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工程科学与技术,国际期刊23(2020)1109完整文章不同灌木物种接地故障的电气和物理特性Cagil OzansoyEugene,Douglas Pinto Sampaio Gomes工程与科学学院,维多利亚大学,邮政信箱14428,墨尔本,维多利亚8001,澳大利亚阿提奇莱因福奥文章历史记录:收到2019年2020年1月23日修订2020年3月7日接受2020年6月4日在线提供保留字:丛林火灾传导连续性高阻抗故障点火阶段均方根故障电流A B S T R A C T高阻抗故障(HIFs)是一种可能引发丛林火灾的干扰这项工作的重点是提出物理和电气现象与接地故障的灌木品种的范围。根据故障电流极限和故障电流发展的速度/性质分析了相接地套管故障。导致火灾的高干扰因子在传导连续性方面与那些不会导致点火的高干扰因子不同。点燃发展的三个阶段进行了研究,管理的物理现象点燃的灌木物种下HIF的情况。示出了平均故障RMS电流的变化D,以产生表示点火的各个阶段的图案特别地,D中的第一个零交叉已经被示出与点火从初始接触阶段进展到水分排出阶段的点相关。©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍当导体与高阻抗表面接触时会发生HIF,导致小电流不足以操作传统的保护方案。如果未被发现,HIF会对公共安全构成严重风险,并可能引发火灾。HIF电流的特征在于低幅度、不稳定和波动的电流[1]。文献中报道的HIF的典型特征是非线性、不对称性、不对称性和随机性[2]。HIF模型主要基于电弧建模以及高阻抗故障的非线性电阻[2,3]。尽管HIF建模的广泛努力,HIF电流的建设和发展之间的联系,在植被点火的调查很差。配电网故障的检测和定位一直是研究的前沿[4基于人工智能和行波的集中式方法[7]以及需要高速采样的方法[8]正在变得流行。Ghaderiet.al. 将HIF检测定义为信号测量、特征提取和分类的过程,以区分故障信号和健康信号[9]。例如,Sarwagya等人使用了变电站总线处的剩余电压的叠加分量。用于区分HIF与其他电源系统干扰[10]。或者,Chaitanya et.al. 使用变量-*通讯作者。电子邮件地址:cagil. vu.edu.au(C. Ozansoy)。由Karabuk大学负责进行同行审查用于特征提取的模式分解被馈送到支持向量机分类器[11]。然而,尽管在文献中提出了许多用于HIF检测的方法,但很少有人强调电学和物理表征地球断层。本文试图解决这一问题。地球植被断层的电和物理特性的研究较少,在这项工作中解决的关键不足。与配电导体上植被接触相关的物理和电气现象表征的可比工作先前在[12]中介绍。关键结论是,初始电流水平较低,故障电流随着碳化程度的增加而达到峰值。虽然是开创性的,但[12]中的工作没有提供点火阶段的明显特征。进一步的HIF实验测试在[13]中给出,其中测试了各种树枝。中性点电流被认为是检测HIF的最重要特征。据观察,有源导体与地之间的电接触会产生中性电流的变化和基波附近的特征频率[13]。[12,13]两者都没有明显的重点是灌木物种。本研究提出了一系列灌木物种的相位到地植被故障(灌木故障)的电 气和 物 理 特性 。 这 些包 括 (i ) Banksia Marginata( 即( ii )Kunzea Ericoides(即,伯根)(iii)(iv)荆豆(即金雀花)。植被断层分为两大类,即https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.03.0022215-0986/©2020 Karabuk University. 出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestch1110C. Ozansoy,D.P.S.Gomes/Engineering Science and Technology,an International Journal 23(2020)1109Fig. 1. 