一种电缆接头多诱因短路故障模拟与超前辨识系统及方法

本发明属于电缆故障模拟与辨识，尤其涉及一种电缆接头多诱因短路故障模拟与超前辨识系统及方法。

背景技术：

1、电缆接头作为电力电缆系统中的关键部件，其运行状态直接影响整个输配电系统的可靠性和安全性。随着城市地下电缆线路的大规模建设，电缆接头数量急剧增加，其故障已成为导致电缆线路停电的主要原因之一。电缆接头故障多由多种诱因共同作用引发，包括环境湿度过高、温度异常升高、外部异常挤压以及长期运行或紫外辐照引起的材料老化等。这些诱因往往相互耦合，导致接头内部绝缘介质劣化、局部放电加剧，最终发展为短路故障。

2、现有电缆故障模拟装置，主要采用集中式或固定式结构，通常针对单一故障类型进行模拟，难以真实再现多诱因耦合作用下的故障演化过程。同时，现有的故障辨识方法多依赖于事后分析，缺乏对故障早期征兆的有效捕获与超前预警能力。此外，现有模拟装置的被试电缆结构多为固定参数设计，难以快速配置不同结构及材料参数的电缆接头，也难以快速调节电缆接头缺陷参数，限制了装置的通用性和实验复用性。

3、针对上述问题，现有技术虽提出了一些电缆故障模拟系统，但其主要聚焦于电缆本体故障的模拟，且故障类型较为单一，无法有效模拟电缆接头特有的多诱因耦合短路故障；另有部分系统引入了融合红外热像与声学振动数据来预测电缆接头异常状态，但其针对异常状态发生后的场景，不适用于电缆接头短路故障的超前辨识，且未涉及热解粒子等早期特征的采集与分析。因此，本发明亟需设计一种能够同时实现多诱因耦合故障模拟、可灵活配置电缆接头的结构及材料参数和内部缺陷参数、并基于热解粒子数据进行超前辨识的系统，以满足电力系统故障机理研究、检修培训及早期预警的需求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中电缆接头故障模拟单一、无法模拟多诱因影响、电缆结构及材料参数配置不便以及超前辨识精度不足等问题，提供一种电缆接头多诱因短路故障模拟与超前辨识系统及方法。该系统通过在主绝缘层内设置可调节式气隙缺陷，模拟电缆接头内部气隙缺陷及其参数变化；集成多诱因模拟模块，模拟湿度、温度、压力及紫外老化等诱因；支持配置不同的导体类型、绝缘材料和护套类型，并调节通电电流值；通过采集热解粒子数据并关联相应的故障工况参数，构建超前辨识模型，实现故障的超前辨识和解释生成。

2、本发明的技术方案是：

3、本发明之一种电缆接头多诱因短路故障模拟与超前辨识系统，其特征在于，包括：

4、电缆接头故障模拟模块，置于一密封试验腔内，包含电缆接头本体和绝缘缺陷参数调节单元；所述电缆接头本体包括若干个相互独立设置的相单元，每个相单元包括导电芯体及包覆于所述导电芯体外部的主绝缘层；所述电缆接头故障模拟模块用于通过配置不同的电缆结构及材料参数，并通过所述绝缘缺陷参数调节单元在所述主绝缘层内构造不同参数的可调节式气隙缺陷，形成不同的电缆接头故障模拟工况；

5、多诱因模拟模块，用于向所述密封试验腔内的电缆接头本体施加多种外部诱因；

6、数据采集模块，用于采集所述电缆接头本体在通电及所述外部诱因作用下产生的热解粒子数据；

7、超前辨识模块，用于将从所述热解粒子数据中提取的热解粒子特征和所述故障模拟工况对应的故障工况参数作为模型输入特征，构建超前辨识模型，对潜在短路故障进行超前辨识并生成解释，输出风险预测结果及对应解释；

8、控制模块，用于提供人机交互界面，接收用户输入的故障模拟工况配置指令；调节所述多诱因模拟模块的运行状态，控制试验主回路的通断和通电电流值，还用于记录并显示所述热解粒子数据、故障工况参数及风险预测结果。

