技术领域
[0001] 本发明涉及电力设备高电压模拟试验领域，特别涉及一种用于大容量短路电弧试验引弧的铜丝选择方法及系统。
相关背景技术
[0002] 油浸式电力变压器是电力系统中关键的设备之一。油浸式电力变压器的正常运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，必须最大限度地防止和减少变压器故障和事故的发生。油浸式变压器需要长期运行，不可能完全避免发生故障和事故。引发变压器故障和事故的原因是多方面的，特别是变压器长期运行后造成的绝缘老化、材质劣化，已成为导致变压器发生故障的主要因素。
[0003] 油浸式电力变压器故障涉及面广，故障机理复杂，故障类型的划分方式较多。按回路可分为电路故障、磁路故障和油路故障；按变压器的主体结构可分为绕组故障、铁心故障、油质故障和附件故障；按常见的故障易发区分为绝缘故障、铁心故障、分接开关故障等。变压器内部缺陷、绝缘劣化以及机械故障最终会转化为热性和电性故障。电性故障是在高压电场作用下造成绝缘劣化所引起的电力变压器内部故障，通常，电性故障按放电的能量密度的不同将电力变压器的内部放电故障分为局部放电、火花放电和电弧放电三类。局部放电是火花放电和电弧放电的前兆。局部放电的能量密度不大，但一旦发展将会形成高能量放电，并导致绝缘击穿或损坏。火花放电是一种间隙性放电，一般是低能量放电。电弧放电能量密度大，属于高能放电，其特点是产气量大且急剧，容易导致绝缘纸穿孔、烧焦或炭化，金属材料变形或熔化。
[0004] 为了研究油浸式电力变压器在发生电弧故障时设备内部压力的动态变化规律，需要开展电弧故障模拟试验，但是在开展油中长间隙电弧试验时都牵扯到引弧的问题。在目前的油浸式电力设备大容量短路电弧试验中，常常采用铜丝进行引弧，然后当幅值达数十千安的工频电流通过金属丝时，会导致铜丝电爆炸的产生。
[0005] 铜丝的引入虽然可以很方便的解决引弧的问题，但是实际上，铜丝在大电流的作用下发生熔断的过程为液体中金属丝电爆炸，该过程本身会产生极其强烈的冲击波，与其引发的电弧故障的冲击波叠加，将导致金属丝引弧的电弧试验方法产生的冲击波和真实工况下发生短路电弧故障中的冲击波存在差异，这一差异有可能导致泄压阀的误动作，不可避免的对试验结果产生影响，甚至会导致一些试验条件过于苛刻，过分提高了对油浸式电力设备结构强度的要求。
[0006] 综上，铜丝引弧几乎成为了所有油浸式电力设备短路电弧试验所采用的引弧方式，现有的铜丝选择方案会对试验结果产生多大影响仍不清晰，铜丝电爆炸产生的冲击波幅值的大小未知，对电弧过程产生的压力幅值的影响程度仍不清晰。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图1至图3和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
[0052] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明的技术方案。
[0053] 除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本发明的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本发明的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
[0054] 在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
[0055] 当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
[0056] 为了描述性目的，本发明可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
[0057] 这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
[0058] 在一个实施例中，本发明揭示了一种用于大容量短路电弧试验引弧的铜丝选择方法，所述方法包括以下步骤：
[0059] S100、通过大容量短路电弧试验获得试验数据，所述试验数据包括：试验条件数据；
[0060] S200、对所述试验数据进行灰色关联分析，并建立灰色关联模型；
[0061] S300、获得试验条件数据相关于电弧过程产生的稳态压力波幅值的相关度，并筛选出主要影响因素；
[0062] S400、建立所述试验条件数据与电弧过程产生的稳态压力波幅值的关系；建立金属丝长度以及直径两个尺寸参数与铜丝电爆炸产生的冲击波幅值的对应关系；