试验台和测量系统。断层研究结果源于分析的参数,如故障电流(IF),持续时间达到预设的电流阈值,传导不稳定性,和RMS电流的变化率。点火发展的阶段进行了讨论,作为一个物理现象,并链接到RMS故障电流。该方法采用了大量生态位阶段的植被高阻抗断层(HIF)的数据进行了资助由澳大利亚政府,该项目的重点是采样和测试不同的植被物种在分阶段的高干扰因子在一个试验台(见图)。①的人。一个关键的成果是一个数据集的故障信号记录,在这里使用的火灾点火分析。读者可以参考维多利亚州部门网站的相关数据和测试视频[15]。WiB故障测试包括在12.7 kV下通电的高压(HV)导体落入灌木物种而不接触地面。对于WiB断层,灌木物种水平铺设在两个平行导体上,其中一个导体是垂直的。的介绍了试验台和数据采集系统的配置在图1中。两个测量通道中的一个用于低频(LF)(50 kHz)电流信号的采样。另一个通道以2 MS/s的速度采样信号,奈奎斯特频率为1MHz。在所有分析的测试中,预设故障电流阈值从0.5安培到4安培不等(通过使用限流电阻器)。一旦达到该值,则通过移除对通电导体一项对极端火灾天气的研究[16]表明,米尔杜拉(维多利亚州的一 个 区 域 中 心 ) 平 均 每 个 季 节 经 历 8.14 天 的 极 端 火 灾 风 险Marxsen[14]建议在极端火灾风险的日子里设置0.5 μ m的检测灵敏度,并认为"表1燃烧试验测试物种I限值的持续时间(s)类型水分(%wt)直径(毫米)0.5限制VT83K. E21.32BtW33.620VT84K. EN/ABtW30.4–VT319K. E16.71BtW32.735VT183联合E14.56WIB37.7–1限值VT89K. E17.5BtW36.230VT320K. E19.94BtW36.330VT504R. F7.76WIB31.815VT186联合E34.32WIB40.7–VT188联合E22.86WIB34.3–200万美元限额VT101K. E36.34BtW41.840VT322K. E50.43BtW32.320VT505R. F3WIB43.7–VT509R. F4.83WIB46.9–VT515R. F4.15WIB43.7–VT189联合E19.68WIB37.2–VT191联合EN/AWIB36.1–4秒限制VT335B. M2.68WIB61.330VT135R. F11.39WIB49.3–VT138R. F6.76WIB––VT506R. F0.81WIB43.7–VT133联合EN/AWIB36–表2灌木丛测试中余烬形成的时间。测试物种类型余烬形成I限值的持续时间(s)0.5限制VT83K. EBtW1721.32VT84K. EBtW20N/AVT319K. EBtW11.916.711限值VT89K. EBtW717.5VT320K. EBtW719.94200万美元限额VT101K. EBtW1036.34VT322K. EBtW1350.43C. Ozansoy,D.P.S.Gomes/Engineering Science and Technology,an International Journal 23(2020)11091111见图4。 测试VT 329中的无火灾结果。“电线进入套管”(WiB)和“套管接触电线”(BtW)故障的阶段不同?(iv)我们能分析观察到HIF电流中的这些点火阶段吗?这项工作作出了新的贡献,通过验证,(i)布什故障与中断期间的传导不太可能开始火灾(ii)RMS故障电流的火灾产生的故障将不会有任何电流传导不稳定性(iii)布什故障经过不同阶段的点火发展之间的WiB和BtW故障(iv)这些不同的阶段可以从RMS电流和RMS电流的移动平均值的变化中观察到。租金(D I f-(v)D I中的第一个过零-之前发生图二. 火灾和非火灾情况下的LF电流比较。-rmsf-rms图三. 测试VT 329中的无火灾结果。