本文是一篇电力论文，电力系统各种电压等级均通过电力变压器来转换，电压升高为升压变压器（变电站为升压站），电压降低为降压变压器（变电站为降压站）。一种电压变为另一种电压的选用两个线圈（绕组）的双圈变压器，一种电压变为两种电压的选用三个线圈（绕组）的三圈变压器。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇电力论文，供大家参考。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
铁道部颁发的《中长期铁路网规划（2016 年--2025 年）》中明确指出，预计截止至2025 年，我国铁路网总长度将达 17.5 万公里，其中高速铁路长度约 3.8 万公里，覆盖全国八成以上的大城市。在未来的五年里，陕西省铁路建设长度约 3500 公里，铁路电气化率将超过六成，可以在主要繁忙干线实现客货分流，铁路运输能力可很好地满足社会发展的需求。随着电气化铁路的发展以及电力电缆制造工艺的提高，满足铁路施工建设要求的电力电缆在铁路建造中获得了广泛的应用。铁路沿线电缆密度高、增长快，尤其是电力贯通线中电力电缆的占比不断增加【1】，但是目前电气化铁路沿线电缆线路面临负荷瓶颈，地下利用空间有限，建设一条新的电缆线路的难度也在不断加大【2-3】。因此，保障铁路安全运行，降低电缆事故发生机率，合理安排电缆检修任务是提高铁路运输质量亟待解决的问题。电缆的寿命期望大约为 40 年，有研究表明，若 XLPE 电缆的运行温度超出 8%的容许值，其使用寿命将只剩 20 年；如果超出 15%，电缆的寿命将会只剩下 10 年【4-5】。相较于架空线路，电缆的分布电容要大得多，同时，在接触网的影响下，流经铁路沿线电力电缆的对地电容电流及地回流也很大，所以铁路沿线的电力电缆频繁发生故障，且实际运行中发现电缆故障 90%以上都发生在电缆头处【6】。目前，我国对于 10 kV 贯通线电缆大都实行定期预防性试验，单纯的定期检修铁路沿线电缆头需要停电且工作量大，已然无法满足我国铁路事业的迅速建设对设备状态安全可靠、高效运行的要求。因此，采用在线监测的方法监测电缆头安全状况，能够有效避免传统检修作业的盲目性，工作人员根据监测信息的诊断结果制定合理的检修计划，从而提前消除隐患、及时处理故障【7-9】。然而，现有的在线监测设备数据多数仍停留在短距离传输或 GPRS/GSM 网络，对于数据传输的实时性、经济型、多样性都有待提高。所以，分析电缆头处温度场分布，充分考虑多种因素对电缆绝缘层温度的影响，针对铁路电磁环境，研发电缆安全状况的多参数在线监测装置，有针对性地制定电缆检修计划，对电气化铁路正常供电和行车安全的意义深远。
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1.2 研究现状
交联聚乙烯( XLPE)电缆防腐蚀性能良好，绝缘强度高，介电损耗系数小，线芯可长时间工作于较高温度下，而且电缆体积小，安装维护方便，被普遍使用于铁路 10kV 贯通线中。当今国内外在解决铁路电力电缆头烧毁问题方面，除了改进制作工艺和提高安装质量外，最有效的办法就是实现在线监测。近二十年来，海外一些发达国家对 XLPE 电力电缆的在线监测技术的发展程度始终处于领先地位；目前国内研究起步时间不长，有不少学者和研究单位对海外的监测技术及方法采用跟踪研究措施，如上海交通大学、西安交通大学、清华大学、浙江大学、上海电缆研究所等【10-12】。国内不乏 XLPE 电力电缆在线监测范畴相关论文和研究成果，但是眼下投入实际运行的在线监测产品却不常见。电力电缆的在线监测方法主要包括【13】：直流叠加法在线监测、绝缘电阻在线监测、直流分量法在线监测、局部放电在线监测等。其中，局部放电法能够有效地对电缆绝缘老化程度进行判别，但由于电力系统的干扰问题始终无法被很好地解决，所以该方法仅适合在电缆产品出厂前作为评定质量的手段，且须在屏蔽良好的试验室中进行，不可用于现场的监测；直流分量法可匹配各种电压等级的电缆，然而该方法并不适合用于实际应用中，因为电缆运行现场存在杂散电流的干扰且微小电流难以被提取。
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2 三芯 XLPE 电力电缆绝缘层温度数学模型
2.1 三芯 XLPE 电缆结构
针对铁路沿线电力电缆的使用情况，本文选取型号为 YJLV22-3*95mm2的三芯 XLPE电力电缆作为研究对象并对其进行分析。该电缆的横截面结构示意图如图 2-1 所示，图中左边为三芯电缆整体结构剖面图，右边为其中单独一芯的结构剖面图。根据国家相关标准，当电缆的额定电压大于 2kV 时，需为其配备导体屏蔽层。导体屏蔽层在制作时通常是在聚合物中添加炭黑，使其具有半导电特性，因此又被称作内半导电屏蔽层。由于电缆导体是多股不规则的圆柱体通过紧压绞合的方式制成，边沿有凸起，致使运行导体的表面场强最大，极易发生由于过热引起的绝缘迅速老化【31】，因此，导体屏蔽层的用途是包裹在相对粗拙的绞合电缆导体表面，从而形成一层较为光滑的薄层，达到分散局部场强、控制电场分布的目的。
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2.2 三芯 XLPE 电力电缆稳态热路模型
当电缆线芯中通过电流时，由于交流电阻的存在而产生功率损耗。这部分损耗将会以热能的形式向外传导。当运行中的电缆趋于稳态时，电缆从线芯到外部环境会产生稳定的温度场分布。此时若想形成电缆的热路模型，只需将电缆各层热阻看作电阻，把热流看作电流，把电缆各层温度梯度看作电压差即可【33】。为了建立 YJLV22-3*95mm2型号的 XLPE三芯电缆的稳态热路模型，本文做出如下假设：（1）电缆的几何参数是常数；（2）电缆的轴向长度对于其径向长度来说接近无限大，所以不考虑电缆的轴向传热；（3）金属材料的损耗要比其他材料高得多，所以只考虑铝质导体、铜屏蔽层和钢带铠装的损耗；（4）对于热阻来说，因为铠装层的厚度较小，所以不考虑其热阻。
