可以有不同的形状而且可以按照不同的连接方式进行组合，所以以可以模拟几何形状复杂的求解场域。有限元法与其他数值方法相比重要的特点是利用每一个单元内假设的近似函数分片地表示整个场域待求的未知场函数。在各个单元内，任意一点的自由度可以通过各单元节点和单元形状函数计算得到。对于不规则求解区域或较为复杂的
18、材料特性和边界条件，有限元法都具有较好的适应性，且有限元法的计算精度可以任意选择，弥补了有限差分 法、边界元法和有限体积法的不足。而 Ansys 软件强大的有限元分析功能，使得有限元法成为了国内外研究者在研究地下电缆温度场时应用较为广泛的方法。 同时 ANSYS 作为大型通用有限元软件，在处理热分析问题方面有着强大的功能。 ANSYS热分析基于能力守恒原理的热平衡方程，首先将计算区域离散为有限数量的单元，然后根据已知的边界条件和所承受的载荷列出每个单元节点的热平衡方程，由此求得各节点的温度。 从温度场是否为时间的函数即是否随时间变化上， ANSYS 的热分析可分为以下两类。 （ 1）稳态热分析
19、：系统的温度不随时间变化 若系统的净热流率为 0，即流入系统的热量加上系统的自身产生的热量等于流出系统的热量，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任意节点的温度不随时间变化。在直角坐标系中，二维稳态导热方程的表达式为： ( ) ( ) 0TT Sx x y y (式 1) 式中，为材料的导热系数，单位为 W/(m )； S 为内热源。 （ 2）瞬态热分析：系统的温度是时间的函数，随时间变化 瞬态传热过程是指系统的加热或冷却过程，在该过程中，系统的温度、热流率、热边界条件及系统内能随时间都处于变化的状态。在直角坐标系中，二维瞬 态导热方程的表达式为： ( ) ( )T T TScx x y y t
20、(式 2) 式中，为材料的导热系数，单位为 W/(m )； S 为内热源；为材料的密度，单位为 kg/m3； c 为比热容，单位为 J/(kg )。 因此，首先需要确定控制方程中的内热源 S，在 Ansys 热分析中， 热量的传递方式主要有三种：热传导、对流传热和热辐射。 - 8 - （ 1）热传导 热传导为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于存在温度梯度而引起的内能交换。若物体的两侧维持均匀恒定的温度，分别为 TH 和 TL，且 TH TL， 则热量将从温度高的一侧向另一侧传递，且满足导热基本定律： ()HLkA T T tQ X (式 3) 式中， t 为时间， Q 为时间
21、t 内的传热量， k 为材料的导热系数 (热传导率 )， A 为导热面积， X 为存在温差两侧的间距。 （ 2）热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体，由于存在温度梯度通过流体热运动的传热而引起的热量交换，热对流可分为自然对流和强制对流。热对流一般用牛顿冷却方程描述，基本形式为： ( )SBq h T T (式 4) 式中， h 为对流 换热系数，与流体的物理特性及换热表面的形状和位臵有关，同时 与流速等流体场情况相关， TS 为固体表面的温度， TB 为周围流体的温度。 （ 3）热辐射 热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间内热辐射的
22、热量越多。自然界中的任何物体都在不断地向周围空间发射辐射能，并吸收来自空间其他物体的辐射能，这种辐射和吸收的过程形成了辐射换热过程。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，物体之间的净热量传递可以用斯蒂芬 波尔兹曼方程计算，其基本形式为 441 1 2 1 2()q A F T T (式 5) 式中， q 为热流率，为辐射率，为斯蒂尔 波尔兹曼常数，约为 5.67 10-8W/m2 K4，A1 为辐射面 1 的面积， F12 为辐射面 1 到辐射面 2 的形状系数， T1 为辐射面 1 的热力学温度， T2 为辐射面 2 的热力学温度。 - 9 - 2. 项目研究方案 2. 1 仿真模型
