專利名稱：Xlpe電力電纜在線絕緣特性判斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種判斷方法，尤其涉及一種XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)大中城市輸配電網(wǎng)逐步使用高壓電力電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的架空輸電網(wǎng)絡(luò)， 這也是智能電網(wǎng)逐步推進(jìn)和智慧城市有序?qū)崿F(xiàn)的前提。如何使電力電纜上安全穩(wěn)定的傳送電能，延長(zhǎng)電纜的使用年限就變得極其重要。電力電纜的使用年限主要是指電力電纜絕緣的使用壽命。隨著電子、計(jì)算機(jī)、光電、信號(hào)處理和各種傳感技術(shù)的發(fā)展，可對(duì)絕緣的可靠性隨時(shí)做出判斷并對(duì)絕緣的剩余壽命做出預(yù)測(cè)，從而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障。近年來(lái)不少研究者提出了一些新的在線帶電檢測(cè)電力電纜絕緣特性的方法，這些方法對(duì)早期發(fā)現(xiàn)電力電纜，特別是交聯(lián)聚乙烯電力電纜存在絕緣缺陷及老化情況很有作用。這些方法包括(1)直流疊加法在接地的電壓互感器的中性點(diǎn)處加進(jìn)低壓直流電源，使該直流電壓與運(yùn)行中電力電纜的交流電壓疊加，檢測(cè)通過(guò)電纜絕緣層的極微弱的直流電流，即可測(cè)得整條電纜的絕緣電阻，從而判斷電纜的好壞。直流疊加法的特點(diǎn)是抗干擾能力較強(qiáng)，但絕緣電阻與電纜絕緣剩余壽命的相關(guān)性并不好，分散性大。(2)直流分量法通過(guò)檢測(cè)電纜芯線與屏蔽層電流中極微弱的直流成分，對(duì)電纜中某一點(diǎn)或某一局部存在的樹(shù)枝化(水樹(shù)枝、電樹(shù)枝)絕緣缺陷進(jìn)行劣化診斷。直流分量法測(cè)得的電流極微弱，有時(shí)也不大穩(wěn)定，微小的干擾電流就會(huì)引起很大誤差。(3)介質(zhì)損耗因數(shù)法將加于電纜上的電壓用電壓互感器或分壓器取出，將流過(guò)絕緣中的工頻電流用電流互感器取出，然后在自動(dòng)平衡回路中檢測(cè)上述信號(hào)的相位差，即可測(cè)出電纜絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù)。該介質(zhì)損耗因數(shù)法操作麻煩、不易實(shí)現(xiàn)。(4)局部放電法局部放電法是利用電磁波、超聲波等信號(hào)來(lái)檢測(cè)缺陷處發(fā)生的局部放電，理論上可在線檢測(cè)，但容易受到背景干擾，在線監(jiān)測(cè)困難較大。(5)接地線電流法該方法通過(guò)在檢測(cè)通過(guò)接地線的電容電流的增量，來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。該方法簡(jiǎn)便易行，常在接地線上套以電流傳感器即可實(shí)現(xiàn)，但另一端電纜頭處的接地線在測(cè)量時(shí)要臨時(shí)斷開(kāi)。(6)低頻重疊法低頻低疊加法主要是在電纜的屏蔽層上疊加一定頻率的電壓信號(hào)，放大被測(cè)的劣化信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)劣化信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)判斷電纜劣化的程度。這種方法簡(jiǎn)單易行，可用一套設(shè)備檢測(cè)多條電纜，但缺點(diǎn)是疊加電信號(hào)會(huì)對(duì)原系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的影響。因此，我們迫切需要一種操作簡(jiǎn)單、能準(zhǔn)確判斷電力電纜絕緣特性的XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種操作簡(jiǎn)單、能準(zhǔn)確的XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法，它通過(guò)建立電力電纜的熱路模型，求得絕緣層溫度和介質(zhì)損耗，以及絕緣熱阻的關(guān)系，從而建立溫度參數(shù)與絕緣層介電常數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)當(dāng)前絕緣層的介電常數(shù)來(lái)判斷當(dāng)前電力電纜絕緣的損壞情況。XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法具體包括如下步驟第一步，獲取電力電纜某點(diǎn)處的表皮溫度和該點(diǎn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度；第二步，根據(jù)已知的當(dāng)前導(dǎo)體中流過(guò)的電流和環(huán)境溫度，計(jì)算出當(dāng)前的導(dǎo)體線芯溫度θ C = θ 0+ [T1+ (1+ λ i) *τ2+ (1+ λ i+ λ 2) * (Τ3+Τ4) ] *WC+ (0· 5* \+Τ2+Τ3+Τ4) *Wd式中θ。表示環(huán)境溫度，θ。表示導(dǎo)體線芯溫度，λ工表示金屬屏蔽損耗因數(shù)，λ 2表示鎧裝/加強(qiáng)帶損耗因數(shù)，T3表示等效外護(hù)層熱阻，W。表示單位長(zhǎng)度導(dǎo)體功率損耗，T2表示等效內(nèi)襯層熱阻，Wd表示單位長(zhǎng)度的介質(zhì)損耗，T1表示等效絕緣層熱阻，T4表示等效外部環(huán)境熱阻；第三步，根據(jù)電力電纜熱路模型計(jì)算得到導(dǎo)體線芯與絕緣層溫度差Θμ:θ; (Wc + ^Wd) ^T1式中Wc = I2^RWd=a*c*U20*tg5ω = 2* π其中W。表示單位長(zhǎng)度導(dǎo)體功率損耗，T1表示等效絕緣層熱阻，Wd表示絕緣損耗，單位瓦特每米(W/m)，I表示導(dǎo)體中流過(guò)的電流，R表示電纜導(dǎo)體的交流電阻，ω表示電壓的角頻率，C表示單位長(zhǎng)度電纜電容，Ji表示圓周率，f表示電壓頻率，U0為對(duì)地電壓(相電壓)，單位伏特(V)，
tg δ為絕緣損耗因數(shù)；第四步，通過(guò)計(jì)算得到該點(diǎn)的介電常數(shù)ε的變化情況，計(jì)算公式為ε=1%Ηθ^~ 2*Κ*Τ^Χη ( *109
Τλ*π*/*υΙ* §δ dc式中θ 表示導(dǎo)體線芯與絕緣層溫度差，I表示導(dǎo)體中流過(guò)的電流，R表示電纜導(dǎo)體的交流電阻，T1表示等效絕緣層熱阻，Ji表示圓周率，f表示電壓頻率，U0為對(duì)地電壓(相電壓)，單位伏特(V)，tg5為絕緣損耗因數(shù)，Di表示絕緣層直徑，dc表示導(dǎo)體直徑；第五步、將第四步計(jì)算得到的介電常數(shù)ε與介電常數(shù)參考表比較，得出判斷結(jié)果5. 1當(dāng)計(jì)算得到的介電常數(shù)ε減小到介電常數(shù)參考表的數(shù)字的50%時(shí)，表明存在絕緣缺陷，必須對(duì)電力電纜進(jìn)行檢修；5. 2當(dāng)計(jì)算得到的介電常數(shù)ε大于介電常數(shù)參考表的數(shù)字的50%時(shí)，表明絕緣狀態(tài)正常。上述方案，第一步中的電力電纜某點(diǎn)處的表皮溫度和該點(diǎn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度采用光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的點(diǎn)式測(cè)量得到。本發(fā)明通過(guò)光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取電力電纜某點(diǎn)處的表皮溫度和該點(diǎn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度，然后通過(guò)建立電力電纜的熱路模型，求得絕緣層溫度和介質(zhì)損耗以及絕緣熱阻的關(guān)系。從而建立溫度參數(shù)與絕緣層介電常數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)在線檢測(cè)電纜溫度就能得到當(dāng)前絕緣層的介電常數(shù)，進(jìn)而來(lái)反映當(dāng)前電纜絕緣的損壞情況，便于采取相應(yīng)的措施，做到提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)防事故的發(fā)生。