9、进一步地，所述绝缘缺陷参数调节单元包括：

10、气隙长度调节单元，包含绝缘滑块及与其联动的第一驱动部，所述绝缘滑块设置于所述主绝缘层内预设的气隙通道中，气隙通道沿主绝缘层的径向方向延伸；所述绝缘滑块的外表面设有外螺纹，所述气隙通道的开口段或设置于所述气隙通道内的配合件设有与所述外螺纹相配合的内螺纹；所述第一驱动部包括与所述绝缘滑块连接的第一旋钮，旋转所述第一旋钮时，所述绝缘滑块沿所述气隙通道旋入或旋出，从而控制绝缘滑块伸入预设气隙的深度，并改变气隙通道内未被绝缘滑块占据的空气段长度；

11、气隙半径调节单元，包含若干个可更换的绝缘套筒，所述绝缘套筒设置于气隙通道内，其外径与气隙通道的直径一致、内径为多种规格之一，通过更换不同内径的绝缘套筒改变气隙的径向截面尺寸；

12、缺陷位置调节单元，包含旋转套筒、可拆卸转子法兰、插销座、定位插销及相位保持件，所述旋转套筒套装并固定于目标相单元的主绝缘层外部，例如直接固定于主绝缘层外侧，也可固定于外护套层外侧；所述可拆卸转子法兰与所述旋转套筒可拆卸连接，用于带动所述目标相单元的主绝缘层及导电芯体同步绕轴旋转；所述可拆卸转子法兰沿周向设有多个定位孔，所述定位插销能够穿过所述插销座插入任一定位孔内，以限定所述目标相单元的调节角度；所述相位保持件用于在角度调节完成后夹持并固定所述目标相单元的绝缘外表面，使所述可拆卸转子法兰、定位插销及临时连接结构拆除后，所述目标相单元仍保持预设周向位置并供其导电芯体端部接入试验主回路。

13、进一步地，所述主绝缘层外部还能够设置外护套层；所述电缆接头故障模拟模块还包括定位支撑件，所述定位支撑件设有分别用于安装各相单元的安装孔，各相单元与相应安装孔可拆卸式连接；所述结构及材料参数包括导体类型、主绝缘层材料和护套类型中的一种或多种，通过将各相单元分别安装于定位支撑件的相应安装孔内，并能够从定位支撑件中拆卸，以便于更换具有不同导体类型、主绝缘层材料及护套类型的相单元；各相单元的导电芯体两端分别设有用于接入试验主回路的接线端子。

14、进一步地，所述多诱因模拟模块包括：

15、湿度模拟单元，包含喷雾装置、湿度传感器及继电器；所述喷雾装置用于向密封试验腔内喷雾加湿，所述湿度传感器用于检测腔内的湿度值并反馈至控制模块，所述继电器受控于控制模块以控制喷雾装置的启停；

16、温度模拟单元，包含加热器、冷却器、温度传感器及继电器；所述加热器和冷却器用于调节密封试验腔内的温度，所述温度传感器用于检测腔内的温度值并反馈至控制模块，所述继电器受控于控制模块以控制加热器和冷却器的启停；

17、压力模拟单元，包含压块、第二驱动部、应力传感器及可拆卸限位支撑架；所述第二驱动部包括用于带动所述压块上下移动的施压杆，所述可拆卸限位支撑架设置于所述密封试验腔内并具有与所述施压杆配合的导向结构，用于限制所述施压杆沿竖直方向移动，防止所述压块偏摆；所述可拆卸限位支撑架还用于对各相单元形成辅助支撑；所述第二驱动部用于驱动所述压块朝向主绝缘层移动以改变对所述主绝缘层的压力，所述应力传感器用于检测压力值并反馈至控制模块；

18、紫外老化模拟单元，包含紫外线灯及继电器；所述紫外线灯设置于密封试验腔内，用于对电缆接头本体进行紫外照射；所述继电器受控于控制模块以控制紫外线灯的启停，所述控制模块用于记录紫外线灯的紫外照射时长，通过改变紫外照射时长模拟电缆接头本体的不同紫外老化程度。

