一种SF6断路器分合闸线圈绝缘故障评估方法与流程

一种sf6断路器分合闸线圈绝缘故障评估方法
技术领域
1.本发明涉及sf6断路器分合闸线圈绝缘性能评估技术领域，具体涉及一种sf6断路器分合闸线圈绝缘故障评估方法。


背景技术：

2.断路器是电网中的关键开关设备，既需要开断和关合正常工作电流，也需要开断过负荷电流和短路电流。当电力系统发生故障时，要求断路器能够可靠地动作以切除故障部分，来保证非故障部分的稳定运行。在实际运行的过程中，断路器可能由于故障而导致拒动，往往造成严重的生产损失和安全事故。分合闸线圈故障是导致断路器拒动的一大因素。而分合闸线圈的绝缘故障会导致线圈电流增大从而过热烧毁。因此对分合闸线圈绕组的绝缘故障进行研究，提出有效的故障评估方案对于提高电力系统的可靠性具有重大的意义。分合闸线圈作为断路器操动机构的重要器件，很大程度地影响了断路器动作的可靠性。对于运行中的断路器，由于电、热及环境等多方面因素的影响，其分合闸线圈的绝缘漆逐渐老化，造成绝缘性能下降，可能导致匝间短路故障和层间短路故障。出现轻微短路故障时，即使断路器仍能正常动作，但是线圈的电阻下降会导致工作时通过线圈的电流增大，线圈发热严重，严重时造成线圈烧损，影响断路器的分合闸功能导致拒动，从而影响电网的稳定运行。因此，及时地发现分合闸线圈的绝缘故障从而采取相应的检修措施，对于提高断路器可靠性具有十分重大的意义。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提出一种sf6断路器分合闸线圈绝缘故障评估方法，建立了线圈的高频等效电路模型，结构完整，试验方案循序渐进、系统而全面，结果可行度高。
4.为实现上述目的，本发明提供一种sf6断路器分合闸线圈绝缘故障评估方法，包括以下步骤：s1、分合闸线圈电感电容矩阵的计算；
5.s2、建立线圈的高频等效电路模型；
6.s3、进行断路器分合闸线圈绝缘故障评估算法。
7.作为进一步技术改进，步骤s1具体包括以下步骤：
8.s1-1、根据实际线圈模型，建立有限元仿真计算模型；
9.s1-2、电容矩阵计算，通过静电场模块计算电容矩阵，其计算公式为
[0010][0011][0012]
其中，c
ii
为导体的自电容即对地电容，c
ij
为导体i和导体j之间的互电容，vi、vj为
导体i、j的电势，we为整个系统的能量；
[0013]
s1-3、电感矩阵计算，通过磁场模块计算电感矩阵，其计算公式为
[0014][0015][0016]
其中，l
ii
为导体的自电感，l
ij
为导体i和导体j之间的互感，ii、ij为通过导体的电流，wm为整个导体的能量。
[0017]
作为进一步技术改进，步骤s2具体包括以下步骤：
[0018]
s2-1、基于atp-emtp，考虑线圈的匝间电容和自感建立等效波阻抗电路模型，每层7匝等效为7个波阻抗，共21层；每一匝包括自电感、自阻抗，与相邻匝的匝间电容和与相邻层的层间电容。对于靠近铁心的第一层和每一层首末匝，考虑对地电容。
[0019]
s2-2、在电路首端施加高频低压方波脉冲信号，脉冲电压幅值为10v，频率为2mhz，获取末端响应曲线；
[0020]
s2-3、通过导线直接短接在波阻抗两端设置不同位置和不同程度的短路故障，获取故障情况下的末端响应曲线；
[0021]
s2-4、将故障情况下的末端响应曲线与无故障情况下的末端响应曲线作差获得特征曲线。
[0022]
作为进一步技术改进，步骤s3具体包括以下步骤：
[0023]
s3-1、将曲线按照每100个采样点平均分为21份，计算每一份曲线与横轴围成的面积；
[0024]
s3-2、建立输入神经元个数为21，输出神经元个数为21的bp神经网络；
[0025]
s3-3、将步骤s3-1中计算得到的面积数据作为输入参数，每层线圈的短路程度作为输出参数训练bp神经网络，得到可以评估分合闸线圈短路情况的bp神经网络评估模型。
[0026]
作为进一步技术改进，所述的有限元仿真计算模型，包括铁心、绕组、外壳，为简化计算，采用二维轴对称模型。
[0027]
作为进一步技术改进，步骤s3-3中，每层线圈的短路程度作为输出参数训练bp神经网络，使用验证集的数据验证bp神经网络评估的准确率，准确率满足要求，则获得评估分合闸线圈绝缘故障的评估模型，若准确率不满足要求，则返回，继续进行bp神经网络的训练。
[0028]
本发明从场路耦合的思想出发，建立分合闸线圈绕组的二维轴对称模型，通过静电场和磁场的能量计算出绕组的电容电感矩阵。再基于变压器的单绕组等值模型，考虑线匝的电阻，自感，匝间电容，层间电容和对地电容建立了分合闸线圈绕组的高频等效电路模型。在电路模型首端施加激励，其末端可以测得其响应曲线。设置不同位置和不同程度的短路故障，获得相对应的特征曲线，计算其每一百个点的面积值作为bp神经网络评估模型的输入参数，建立基于bp神经网络的分合闸线圈评估模型。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0030]