圖1是交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為電力電纜暫態(tài)熱路模型。圖3為電力電纜穩(wěn)態(tài)熱路模型。圖4為光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。圖中1、導(dǎo)體；2、導(dǎo)體屏蔽；3、絕緣層；4、絕緣屏蔽；5、金屬屏蔽；6、內(nèi)襯層；7、鎧裝層；8、外護(hù)層；9、感溫探頭，10、連接光纜，11、光連接器，12、傳輸光纜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
—種XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法，它的分析基礎(chǔ)是電力電纜的熱路模型。XLPE電力電纜(交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜電纜)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電力電纜包括導(dǎo)體1 和外護(hù)層8，在導(dǎo)體1與外護(hù)層8之間，從內(nèi)到外依次設(shè)有導(dǎo)體屏蔽2、絕緣層3、絕緣屏蔽 4、金屬屏蔽5、內(nèi)襯層6、鎧裝層7。電力電纜中主要的發(fā)熱體是導(dǎo)體，另外，電纜本身的各種損耗最終也以熱量的形式散發(fā)出去，如介質(zhì)損耗，金屬屏蔽損耗，鎧裝損耗，所以電力電纜的熱路模型中的熱源應(yīng)該包括導(dǎo)體功率損耗，介質(zhì)損耗，金屬屏蔽損耗以及鎧裝損耗。導(dǎo)體功率損耗為導(dǎo)體產(chǎn)生的損耗，介質(zhì)損耗為絕緣層產(chǎn)生的損耗，金屬屏蔽損耗為金屬屏蔽層產(chǎn)生的損耗、鎧裝損耗表示鎧裝層產(chǎn)生的損耗)，其他各層所產(chǎn)生的損耗可忽略。導(dǎo)體1發(fā)出的熱量向外擴(kuò)散，要經(jīng)過(guò)除導(dǎo)體1以外的所有結(jié)構(gòu)；介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量則要經(jīng)過(guò)金屬屏蔽層，鎧裝層，外護(hù)層等幾部分；金屬屏蔽損耗產(chǎn)生的熱量要經(jīng)過(guò)鎧裝層和外護(hù)層；而鎧裝損耗所產(chǎn)生的熱量則只經(jīng)過(guò)外護(hù)層?？紤]到導(dǎo)體線芯是采用銅或鋁等熱的良導(dǎo)體制成的，所以導(dǎo)體線芯的熱阻忽略不計(jì)，只考慮導(dǎo)體線芯的熱容；絕緣層3對(duì)既能阻礙熱量的傳播也能夠存儲(chǔ)熱量，所以應(yīng)該考慮絕緣層3的熱阻和熱容；金屬屏蔽層5和內(nèi)襯層6的熱阻也可以忽略只考慮其熱容；對(duì)于外護(hù)層8也應(yīng)該考慮其熱阻和熱容?？紤]到電力電纜中熱源的性質(zhì)，可以將熱路模型中熱源分成兩類。外部環(huán)境溫度一般情況下認(rèn)為是恒定不變的，相當(dāng)于一個(gè)恒溫源，所以外部環(huán)境在熱路模型中相當(dāng)于一個(gè)恒壓源；而導(dǎo)體線芯損耗，絕緣損耗，金屬屏蔽損耗，鎧裝損耗所產(chǎn)生的是熱量，并不是溫度(根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)到熱量=溫差/導(dǎo)熱熱阻)，所以這幾種熱源可以看作是恒流源。下面采用集中參數(shù)法(傳熱學(xué)中，當(dāng)固體內(nèi)部單位導(dǎo)熱面積上的導(dǎo)熱熱阻和單位表面積上的換熱熱阻之比較小時(shí)，可把物體中連續(xù)分布的質(zhì)量和熱容量視為集中于一點(diǎn)，該點(diǎn)的溫度為集總溫度)對(duì)其進(jìn)行建模，其熱路模型如圖2所示。其中，I\，T2，T3，T4分別表示等效絕緣層熱阻，等效內(nèi)襯層熱阻，等效外護(hù)層熱阻，等效外部環(huán)境熱阻；θ。表示導(dǎo)體線芯溫度，θ m 表示絕緣層溫度，θ s表示內(nèi)襯層溫度，θ 6表示表皮溫度，θ ο表示環(huán)境溫度；W。表示單位長(zhǎng)度導(dǎo)體功率損耗，Wd表示單位長(zhǎng)度的介質(zhì)損耗，X1表示金屬屏蔽損耗因數(shù)，入2表示鎧裝 /加強(qiáng)帶損耗因數(shù)；λ ,Wc表示單位長(zhǎng)度金屬屏蔽功率損耗；λ 2ffc表示單位長(zhǎng)度鎧裝功率損耗…。，QiAyQc^Cit等分別表示導(dǎo)體熱容，絕緣層熱容，內(nèi)襯層熱容，鎧裝熱容，外護(hù)層熱容； P和P'分別表示絕緣層熱容分配比例因數(shù)和外護(hù)層分配比例因數(shù)諷表示絕緣層直徑，d。 表示導(dǎo)體直徑，隊(duì)表示電纜外徑，DS表示外護(hù)層內(nèi)徑，(^1為導(dǎo)體線芯和絕緣層之間的等效熱容，Q2絕緣層和內(nèi)襯層之間的等效熱容，Q3內(nèi)襯層和外護(hù)層之間的等效熱容，Q4外護(hù)層等效熱容，它們的表達(dá)式如下式所示