19、进一步地，所述数据采集模块包括热解粒子采集器和采样电路；所述热解粒子采集器的输出端经采样电路连接至控制模块和超前辨识模块；由试验电源、连接导线及各相单元的导电芯体构成的试验主回路中设置有通断开关件、电流调节器和电流传感器，所述通断开关件用于控制主回路的通断，所述电流调节器受控于控制模块，用于调节电缆接头本体的通电电流值，所述电流传感器用于检测所述通电电流值并反馈至控制模块；所述控制模块包括微控制器和计算机，所述微控制器分别与电缆接头故障模拟模块、多诱因模拟模块、数据采集模块以及超前辨识模块电连接。

20、进一步地，所述超前辨识模块包括：

21、超前辨识模型，用于接收所述模型输入特征，并根据历史试验样本中故障工况参数、热解粒子特征与短路故障风险等级之间的对应关系，建立用于判断低风险、中风险或高风险的风险辨识关系；所述风险辨识关系用于表示在不同电缆结构、绝缘缺陷、电气运行状态和多诱因作用下，热解粒子响应与低风险、中风险或高风险之间的对应关系；其中，所述历史试验样本为在不同电缆结构及材料参数、绝缘缺陷参数、电气运行参数和多诱因参数下采集得到的样本；所述电缆结构及材料参数、绝缘缺陷参数、电气运行参数和多诱因参数构成所述故障工况参数；

22、解释模型，用于在获得风险预测结果后，结合当前样本对应的故障工况参数和热解粒子特征，确定对所述风险预测结果产生影响的关键因素，并生成包含风险等级、关键因素及其与绝缘劣化状态对应关系的解释；

23、所述超前辨识模块的输出端连接控制模块，用于输出低风险、中风险或高风险的风险预测结果及对应解释。

24、本发明之一种电缆接头多诱因短路故障模拟与超前辨识方法，包括以下步骤：

25、s1：将电缆接头故障模拟模块置于密封试验腔内，根据预设的故障模拟工况配置电缆接头本体的电缆结构及材料参数以及绝缘缺陷参数；

26、s2：根据预先输入的多诱因目标参数，控制多诱因模拟模块向电缆接头本体施加湿度、温度、压力及紫外老化诱因；

27、s3：待各诱因达到预设条件后，根据预设的电气运行参数调节电缆接头本体的通电电流值，并控制电缆接头故障模拟模块通电，使主绝缘层的气隙缺陷在电场及多诱因共同作用下发生绝缘劣化并向短路故障演化，产生热解粒子；

28、s4：在通电劣化过程中，实时采集密封试验腔内的热解粒子数据，并同步记录与所述热解粒子数据对应的故障工况参数；

29、s5：从所述热解粒子数据中提取热解粒子特征，将所述热解粒子特征及对应的故障工况参数作为模型输入特征，构建超前辨识模型，对潜在短路故障进行超前辨识并生成解释，输出风险预测结果及对应解释。

30、进一步地，步骤s5具体包括：

31、s5-1：根据步骤s4获得的热解粒子数据及其对应的故障工况参数构建实验样本集，从所述热解粒子数据中提取热解粒子特征，将所述热解粒子特征及故障工况参数作为模型输入特征，并根据热解粒子变化、绝缘劣化状态及短路故障发生情况，将实验样本标定为低风险、中风险或高风险；

32、s5-2：基于已标定风险等级的实验样本，建立故障工况参数、热解粒子特征与短路故障风险等级之间的风险辨识关系，用于确定不同电缆结构、绝缘缺陷、电气运行状态和多诱因作用下热解粒子响应所对应的短路故障风险等级；

33、s5-3：在新的通电试验过程中，将实时获得的热解粒子特征及对应故障工况参数输入所述风险辨识关系，输出低风险、中风险或高风险的风险预测结果，并识别对所述风险预测结果产生影响的关键因素；

34、s5-4：根据所述风险预测结果对应的故障工况参数和热解粒子特征生成解释，并将历史样本中能够反映风险等级变化的关键因素以及其与风险等级之间的对应关系存入解释知识库，用于新样本的实时解释生成。

