干抗温度场有限元仿真及基于光纤传感的测量方法研究

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干式空心电抗器(以下简称干抗)在电力系统中主要承担无功补偿、限制短路电流、滤除高次谐波、减少直流系统谐波分量等作用,是远距离输电系统中的重要辅助设备。由于运行在风吹日晒雨淋的开放环境中,与传统油浸式铁芯电抗器相比,其故障率更高。将分布式光纤传感技术与干抗等变压器类设备结合,通过光纤测到的温度信息来反映被监测设备的状态逐渐成为研究热点。目前,基于光纤传感技术已经可以实现在干抗高温固化过程中对温度的短时间监测。但是,关于干抗在不同运行条件及匝间短路故障后的温度特征研究较少,缺乏定量的故障预警机制。本文基于数值模拟的方法,通过有限元建模计算干抗在正常及发生匝间短路故障后的电磁场及温度场数据,获得电抗器在正常运行时的温度监测重点区域及发生匝间短路故障后的瞬态温度变化规律,为基于光纤分布式传感的干抗温度监测提供理论基础。通过建立干抗磁场-电路耦合有限元模型,得出干抗额定运行状态下各层绕组中的电阻损耗,并作为热源代入流体-温度场耦合模型,求解得出干抗在正常状态下的轴向和径向温度分布规律。在此基础上,建立了不同环境温度、气道宽度、匝数偏差及敷设光纤时的干抗温度场有限元模型,分析了上述因素对电抗器热点温度的影响,并给出了分布式光纤测温系统在上述因素影响下的监测方案。通过在不同径向位置及不同轴向高度设置短路故障匝,得出干抗不同空间位置发生单匝短路后的短路环温度瞬态变化规律,基于此得出故障预警时间及光纤敷设方式。为了加快基于分布式光纤传感的干抗温度监测系统的测量速度,从布里渊频移(Brillouin Frequency Shift,BFS)的快速提取及测量算法着手进行研究。提出采用二次多项式作为拟合谱模型,从仿真和实测数据分别验证了其在峰值左右一个线宽范围内扫频时提取BFS的准确性与快速性。提出采用自适应线性预测滤波技术先对含噪布里渊谱去噪,以提高布里渊谱峰值定位的准确性,然后再对含噪谱进行二项式拟合提取BFS。通过仿真和实测数据分别论证该算法的有效性,并与叠加平均算法对比,得出本文所提算法在BFS提取方面的优越性,为基于布里渊散射的光纤沿线温度快速测量提供参考。
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