[0063] S500、在实际使用时，利用试验所设置的试验条件数据对电弧过程最终产生的稳态压力波幅值进行预测，并将冲击波幅值设定为电弧过程产生的稳态压力波幅值的1/x,x根据对铜丝造成冲击波的容忍程度确定；
[0064] S600、通过对稳态压力波幅值的预测以及确定的x得到金属丝爆炸产生的冲击波幅值的上限值，进而利用金属丝尺寸参数和冲击波幅值的对应关系反向得到金属丝尺寸参数的选择范围。
[0065] 可选的，步骤S100中，所述试验条件数据包括：放电能量、工频电流幅值、工频电流持续时间、试验设备是否有泄压装置。
[0066] 可选的，步骤S100中，所述试验数据还包括试验结果数据，所述试验结果数据包括：电弧过程产生的稳态压力波幅值和铜丝电爆炸产生的冲击波幅值。
[0067] 可选的，步骤S200中，建立灰色关联模型包括：
[0068] S201、基于所述试验结果数据确定参考序列 ；其中，参考序列为：；
[0069] S202、基于所述试验条件数据以及铜丝直径、铜丝长度确定影响压力峰值大小的因素组成比较序列 ；
[0070] 其中，比较序列为： ， ， ， ；
[0071] S203、求各比较序列的初值像，即对各比较序列进行无量纲化处理；
[0072] 令 ，
[0073] 其中， 得到 ；
[0074] S204、求参考序列 与比较序列 的初值像对应分量之差的绝对值序列，并计算绝对值序列的最小值与最大值；
[0075] 记 ， ， 。
[0076] S205、求关联系数和关联度；
[0077] 关联系数： ，
[0078] 其中，p为分辨系数，一般取p=0.5； 为绝对值序列的最小值， 为绝对值序列的最大值；
[0079] 关联度： 。
[0080] 可选的，步骤S300中，对相关度进行分析，在存在泄压阀的情况下，电弧能量是影响最终稳态压力波幅值的关键因素。
[0081] 可选的，步骤S400中，结合多元函数回归方法对电弧能量E与稳态压力幅值P之间的关系进行拟合，公式为： 。
[0082] 可选的，步骤S400中，通过多元函数回归方法，拟合出冲击波幅值Pj与金属丝长度l和直径d的关系，公式为：Pj = ‑0.3514 + 0.0574* l + 23.9719* d 。
[0083] 在另一个实施例中，本发明还揭示了一种用于大容量短路电弧试验引弧的铜丝选择系统，所述系统包括：
[0084] 数据获取模块，其用于通过大容量短路电弧试验获得试验数据，所述试验数据包括：试验条件数据；
[0085] 模型建立模块，其用于对所述试验数据进行灰色关联分析，并建立灰色关联模型；
[0086] 分析模块，获得试验条件数据相关于电弧过程产生的稳态压力波幅值的相关度，并筛选出主要影响因素；
[0087] 拟合模块，其用于建立所述试验条件数据与电弧过程产生的稳态压力波幅值的关系；建立金属丝长度以及直径两个尺寸参数与铜丝电爆炸产生的冲击波幅值的对应关系；
[0088] 目标设定模块，其用于在实际使用时，利用试验所设置的试验条件数据对电弧过程最终产生的稳态压力波幅值进行预测，并将冲击波幅值设定为电弧过程产生的稳态压力波幅值的1/x,x根据对铜丝造成冲击波的容忍程度确定；
[0089] 优选模块，其用于通过对稳态压力波幅值的预测以及确定的x得到金属丝爆炸产生的冲击波幅值的上限值，进而利用金属丝尺寸参数和冲击波幅值的对应关系反向得到金属丝尺寸参数的合理选择范围。
[0090] 在另一个实施例中，本发明还揭示了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序配置为由处理器调用时实现所述方法。
[0091] 在另一个实施例中，本发明还揭示了一种电子设备，所述电子设备包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；其中，所述处理器执行所述程序时实现所述方法。一个实施例中，本发明提供一种用于大容量短路电弧试验引弧的铜丝选择方法，通过分析电弧过程产生稳态压力波和铜丝电爆炸产生冲击波的特点，对稳态压力幅值和冲击波幅值做出预测，确定铜丝的直径和长度，以实现铜丝电爆炸产生的冲击波幅值对电弧过程产生的稳态压力幅值的影响较小，减小了铜丝引弧对油浸式电力设备短路电弧试验结果产生的干扰。
[0092] 如图1所示，一种用于大容量短路电弧试验引弧的铜丝选择方法，所述方法包括以下步骤：
[0093] S100、通过大容量短路电弧试验获得试验数据，所述试验数据包括：试验条件数据和试验结果数据；所述试验数据构成数据集；
[0094] 其中，试验条件数据包括：放电能量、工频电流幅值、工频电流持续时间、试验设备是否有泄压装置；试验结果数据包括：电弧过程产生的稳态压力波幅值和铜丝电爆炸产生的冲击波幅值。
[0095] S200、对所述试验数据进行灰色关联分析，建立灰色关联模型。