35、进一步地，步骤s5-2中所述风险辨识关系的建立过程包括：

36、（1）从所述实验样本集中选取具有不同故障模拟工况和风险等级的历史试验样本，并将电缆结构及材料参数、绝缘缺陷参数、电气运行参数、多诱因参数和热解粒子特征作为候选判断因素；

37、（2）针对各候选判断因素设置候选划分条件；对于通电电流值、紫外照射时长、温度、湿度、压力、气隙长度、气隙半径、气隙周向位置、粒子浓度和粒径分布等数值型数据，设置若干候选分界值；对于导体类型、主绝缘层材料、护套类型和粒子类型等类别型数据，根据不同类别或类别组合设置候选划分条件；分别统计各候选划分条件两侧样本中的低风险、中风险和高风险样本占比，以判断某一工况参数或热解粒子特征是否适合作为风险判断依据，并按照公式：

38、；

39、计算在该候选判断因素下形成的样本集合s的风险混合程度；

40、式中，s为按照某一候选判断因素及其划分条件归集得到的历史试验样本集合，所述历史试验样本均包括由电缆接头故障模拟模块确定的电缆结构及气隙缺陷参数、由控制模块记录的通电电流值、由多诱因模拟模块形成的温度、湿度、压力及紫外照射时长，以及由数据采集模块获得的热解粒子特征；q(s)为样本集合s内低风险、中风险和高风险样本的混合程度；k为风险等级数量；r为风险等级序号；pᵣ为样本集合s中属于第r个风险等级的样本占比；

41、在获得q(s)后，将划分前的样本集合s按照所述候选判断因素及其候选划分条件划分为第一侧样本集合s1和第二侧样本集合s2，并按照公式：

42、；

43、计算该候选判断因素及其候选划分条件对短路故障风险等级的区分量；

44、式中，δq为划分前后风险混合程度的降低量，用于表示该候选判断因素是否能把低风险、中风险和高风险样本分开；|s|为划分前历史试验样本集合s的样本数量；|s1|和|s2|分别为落入划分条件两侧的样本数量；q(s1)和q(s2)分别为两侧样本集合的风险混合程度；

45、选择使δq最大的候选判断因素及其候选划分条件作为风险辨识关系中的判断条件，使实验样本能够按照实际工况参数和热解粒子响应逐步对应到低风险、中风险或高风险；

46、（3）对各判断条件建立相应的判断路径，并标注各判断路径对应的故障工况范围、热解粒子特征范围和短路故障风险等级；

47、（4）重复上述子步骤（1）至（3），直至所述实验样本集中不同风险等级样本能够按照相应的故障工况参数和热解粒子特征进行区分。

48、进一步地，所述解释生成方法包括：

49、（1）辨识过程记录：为每个历史试验样本记录其在风险辨识关系中的完整判断过程，记录各判断条件所采用的故障工况参数或热解粒子特征、对应划分条件及样本进入的判断路径，获得样本对应的辨识过程；

50、（2）关键因素识别：根据所述辨识过程，查找能够使样本的短路故障风险等级发生变化的候选判断条件，识别所述候选判断条件对应的关键因素；根据数据类型，将所述关键因素划分为数值型关键因素和类别型关键因素；

51、（3）数值型关键因素分析：对于通电电流值、紫外照射时长、温度、湿度、压力、气隙参数、粒子浓度或粒径分布中的所述数值型关键因素，根据对应候选判断条件的划分条件，对所述数值型关键因素作越过划分值的调整，形成调整样本x′，并将调整样本x′重新输入超前辨识模型，验证调整前后的短路故障风险等级是否发生变化；通过下述公式衡量当前试验状态与相邻风险等级状态之间的接近程度，计算样本x与调整样本x′之间在的差异量：

52、；

53、式中，样本x为当前待解释的试验样本，对应一组由控制模块关联记录的实际工况参数和热解粒子特征；调整样本x′为在保持其他试验条件不变的情况下，仅将某一数值型关键因素调整至相邻风险等级一侧后形成的参考样本；d(x,x′)为二者在故障工况参数和热解粒子特征上的差异量，用于表示当前试验状态距离风险等级变化状态的接近程度；p为参与比较的数值型关键因素总数；j为第j个数值型关键因素；xⱼ和x′ⱼ分别为该因素在样本x和调整样本x′中的数值；即xⱼ为样本x中第j个参数或特征的记录值；x′ⱼ为调整参考样本x′中对应参数或特征的参考值；wⱼ为第j个因素的尺度换算系数，用于使通电电流、温度、压力、粒子浓度和粒径等不同单位的数据能够在同一差异量中比较；