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3 基于有限元分析法的 XLPE 电力电缆温度场研究............11
3.1 有限元分析法及软件概述............11
3.1.1ANSYS Workbench 15.0 的用户界面（GUI）..........12
3.2 铁路沿线 XLPE 电力电缆物理模型的建立....12
3.3 XLPE 电力电缆的温度场仿真与分析....13
3.4 本章小结..........18
4 多参数在线监测装置的研制........19
4.1 多参数在线监测的意义......19
4.2 监测装置硬件设计....20
4.3 监测装置的软件设计...........27
4.4 数据库设计及后台系统功能概述..........34
4.5 本章小结..........36
5 实验验证及现场结果分析............37
5.1 采集电路的实验验证..........37
5.1.1 温度采集...........37
5.1.2 电压与电流采集.........37
5.2 GPS 模块的信息获取..........38
5.3 4G 网络数据传输.......39
5.4 短信发送功能验证.....40
5.5 在线监测后台管理系统界面.........41
5.6 监测装置现场安装情况......42
5.7 现场数据处理............43
5.8 本章小结..........47
5 实验验证及现场结果分析
5.1 采集电路的实验验证
5.1.1 温度采集
温度作为在线监测最为关键的一部分，尤其要确保其采集与转换的准确无误，因此首先对温度采集电路进行验证与调试。正确搭建温度采集电路后，确认连线无误后上电，将Pt100 传感器放置于实验室用带示数恒温加热板上。给加热板升温的同时，实时观察本装置液晶屏上温度示数以及加热板显示屏上的示数变化情况。实验数据记录如表 5-1 所示。接下来对电压与电流采集模块进行调试。本文使用型号为 TSGC-3/0.5 的接触式三相调压器其中一相的二次侧电压作为交流电压源，在调压器二次侧串入一个阻值为 50Ω的RX20 陶瓷电阻，改变调压器二次侧的输出电压，利用示波器和本装置的电压测量模块同时测量电阻两端的电压，观察示波器波形与本监测装置的电压示数变化情况；与此同时，使用钳形电流表和本监测装置的电流采集模块测量流经电阻的电流大小，将本装置的电流示数与钳形电流表示数进行比对。
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总结
本文主要针对复杂的铁路电磁环境以及现有的电缆头监测装置的不足之处，研制了一套基于 4G 网络通信的铁路贯通线交联聚乙烯（XLPE）电力电缆头多参数在线监测装置，监测量包括电缆头外护套温度、接地线中的电流、金属护层感应电压、环境温度与环境湿度 5 种参数，通过 4G 网络将电缆运行状态信息实时发送给后台管理系统及相关工作人员的手机，结合 GPS 定位系统定位电缆头地理位置，便于工作人员快速查找故障电缆头和进行检修，保障铁路行车安全。首先，针对铁路沿线 10kV 贯通线选用的型号为YJLV22-3*95mm2三芯电缆，建立了三芯电缆绝缘层与环境温度的数学模型；然后利用有限元分析软件 Ansys 对该型号的电缆头进行了温度场仿真分析；接下来研制了一套基于4G 网络通信的铁路电力电缆头多参数在线监测装置；最后，利用 Matlab 软件对本装置采集到的现场运行数据进行多元线性回归处理。本课题完成的主要工作任务具体如下：#p#分页标题#e#
（1）依据传热学原理及国际电工委员会 IEC-60287 标准，建立 YJLV22-3*95mm2型号的三芯电缆稳态热路模型并推导出电缆绝缘层与环境温度之间的数学关系；
（2）使用有限元分析软件 Ansys，对铁路贯通线中常用的 YJLV22-3*95mm2型号XLPE 电缆进行了电热耦合仿真。通过采用控制变量的方式，将电缆线芯温度固定为 XLPE电缆允许的长期运行最高工作温度 90℃，从而得出不同环境温度所对应的外护套允许最大温度值，若采集到的外护套温度高于计算值，则说明电缆内部温度已超过允许温度。该数学关系可作为外护套温度的报警判据；
（3）通过分析装置功能，完成了各模块的对比与选型，设计了相应硬件电路，搭建了装置的硬件平台，通过软件编写，实现了本监测装置的任务功能。将采集到的现场数据通过 4G 网络实时传输给后台管理系统，同时给相关作业人员的手机号码发送电缆状态短信息。在监测电缆正常运行状态下，当时间到达设定时刻，将发送该电缆头当前参数短信息，而当电缆头的外护套温度、金属护层感应电压以及接地线电流中任意一项超过报警阈值时，将发送告警短信息，后台系统也将进行声音提示；
（4）分析装置安装现场传回的数据，找到了电缆外护套温度与接地线电流、金属护层感应电压、环境温、湿度等参量之间的函数关系，得出了该模型的置信区间，给出了其它影响因素的影响系数，并对该模型进行了验证。该回归模型可用于判别监测数据异常是否因传感器安装松动或故障引起的数据无效，提高数据采集的有效性判别和电缆头异常报警的可靠性。
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参考文献（略）