權(quán)利要求
1.一種XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法，其特征在于該判斷方法通過(guò)建立電力電纜的熱路模型，求得絕緣層溫度和介質(zhì)損耗，以及絕緣熱阻的關(guān)系，從而建立溫度參數(shù)與絕緣層介電常數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)當(dāng)前絕緣層的介電常數(shù)來(lái)判斷當(dāng)前電力電纜絕緣的損壞情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法，其特征在于包括如下步驟第一步，獲取電力電纜某點(diǎn)處的表皮溫度和該點(diǎn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度； 第二步，根據(jù)已知的當(dāng)前導(dǎo)體中流過(guò)的電流和環(huán)境溫度，計(jì)算出當(dāng)前的導(dǎo)體線芯溫度， θ c = θ 0+ [T1+ (1+ λ J *Τ2+ (1+ λ 廣 λ 3) * (Τ3+Τ4) ] *WC+ (0· 5* \+Τ2+Τ3+Τ4) *Wd式中θ ο表示環(huán)境溫度， θ。表示導(dǎo)體線芯溫度， X1表示金屬屏蔽損耗因數(shù)， λ 2表示鎧裝/加強(qiáng)帶損耗因數(shù)， T3表示等效外護(hù)層熱阻， Wc表示單位長(zhǎng)度導(dǎo)體功率損耗， T2表示等效內(nèi)襯層熱阻， Wd表示單位長(zhǎng)度的介質(zhì)損耗； T1表示等效絕緣層熱阻， T4表示等效外部環(huán)境熱阻；第三步，根據(jù)電力電纜熱路模型計(jì)算得到導(dǎo)體線芯與絕緣層溫度差θ。m，式中 Wc = I2^R Wd=a*c*Ul*tg5 ω = 2* π >l<f其中Wc表示單位長(zhǎng)度導(dǎo)體功率損耗， T1表示等效絕緣層熱阻， Wd表示絕緣損耗，單位瓦特每米(W/m)， I表示導(dǎo)體中流過(guò)的電流， R表示電纜導(dǎo)體的交流電阻， ω表示電壓的角頻率， C表示單位長(zhǎng)度電纜電容， π表示圓周率， f表示電壓頻率，U。為對(duì)地電壓(相電壓)，單位伏特(V)， tg5為絕緣損耗因數(shù)，第四步，通過(guò)計(jì)算得到該點(diǎn)的介電常數(shù)ε的變化情況，計(jì)算公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法，其特征在于第一步中的電力電纜某點(diǎn)處的表皮溫度和該點(diǎn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度采用光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的點(diǎn)式測(cè)量得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種XLPE電力電纜在線絕緣特性判斷方法，它通過(guò)建立電力電纜的熱路模型，求得絕緣層溫度和介質(zhì)損耗，以及絕緣熱阻的關(guān)系，從而建立溫度參數(shù)與絕緣層介電常數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)當(dāng)前絕緣層的介電常數(shù)來(lái)判斷當(dāng)前電力電纜絕緣的損壞情況。本發(fā)明根據(jù)絕緣層的介電常數(shù)，進(jìn)而判斷電纜絕緣特性，了解電纜絕緣的損壞情況，便于采取相應(yīng)的措施，做到提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)防事故的發(fā)生。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102539964SQ201110432039
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者劉芙蓉, 周次明, 唐愛(ài)紅, 姜德生, 梁世興, 潘涵, 龔偉 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)