当接地故障电流为0.5安培时,“电线进入衬套”故障的火灾风险2014年在Frankston进行的快速接地故障电流限制器(REFCL)试验[17]证明了1 kHz故障电流的可靠故障检测,建议在极端火灾风险天的故障检测灵敏度为0.5 kHz。本文所解决的研究问题集中在分析相-地衬套故障和植物点火发展之间的联系这项工作试图发现HIF电流的建立和点火发展之间的联系,布什物种接触到的导体。目前的工作旨在回答以下关键问题:(一)衬套故障经历不同阶段的点火发展?(ii)所有的相接地故障是否遵循相同的点火发展机制?(三)做到这些炭化开始于一个物种。简而言之,这里进行的实验是概念化的证据模式的行为导致植被点燃的HIFs。这有助于对这一现象的理解,有助于未来的检测技术。这些目标是通过开发一种能够指出相-地衬套故障期间观察到的特定特性的原始方法来实现的。2. 灌木种类和接地故障表1显示了0.5、1、2和4均方根(RMS)预设极限火灾产生衬套试验的集合。由于在实际接地故障中不太可能发生闪络,因此排除了导致闪络的套管试验【14】。对于0.5安培限值测试,K. Ericoides显然是最差的物种(有三次火灾发生),导致火灾形成的可能性最高。尽管K。Ericoides的含水量低于B.边缘表1显示了If达到火灾产生测试的相应0.5-4 Amps(RMS)预设值的持续时间;在不间断故障电流传导开始时测量。该分析突出了基于I f速度的火灾风险。故障电流的发展速度至关重要,因为它会影响电源中断前局部烧伤(对物种本身)的程度。作者同意马克思的观点[14]最坏的情况是当故障电流需要很长时间才能达到预设的极限,从而允许有时间点燃并释放灼热的余烬。对于测试VT 84 -191-133,If未能达到设定阈值。比较VT 083和VT 319,可以看到If达到峰值,对于直径较大的VT 319外壳,速度快0.5安培VT 101和VT 322之间的比较也是如此通过观看测试期间记录的视频[15],对于BtW测试,观察连续电火花形成的持续时间(在接触点处的初始在所有的情况下,这发生在我到达之前1112C. Ozansoy,D.P.S.Gomes/Engineering Science and Technology,an International Journal 23(2020)1109图五. 火灾和非火灾情况下的RMS比较(I限值 = 0.5安培)。预设的限制。表2显示了选定测试的持续时间。WiB故障,另一方面,被认为是迅速产生实质性的火灾在几秒钟内或几乎瞬间的导体被降低到物种。在一些WiB故障的情况下,故障迅速引起高电流。这些故障的点火和火焰发展一样快。这就提出了一个问题,即在WiB故障的情况下是否可以避免点火,而不管保护系统能够多快地清除故障。通过分析0.5 μ m极限试验,可以看出在达到预设极限之前就开始形成裂纹。 对于VT 83和VT 319,在预设限度之前,观察到物种形成显著的细菌。对于VT 84,样品燃烧得太厉害,以至于它从双导体测试装置上掉到地上。在VT 183中,即使在导体被抬起后,样品仍在燃烧。如果灵敏度达到0.5 μ m,确实可以阻止79%的故障。但是,对于21%的0.5级故障,显然需要采取不同的方法,因为五分之一的火灾风险很高。在WiB故障的情况下尤其如此,这需要一个保护系统,该系统可能会在断裂导体仍在空气中时中断电流。对于BtW故障,保护方案可以成功地显著降低火灾风险,如果它可以中断电流传导,duction早于当If峰值达到预设极限。3. 火灾观测图2认可了火灾引发试验的一个关键特征:不间断的电流传导。VT329的电流记录显示间歇性电流传导,干扰点火发展。图3示出了在VT329结束时的视频记录的快照。如图所示,测试未导致任何火灾。另一方面,VT 084的电流记录显示连续电流传导,从记录的快照中可以明显看出起火(见图10)。(4)测试结束时。从图5中的滚动RMS电流计算可以进一步观察到这种传导差异。RMS电流为零(或接近零),用于未导致着火的测试。在起火测试中,一旦测试终止,RMS电流返回到零。平均RMS值也显着更高的火灾产生的测试。这导致的结论,RMS电流连续性与故障具有较高的火灾概率。如图6所示,奇次谐波在火灾发生故障中也更明显;这是此类故障的另一个明显特征。