[0096] S300、在所述数据集上对所述灰色关联模型进行训练，分别得出：放电能量、工频电流幅值、工频电流持续时间以及试验设备是否有泄压装置各试验条件数据相关于稳态压力波幅值的相关度筛选出主要影响因素；
[0097] 其中，放电能量、工频电流幅值、工频电流持续时间以及试验设备是否有泄压装置这些试验条件数据在试验前确定。
[0098] S400、利用所述数据集，结合多元函数回归拟合，建立上述试验条件数据与稳态压力波幅值的关系；同时利用多元函数回归拟合，建立金属丝长度以及直径两个尺寸参数与产生的冲击波幅值的对应关系；至此建立各参数同稳态压力波幅值和冲击波幅值分别的对应关系。
[0099] S500、在实际使用时，首先利用即将进行的试验所设置的放电能量、工频电流幅值、工频电流持续时间以及试验设备是否有泄压装置对最终产生的稳态压力幅值进行预测，并按照需求将冲击波幅值设定为电弧过程产生的稳态压力波幅值的（1/x）,x待定，从而使铜丝引弧对试验结果的影响控制在所需的范围内，同时将两个对应关系联系起来；
[0100] S600、通过上述对稳态压力幅值的预测以及确定的x得到金属丝爆炸产生的冲击波幅值的上限值，进而利用金属丝尺寸参数和冲击波幅值的对应关系反向得到金属丝尺寸参数的合理选择范围。
[0101] 一个实施例中，本发明提供一种用于大容量短路电弧试验引弧的铜丝选择方法，所述方法包括以下步骤：
[0102] S100、进行多次模拟试验得到包括放电能量、工频电流幅值、工频电流持续时间、试验设备是否有泄压装置的试验条件数据以及电弧故障产生的稳态压力波幅值的试验结果数据，如下表1所示：
[0103] 表1 试验结果数据
[0104]
[0105] S200、建立灰色关联模型；如图2所示。包括：
[0106] 1、基于所述试验结果数据确定参考序列 ；其中，参考序列为：；
[0107] 2、基于所述试验条件数据以及铜丝直径、铜丝长度确定影响压力峰值大小的因素组成比较序列 ；
[0108] 其中，比较序列为： ， ， ， ；
[0109] 3、求各比较序列的初值像，即对各比较序列进行无量纲化处理；
[0110] 令 ，
[0111] 其中， 得到 ；
[0112] 4、求参考序列 与比较序列 的初值像对应分量之差的绝对值序列，并计算绝对值序列的最小值与最大值；
[0113] 记 ， ， 。
[0114] 5、求关联系数和关联度；
[0115] 关联系数： ，
[0116] 其中，p为分辨系数，一般取p=0.5； 为绝对值序列的最小值， 为绝对值序列的最大值；
[0117] 关联度： 。
[0118] S300、通过MATLAB函数对关联度进行分析，筛选出主要影响因素为参数1，即在存在泄压阀的情况下，电弧能量是影响最终压力幅值的关键因素；筛选主要影响因素，包括以下步骤：
[0119] 步骤1、按行依次输入各次试验所得到的各个参数和对应结果的样本数据；
[0120] 以表1中的数据为例，输入实验数据时按行依次输入各次试验所得到的各个参数。在表1中，“放电能量”、“电流幅值”、“电流持续时间”以及“是否有泄压装置”分别作为参数1至参数4。
[0121] 步骤2、提取输入参数矩阵和结果向量，将各次试验的各个参数按类别归类；
[0122] 参数1至参数4作为条件参数形成条件参数矩阵；而稳态压力幅值为试验结果，组织形成结果向量。
[0123] 步骤3、进行归一化处理，使用极差归一化；
[0124] 步骤4、基于灰色关联算法计算各参数的灰色关联度；
[0125] 运行灰色关联算法依次获得参数1至参数4与结果的关联度，关联度越大代表该参数对结果的影响越大；灰色关联算法函数，必须放在脚本的结尾。
[0126] 步骤5、计算平均灰色关联度，得到各参数对结果的影响度，并输出各参数的灰色关联度；
[0127] 步骤6、找到关键参数，即灰色关联度最大的参数。
[0128] 最终输出的影响结果的关键参数为参数1，指的是在本实施例中对稳态压力幅值影响最大的是参数1：放电能量的水平。
[0129] 本实施例只提取了四个参数变量进行研究，找出了最终与结果关联度最大的一个参数进行结果拟合，但事实上，研究参数以及所提取的关键参数的个数并不局限于本实施例所演示的情况；当考虑更多参数时，可以筛选关联度大于一定值的参数作为关键参数与结果进行拟合。可以预见的是，关键参数越多，拟合结果越准确。
[0130] 本实施例中，执行以下命令：
[0131] % 三次输入参数和结果的样本数据（4个参数和结果的样本数据）
[0132] % 假设数据为如下格式，每行为一次输入：
[0133] % 4个参数 [x1, x2, x3, x4] 对应的结果 y
[0134] input_data = [
[0135] 0.5,15,40,1,2.95; % 第一次输入参数和结果
[0136] 1.5,63,20,1,4.21; % 第二次输入参数和结果