23、建立 模型的简化 采用 ANSYS 进行温度场仿真，可以模拟不同负载电流 下 电缆接头的温度分布特性，便于发现电缆接头内的热点及薄弱点。 在模型建立过程中可以将对温度场分布影响不大的部分做一些结构性的简化。同时，考虑到三维温度场 分析的复杂性 和电缆接头结构的对称性，在 ANSYS 中建立电缆接头的二维轴对称简化模型进行瞬态热分析。 由于土壤的热稳定性比空气好，可简化为单一均匀的传热介质。 模型参数的设定 1) 本项目初步拟定选取 YJLW03 1X630mm 64/110kV 型电缆接头作为研究主体，各项参数按照实体 参数设定； 2) 根据电缆实际敷设和实验条件，建立电缆接头二维轴对称模型
24、； 3) 采用瞬态热分析，选取 110KV 典型线路较为严重的负载情况作为温度场加载。 仿真内容 在简化仿真模型建立的基础上，通过改变电缆电流 和敷设环境 来实现仿真。 1) 根据实际负荷 改 变电缆电流值， 电流变化范围介于 100A 和 800A 之间 ； 2) 根据实验条件和电流加载进行温度场仿真，将仿真结果与实验结果对比，完善仿真模型 。 3) 对于物理实验无法实现的部分，采用仿真计算作为补充。 2.2 物理实验开展 加电流装臵 依托实验室平台现有成果，利用悬浮式电磁感应电源为实验提供稳定的直流电流。 电缆接头表面温度测量 通过在电缆接头外部敷设温度传感器，实现对 电缆接头护套表面 温
25、度的分节点测量。 电缆导体温度测量 虽然在实际运行中不能直接测量电缆线芯温度，但实验时为了采集数据，需要通过内臵温度传感器实现导体温度测量 。 - 10 - 2.3 数据分析研究 通过实 验测量和仿真计算相结合，建立电缆接头各部分结构的温度和负载电流 关系 ,同时发现电缆接头中易出现过热的薄弱点。通过 Matlab 数据分析，建立电缆接头缆芯和电缆接头护套温度之间的数值关系，用于电缆接头过热预判。 数据处理 流程图 2.4 深入研究展望 在获得上述研究经验和计算模型的基础上，可以通过数据联网和某些智能软件系统的开发，在对电缆接头工作状态实时监控的同时，还能对故障模式进行识别，从而为更加快速有效
26、地排除电力系统故障、保障供电安全提供条件。 3. 可行性分析 1）经济上的可行性 本项目主要通过使 用 Ansys、 Matlab 软件进行仿真和数据分析，利用 Ansys 仿真分析软件设计实现了电缆接头温度场实时仿真软件平台，它是物理实验的有效补充。利用该仿真实验平台 ，可以 模拟各种负荷状态下电缆接头温度场的 分布特性 。在低成本的同时，可以获得大量数据。 2）技术上的可行性 在此之前有研究人员通过 Ansys 软件成功模拟出了各种负荷状态下电缆接头温度场，本小组成员有能力在规定时间之内掌握 Ansys 软件，并运用该软件创新性地对电缆接头温度场进行更深入的分析研究。 - 11 - 四、研
27、究计划 安排 4 月 6 月 中旬 6 月中 旬 9 月 10 月 12 中旬月 12 月 中旬 3月 一 理论的深入研究 仿真模型的建立 开展实物实验 数据分析及校正 二 项目细节方案的敲定 数值计算及反演模型的建立 数据采集与分析 数值模型的改进 三 仪器和软件的熟悉及使用 仿真 模型 的完善 五 、预期成果 通过本项目的研究，预期可以取得以下的研究成果： 1) 通过参与该项目研究，研究小组成员能了解电缆接头温度监测实验的相关知识，完成电缆接头温度的实时测量 ； 2)通过参与该项目研究，研究小组成员能熟练使用 Ansys、 Matlab 等软件 ，完成电缆接头温度场仿真和后期数据分析 ； 3）形成一片学术论文； 4) 通过参与该项目研究，研究小组成员能在学好专业知识的基础上提高本身的科研素质。 六 、 详细预算 预算项目 预算经费 （元） 材料制作费 300 实验室平台使用费 800 论文版面费 200 其他（购买书籍、打印、复印等） 200 合计 1500 安排 时间轴 - 12 - 导师意见： 签 名： 年 月 日 院（系）意见： 签名盖章： 年 月 日 学校意见： 年 月 日