众所周知,HIF的一个主要特征是高谐波电流含量[18,19]。多达15个奇次谐波可以可以在导致火灾的灌木丛HIF的功率谱密度分析中看到。相反,在未导致着火的故障中,4. 进行分析,以观察点火过程的各个阶段对于衬套故障,可以识别点火发展的各个阶段【14】。它们是接触的发展(第1阶段)、水分的排出(第2阶段)和渐进炭化(第3阶段)。阶段1由等离子体的逐渐增加主导,直到If达到其第一个最大值[14]。在第2阶段,由于水分的排出,故障电流下降,水分使物种变干,导致其电阻增加[14]。最后在第三阶段,炭化开始伴随着火焰的爆发。在炭化过程中,电弧出现在火焰中,引起挥发性的IF[14]。在[14]中,Marxsen将这些与“树枝上的线”植被断层联系起来本文的一个重要的新贡献是,作者已经能够将灌木断层分为三类:(i)仅1级或3级断层,(ii)三级断层和(iii)1级至3级断层。表3显示了根据一系列物种的着火发展阶段对21种灌木故障进行的分类C. Ozansoy,D.P.S.Gomes/Engineering Science and Technology,an International Journal 23(2020)11091113见图6。 火灾和非火灾情况下的奇次谐波(Ilimit = 0.5安培)。表3点火发展阶段分析。测试图案测试图案VT183阶段1、2、3VT135第一阶段? 阶段3VT504阶段1VT138阶段1、2、3VT186阶段1、2、3VT506阶段3VT188阶段1、2、3VT133第一阶段? 阶段3VT505阶段3VT83阶段1VT509阶段3VT84阶段1、2、3VT515阶段3VT319阶段1VT189第一阶段? 阶段3VT89阶段1VT191第一阶段? 阶段3VT320阶段1VT335阶段3VT101阶段1、2、3VT322阶段1、2、3图图7示出了如何将火灾的这些物理特性与故障RMS电流和梯度(RMS电流变化率)联系起来以证实索赔。图7显示了试验VT 320 -101-515的点火过程,分为三类:(a)仅第1阶段(b)第1、2、3阶段(c)仅第3阶段。 图 8至10显示了VT 320 - 101-515每次试验结束时试验种属的视频记录快照。本文提出了一种方法和相关的信号处理的发展定位这些阶段的点火发展作为一个新的贡献。如图7所示,这包括对滚动RMS电流和RMS电流的变化率的 图图7(a)中,仅显示了VT 320的第1级故障,其中在接触点处看到火花。在测试过程中,火焰延伸到接触点附近的叶片上,但不能在树枝上扩散。很可能发生了第1阶段故障,因为一旦If非常快地达到设定阈值,测试就中断了。如果故障没有中断,火灾可能会发展到第2和第3阶段。如图8中的视频快照(在测试结束时)所示,树种上的火没有延伸到树枝上方的叶子之外,并且没有观察到树枝烧焦。图7(b)显示了低速故障电流的发展,其中物种经历了所有三个阶段的火灾点燃。在阶段1,在接触点看到火花逐渐形成火焰。在第2阶段,可以观察到/听到水分排出,并伴有哨声。在第三阶段,火焰沿着树枝延伸,导致炭化。电流波动性的突然增加(炭化的迹象)在图7(b)中很明显,使研究人员能够确定阶段2-3之间的边界。如图所示,波动率开始在第一个局部最小值附近(在第一个最大值之后)达到峰值。因此,这里的权利要求是,通过识别第一最大值和最小值以及RMS电流的梯度的波动性的增加,这三个阶段可以在某种程度上区分开。全阶段故障是最坏的情况,因为由于故障电流的缓慢发展,火灾有时间点燃并释放余烬。图9示出了快照在测试结束时。如图所示,在树枝的一端可以很容易地识别图7(c)示出了仅阶段3的测试,其中由于故障电流的快速发展,火灾快速发展到阶段3,1114C. Ozansoy,D.P.S.Gomes/Engineering Science and Technology,an International Journal 23(2020)1109见图7。 火灾的发展;(a)仅第1阶段(b)第1、2、3阶段(c)仅第3阶段。