本发明采用的评估方法，有效将场路耦合法引入分合闸线圈的绝缘故障评估中，建立了线圈的高频等效电路模型，结构完整，试验方案循序渐进、系统而全面，结果可行度高。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例所需要的附图作简要介绍，显而易见，下面描述中的附图仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提前，可以依据此附图得到其他的附图。
[0032]
图1是本发明有限元仿真模型图。
[0033]
图2是本发明仿真电路模型图。
[0034]
图3是本发明神经网络拓扑图。
[0035]
图4是本发明评估过程的流程图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
[0037]
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0038]
实施例：
[0039]
如附图1-4所示，本实施提供了一种sf6断路器分合闸线圈绝缘故障评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0040]
s1、分合闸线圈电感电容矩阵的计算；具体包括以下步骤：
[0041]
s1-1、根据实际线圈模型，建立有限元仿真计算模型，包括铁心、绕组、外壳，为简化计算，采用二维轴对称模型。；
[0042]
s1-2、电容矩阵计算，通过静电场模块计算电容矩阵，其计算公式为
[0043][0044][0045]
其中，c
ii
为导体的自电容即对地电容，c
ij
为导体i和导体j之间的互电容，vi、vj为导体i、j的电势，we为整个系统的能量；
[0046]
s1-3、电感矩阵计算，通过磁场模块计算电感矩阵，其计算公式为
[0047][0048][0049]
其中，l
ii
为导体的自电感，l
ij
为导体i和导体j之间的互感，ii、ij为通过导体的电流，wm为整个导体的能量。
[0050]
s2、建立线圈的高频等效电路模型；具体包括以下步骤：
[0051]
s2-1、基于atp-emtp，考虑线圈的匝间电容和自感建立等效波阻抗电路模型，每层7匝等效为7个波阻抗，共21层；
[0052]
s2-2、在电路首端施加高频低压方波脉冲信号，脉冲电压幅值为10v，频率为2mhz，获取末端响应曲线；
[0053]
s2-3、通过导线直接短接在波阻抗两端设置不同位置和不同程度的短路故障，获取故障情况下的末端响应曲线；
[0054]
s2-4、将故障情况下的末端响应曲线与无故障情况下的末端响应曲线作差获得特征曲线。
[0055]
s3、进行断路器分合闸线圈绝缘故障评估算法，具体包括以下步骤：
[0056]
s3-1、将曲线按照每100个采样点平均分为21份，计算每一份曲线与横轴围成的面积；
[0057]
s3-2、建立输入神经元个数为21，输出神经元个数为21的bp神经网络；
[0058]
s3-3、将步骤s3-1中计算得到的面积数据作为输入参数，每层线圈的短路程度作为输出参数训练bp神经网络，得到可以评估分合闸线圈短路情况的bp神经网络评估模型。每层线圈的短路程度作为输出参数训练bp神经网络，使用验证集的数据验证bp神经网络评估的准确率，准确率满足要求，则获得评估分合闸线圈绝缘故障的评估模型，若准确率不满足要求，则返回，继续进行bp神经网络的训练。
[0059]
如附图1，考虑到分合闸线圈的轴对称结构特性，建立二维轴对称模型以减少计算量，包括铁心、外壳和线圈等结构。线圈每一层7匝，共21层。
[0060]
附图2表示高频等效模型，考虑了每匝线圈的自电感、电阻、与相邻匝的匝间电容，对于线圈第一层靠近铁心的绕组以及每一层首末匝考虑了对地电容。当在电路首端加上高频激励后，电路各个位置的电位不同，在末端便对高频激励产生响应，而发生短路故障时，电路模型的结构发生改变，末端的响应也会变化。而不同位置和不同程度的短路故障，其对末端响应对地影响也是不用的，而这个信息蕴含在特征曲线中，因次用过计算特征曲线中各个部分的面积，挖掘其内含的映射关系信息。
[0061]
附图3为神经网络拓扑图，人工神经网络能够基于其自身特点寻找模型输入参数与输出参数间的数学关系，不必像其他方法一样，必须提供准确的数学表达式，同时保证较好的精确度。神经网络针对多输入、多输出的复杂非线性问题具有良好的处理能力，能够构建动态电容给参数及触头状态指示参量间关系模型，实现断路器触头状态评估的目标。
[0062]
图4为评估过程的流程图，实际运用时先通过仿真计算，实际运用时先通过仿真计
算，获得分合闸线圈的电感电容矩阵，然后基于电感电容矩阵建立电路的高频等效模型。通过设置不同位置和不同程度的短路故障，获取末端响应曲线，然后与无故障时的响应曲线作差得到特征曲线，再从中计算曲线与横轴包围面积，作为bp神经网络的输入参数，短路故障的程度和故障位置作为bp神经网络的输出参数，建立bp神经网络模型，再使用样本数据进行网络的训练。训练完成后，使用验证集的数据验证bp神经网络评估的准确率。
[0063]
以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，凡运用本发明说明书及其附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。