[0137] 3,63,40,1,7.03 % 第三次输入参数和结果
[0138] ];
[0139] % 提取输入参数矩阵和结果向量
[0140] X = input_data(:, 1:4); % 4个参数的输入
[0141] Y = input_data(:, 5); % 结果向量
[0142] % 归一化处理 ‑ 使用极差归一化
[0143] X_norm = (X ‑ min(X)) ./ (max(X) ‑ min(X));
[0144] Y_norm = (Y ‑ min(Y)) ./ (max(Y) ‑ min(Y));
[0145] % 计算每个参数的灰色关联度
[0146] gamma = grey_relation(X_norm, Y_norm);
[0147] % 计算平均灰色关联度，得到每个参数对结果的影响度
[0148] mean_gamma = mean(gamma);
[0149] % 输出每个参数的灰色关联度
[0150] disp('各参数与结果的灰色关联度:');
[0151] disp(mean_gamma);
[0152] % 找到关键参数，即灰色关联度最大的参数
[0153] [ , key_param_index] = max(mean_gamma);~
[0154] fprintf('影响结果的关键参数为：参数 , key_param_index);
[0155] % 灰色关联度计算函数，必须放在脚本的结尾
[0156] function gamma = grey_relation(X_norm, Y_norm)
[0157] m = size(X_norm, 1); % 样本数
[0158] n = size(X_norm, 2); % 参数个数
[0159] % 计算灰色关联系数矩阵
[0160] delta = zeros(m, n);
[0161] for i = 1:m
[0162] for j = 1:n
[0163] delta(i, j) = abs(X_norm(i, j) ‑ Y_norm(i)); % 绝对差
[0164] end
[0165] end
[0166] % 计算极大值和极小值
[0167] delta_min = min(min(delta));
[0168] delta_max = max(max(delta));
[0169] % 设置分辨系数 rho，通常取0.5
[0170] rho = 0.5;
[0171] % 计算灰色关联度
[0172] gamma = (delta_min + rho * delta_max) ./ (delta + rho * delta_max);
[0173] end
[0174] 命令窗口输出：
[0175] 各参数与结果的灰色关联度:
[0176] 0.9486 0.8066 0.6505 NaN
[0177] 影响结果的关键参数为：参数 1
[0178] S400、结合多元函数回归方法对电弧能量E（MJ）与稳态压力幅值P（MPa）之间的关系进行拟合，得到以下结果，至此建立起试验条件参数与稳态压力波幅值之间的相关关系，如图3所示。
[0179] （1）
[0180] S500、通过多次模拟试验对改变金属丝参数后的冲击波幅值进行测量和统计，得到的结果如表2所示。
[0181] 表2 冲击波幅值
[0182]
[0183] S600、通过多元函数回归方法，拟合出冲击波幅值（Pj）与金属丝长度（l）和直径（d）的关系如下，至此建立起金属丝尺寸参数与冲击波幅值的对应关系。
[0184] Pj = ‑0.3514 + 0.0574* l + 23.9719* d （2）
[0185] S700、运用上述模型，对实验室即将进行的电弧模拟试验进行金属丝尺寸选择。
[0186] 实验室现有长度为15mm，直径不等的金属丝若干，即将进行的试验电弧能量约为80J；根据式（1）获得其对应的稳态压力幅值约为2.4592MPa，此时设定x=2，即冲击波幅值为稳态压力幅值的1/2，得到冲击波压力幅值的上限值为1.2296MPa，将Pj=2.4以及l=15带入式（2），得到金属丝的直径d为不得超过0.02mm。实测在金属丝直径为0.02mm，长度为15mm且电弧能量为80J的条件下产生的冲击波压力峰值不超过1MPa，证明预测是准确的。
[0187] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0188] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0189] 本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。