C. Ozansoy,D.P.S.Gomes/Engineering Science and Technology,an International Journal 23(2020)11091115见图8。 测试VT 320的视频记录快照。见图9。 测试VT 101的视频记录快照。图十一岁VT 084的算法结果(阶段1? 两个?3)。表4第一次最大分析。但是也被电源的跳闸快速中断对于这种火灾,由于火灾是短暂的,因此观察到的火灾形成相对较低 图图10显示WiB故障时点火蔓延的程度。必须注意的是,对于任何火灾,阶段之间通常没有明确的离散设定点,即每个阶段的开始和结束不是真正精确的点。因此,此处的权利要求不是作者可以精确地指出每一个阶段,拟议的方法可以确定这些阶段之间的界限。这样的估算特别有效第二阶段和第三阶段之间的过渡。通过观看分阶段的测试视频,作者证实火焰的引发和蔓延确实开始于从第一个最大值到第一个局部最小值的斜坡上的某个地方。尽管提示了HIF过程中的不同点火阶段,Marxsen的报告[14]没有对这些观察进行任何重要的分析。所呈现的内容似乎是基于测试期间的视觉和听觉观察,见图10。 测试VT 515的视频记录快照。测试持续时间达到第一个最大值当前限值的持续时间差异VT18311.0214.563.54VT8422.68––VT1869.4534.3224.87VT18814.3922.868.47VT10121.0836.3415.26VT32223.4050.4327.03VT18917.5119.682.17VT19111.91––VT1355.6011.395.79VT1382.246.764.52VT1334.23––1116C. Ozansoy,D.P.S.Gomes/Engineering Science and Technology,an International Journal 23(2020)1109-rms--rmsSN×Ifkfori≥50001X图12个。VT191的算法结果(第1阶段?3)。以及在传导期间植被样品中的物理变化(例如由于干燥而增加的电阻)的知识本文的工作首先证明了植被样本不一定经历所有的点火阶段,并且电流信号可以被处理以产生表示限定的传导阶段之间的过渡的模式。特别是对平均故障有效值电流的滚动变化和有效值电流变化率的分析这些属性将这项工作放在一边[14],并在Marxsen报告[14]中推进了对知识的理解。所开发的方法的一个关键方面包括电流信号的信号处理以导出其RMS梯度。其结果是证明波动性增加的清晰模式是从阶段2到阶段3的故障发展的可靠指标。第5讨论了电流信号的进一步信号处理,用于计算平均RMS电流的滚动变化,从中可以识别指示不同阶段的过零这包括当前信号的信号处理,以计算其滚动RMS、其滚动平均图13岁VT 101的算法结果(第1阶段? 两个?3)。如图2和3所示,测试VT 84、VT 191和VT 101参见图11-13。选择这些测试是因为它们从未达到预设阈值。例如,对于测试VT 084,DIf-中的过零点在第27.5秒左右发生,这也对应于滚动RMS电流的第一个最大值,因此是第一阶段的结束。这种方法不能应用于仅阶段3或仅阶段1的故障。然而,这种方法适用于最坏情况下的“所有阶段”和“阶段1?3所有“阶段”和“阶段一?3”故障,所提出的方法被成功地应用于识别指示阶段1结束的第一个过零点。表4显示了第一个最大值和电流限值设定点的持续时间总结。如图所示,两个设定点之间的时间差范围从低至2.17 s到高达27.03 s。例如,在VT 322的情况下,物种在阶段1结束后经历水分排出和炭化另外27.03 s,这显著增加了落在森林床上的余烬的量。如果一个保护系统能够响应--rms 和计算的差异,在If-rms为索引的山姆-在导体与物种接触的5 s内, 81%的请。这个差给出了过零点。5. 平均滚动RMS电流中的方向D这些着火故障可以在逐渐炭化之前停止。vut1Xi2k1/k2-N1在If-rms的第一个峰值之后。这可以在接触点处的火花发展成点燃任何周围树叶的火焰之前以及在其发展成渐进的炭化之前中断火灾。