54、从能够改变短路故障风险等级的调整样本中，选择与样本x差异量最小的调整样本，并将该调整样本对应的数值型关键因素、调整方向及调整幅度作为解释依据，用于说明当前风险等级主要受哪些实际工况或热解粒子特征影响；

55、（4）类别型关键因素处理：对于导体类型、主绝缘层材料、护套类型或粒子类型中的所述类别型关键因素，记录该类别型关键因素的类别取值及其在辨识过程中的划分条件，将其作为风险预测结果的关联条件，且不对所述类别型关键因素进行连续数值调整；

56、（5）解释知识库构建：将能够改变风险预测结果的数值型关键因素、调整方向、调整幅度以及与其对应的类别型关键因素和风险等级存入解释知识库，从中提取频次满足预设阈值条件的风险关联关系；

57、（6）实时解释生成：对于新样本，根据新样本的类别型特征在解释知识库中筛选具有相同或相近风险关联条件的历史样本，再根据数值型关键因素之间的综合差异量确定相似历史样本，并基于所述相似历史样本对应的风险关联关系生成解释；所述解释包括风险预测结果、对风险预测结果产生影响的关键因素，以及数值型关键因素的调整方向和调整幅度。

58、本发明的有益效果：

59、1、通过在主绝缘层内设置绝缘缺陷参数调节单元，分别实现对气隙缺陷长度、横向截面尺寸及周向方位的独立调节；其中，气隙长度通过带螺纹的绝缘滑块旋入或旋出预设气隙通道进行控制，缺陷周向位置通过可拆卸转子法兰带动单个目标相单元转动后再保持定位，能够模拟不同形态、不同严重程度以及不同空间方位的电缆接头绝缘缺陷，克服了现有技术仅能模拟单一故障类型的缺陷，为研究绝缘劣化与短路故障的演化规律提供了多样化的缺陷模型。

60、2、通过多诱因模拟模块向密封试验腔内的电缆接头施加湿度、温度、压力及紫外老化诱因，并结合控制模块对诱因参数的闭环调节，实现湿度、温度、压力及紫外老化多因素的独立施加或组合耦合；其中，压力模拟单元通过可拆卸限位支撑架对施压杆进行限位并对三相单元形成辅助支撑，使压块能够稳定地向目标相单元施压，解决了现有技术无法模拟多诱因耦合作用下电缆接头短路故障过程的问题，从而能够真实再现湿热、机械应力及紫外老化等多环境因素对绝缘劣化的协同影响。

61、3、通过定位支撑件分别安装相互独立的各相单元，并将各相单元设置为可拆卸结构，可根据试验需要更换具有不同导体类型、主绝缘层材料及护套类型的相单元，并重新设置气隙缺陷参数，从而形成多种结构、材料和绝缘缺陷组合的故障模拟工况，提高实验装置的适用范围和重复使用能力。

62、4、通过电流调节器和电流传感器对电缆接头本体的通电电流进行设置、检测和反馈，并将实际通电电流、温度、湿度、压力及紫外照射时长与同一采样时刻的热解粒子数据关联记录，使每组热解粒子数据均具有明确的试验工况信息，有利于比较不同电缆结构、绝缘缺陷、电气运行条件和外部诱因下的热解响应及短路故障演化规律。

63、5、通过超前辨识模块将热解粒子特征与电缆结构及材料参数、绝缘缺陷参数、电气运行参数和多诱因参数关联分析，能够输出低风险、中风险或高风险的短路故障风险等级，并进一步说明通电电流、紫外照射时长、温度、湿度、压力、气隙参数或热解粒子特征中的哪些因素对风险等级产生主要影响，解决了现有技术仅输出风险结果而无法结合实际试验工况给出解释的问题，使操作人员能够理解绝缘劣化和短路风险升高的主要原因，从而指导后续试验调整和检修决策。