高压电缆防护层的改性优化及故障点检测方法研究

发布时间：2020-08-11 09:26

【摘要】：高压电缆作为电力传输的载体,是各种电力设备实现正常运行的关键。其防护层绝缘性能优化及故障点检测得到了国内外学者的广泛关注。在电缆防护层制备的过程中,通过掺杂无机纳米粒子对聚合物进行改性研究,优化材料的绝缘性能。由于电缆在高电压、大电流的状态下工作,传统的电缆防护层绝缘性能检测主要集中于电缆生产结束后的击穿性能测试,测量精度低、危险系数大、检测成本高、难以对高压电缆的故障点进行精准定位。基于此,本文根据纳米Zn O的修饰机理,提出通过纳米Zn O改性聚乙烯的电缆防护层材料,并通过微观结构与击穿性能检测进行实验验证。由于故障点会导致热击穿现象的发生,本文提出了红外三维检测结合拼接技术检测防护层表面故障点的方法。通过故障点的分布状况结合材料的热击穿场强判别电缆防护层的热击穿性能。针对电缆防护层绝缘性能优化,通过对基体改性实现。通常情况下,以低密度聚乙烯为基体添加一定比例的纳米颗粒进行改性。为了研究不同形态的纳米粒子对材料界面结构、结晶形态的影响,在聚乙烯中分别添加纳米MMT与纳米Zn O进行对比实验,通过化学结构测试、结晶结构测试、微域结构测试对电缆防护层进行绝缘性能分析。结合微观测试结果探讨MMT和Zn O的掺杂对聚乙烯电缆防护层绝缘性能的影响。对不同材料制备的电缆防护层进行仿真实验,利用COMSOL软件建立电缆模型,在电流场及电磁场作用下,测量其击穿性能。对纯低密度聚乙烯、纳米MMT改性聚乙烯和纳米Zn O改性聚乙烯电缆防护层材料进行击穿实测,检测不同材料的击穿临界值。对比两种检测方式得到的电击穿和热击穿临界值,从实验结果的重合度验证COMSOL电缆击穿仿真检测与击穿实测结果互相契合。可使用COMSOL仿真替代击穿实测,降低成本,提高检测效率。电缆防护层表面故障点会引发热击穿,通过红外三维检测结合拼接技术可较好地还原电缆表面信息并准确定位防护层中的故障点。在高压电缆红外立体视觉检测过程中,设计适合红外摄像机标定使用的模板,并计算摄像机参数标定结果。针对红外图像特征相对单一的情况,利用SIFT算法提取特征点并完成图像匹配。通过立体校正,使得匹配图像共面行对准,提高匹配精度。针对红外图像三维重建噪声点较多的情况,利用k-d tree算法进行去噪处理,完成高压电缆红外图像三维检测。在拼接实验中,为了解决Harris算法不具备尺度不变性的问题,在该算法基础上,加入高斯多尺度变换参数。匹配过程中,使用随机采样一致性算法消除误差匹配点对,并完成红外电缆图像的三维点云拼接实验。对实验结果进行定性定量分析,验证拼接算法的可行性。选择电缆串联装置对三段被测电缆同时进行供电,开展三种不同材质的被测电缆进行红外三维立体测量与拼接实验。通过转换图像中灰度值的变化提取故障点,统计图像中的故障点数量及故障点区域在电缆中所占的比例。通过对实验结果进行分析,验证纳米Zn O改性聚乙烯电缆防护层具有良好的热击穿性能。研究结果表明,纳米Zn O改性聚乙烯电缆防护层具有良好的绝缘性能。使用COMSOL仿真进行防护层击穿性能实验可有效替代击穿实测,降低了实验成本,提高检测效率。使用红外三维检测结合拼接技术可较好地还原被测电缆防护层的表面信息,并可对故障点实现精确定位。实现了故障点在线检测,并可以此为参考,判断材料的击穿性能。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;TM75
【图文】：

照片,电击穿,试样,照片

66h电老化时间后，纳米复合材料的击穿场强较纯LDPE的高1.10倍。利用SEM对纳米复合材料和聚乙烯试样击穿孔洞进行了对比分析，观察到电场对复合材料的破坏相对较小，如图1-1所示[41]，图中击穿后复合材料孔洞较小。图 1-1 两种试样电击穿后的 SEM 照片Fig.1-1 SEM photographs of two breakdown samples

低压脉冲法

a) 接线示意图 b) 显示波形示意图a) Wiring diagrammatic sketch b) Display waveform diagrammatic sketch图1-3 低压脉冲法Fig. 1-3 Low voltage impulse电桥法：该方法基于电桥平衡的原理，利用电气设备测得故障部分的电阻值或电压值，与整体被测电缆的电阻值或电压值相比，得到的比值与被测电缆长度的乘积便为故障点的具体位置[63-66]。脉冲电压法：该方法对整体被测电缆外部施加高电压。在被测电缆故障处，由于高电压的作用，会产生一个脉冲波，通过测试端对脉冲信号进行检测。脉冲信号接收结束后，便可通过公式 l v t2计算故障点的具体位置。

实时专家系统

哈尔滨理工大学工学博士学位论文-8-图1-4 实时专家系统Fig.1-4 Real time expert system1.2.3 红外立体视觉检测的研究现状红外立体视觉检测的工作原理是基于物体表面温度不同产生不同强度的红外光，红外摄像机通过模电转换，使用不同的红外图像进行显示，便于后续检测的分析使用。红外立体视觉检测有许多优点，比如测量效率高，范围广，无需直接接触被测物，安全系数高。这使得红外立体视觉检测技术被广泛地应用于电气设备热检测工作中，并成为热特性检测技术的主要研究方向之一[83-84]。二十世纪六十年代，瑞典国家电力公司将红外检测技术系统地应用到设备热检测中。该领域得到了国内外学者的重视，并将其作为热检测的重要手段。Luxtron 公司在美国电力研究所的大力支持下，研制了一款荧光光纤测温仪

【参考文献】