设计了一种识别第一阶段交叉口的方法,包括计算平均横摇变化,RMScurrent(D I f-rms)首先,对50 ms滚动RMS电流进行COM-其中,N<$4窗口长度×采样率,其中,N<$50ms× 100; 000kS< $5; 000J在离散时间内使用Eq.然后使用等式(1)每100,000个样本(Is)对其进行平均(二)、当量(3)允许计算-1If-av jN ×If-rmsk(i≥100;000 2)k/j-N/1每第(n + 1)个和第n个索引的DIf-rms之间的差样品通过检测DIF上的第一个过零点,,近似-其中N¼100; 000--rms第一阶段和第二阶段之间的配合边界可以可靠地估计,DIf-rms¼DIf-av 我的朋友f-av jf-av ðjÞ ð3Þ(If)理想情况下,HIF必须在第2阶段开始之前检测到,即If-均方根误差C. Ozansoy,D.P.S.Gomes/Engineering Science and Technology,an International Journal 23(2020)110911176. 结论本文提出了一种分析灌木类电气故障中电流传导现象的方法。这项工作已经证明,相接地套管故障更有可能导致火灾的情况下,不间断的电流传导。对电流信号进行分析和信号处理,以获得相关性度量,例如滚动RMS电流、其梯度和滚动平均值,以分析性地证明表示在HIF期间点燃的各个阶段和增加的挥发性的模式滚动RMS电流及其梯度用于识别点火发展的阶段,包括初始接触和火花(阶段1),水分排出(阶段2),以及火焰和炭化的扩展(阶段3)。该分析使作者能够将衬套故障分为四类点火发展。这些包括(i)仅第1阶段或(ii)仅第3阶段,(iii)所有阶段和(iv)第1阶段至第3阶段故障。由于故障电流发展速度较低,导致火灾在点火发展的所有阶段进行,因此观察到所有阶段故障均为最差情况故障。本文提出了一种新的方法,通过分析滚动RMS电流和平均RMS电流的变化来估计点火发展的这些阶段。这是至关重要的,因为它导致了进一步发展的在所有11个“全阶段”和“阶段1至3”故障中,以100%的准确度检验和验证了所开发的假设结果表明,如果一个保护系统可以响应接地故障5秒内的导体接触的植被物种,然后81%的这些火灾点火故障可以停止之前,他们成长为渐进的炭化,这限制了在现实生活中的设置落在森林床上的余烬的量竞争利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作。引用[1] S. Kavaskar,N.K.Mohanty,配电网络中高阻抗故障的检测,Ain Shams Eng.J. 10(2019)5 https://doi.org/10.1016/j。asej.2018.04.006网站。[2] N.I. Elkalashy,M.Lehtonen,H.A.Darwish,文学硕士Izzularab,A.I.高阻抗电弧故障在中压电网中的建模和实验验证,IEEE Trans.Dielectr。电气绝缘14(2007)375https://doi.org/10.1109/TDEI.2007.344617[3] V. Torres , J.L. 瓜 尔 达 多 Ruiz , S. 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Ramírez,配电系统中高阻抗故障的建模,2014 IEEE国际秋季电力,电子和计算会议(ROPEC); 2014年11月5日2014年。Cagil Ozansoy获得了电气和电子工程(荣誉)工程学士学位。和他的博士学位分别于2002年和2006年获得澳大利亚墨尔本维多利亚大学研究学位。他现在是维多利亚大学工程与科学他的主要教学和研究重点是电力系统保护,特别是高阻抗故障检测。道格拉斯P.S.戈麦斯收到了B. E。2013年获得巴西马托格罗索联邦大学电气工程硕士学位,2016年获得巴西圣保罗大学他目前正在攻读博士学位。在澳大利亚墨尔本维多利亚大学获得学位他的研究兴趣是电力系统、保护、电能质量和人工智能系统。
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