CN104834765A - 基于有限元电场分析的电力电缆附件状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于有限元电场分析的电力电缆附件状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对正在运行的电力电缆附件进行状态检测，并初步确定可能异常运行的电力电缆附件；步骤二：获取可能存在运行状态异常的电力电缆附件的属性信息；步骤三：利用有限元仿真软件ANSYS建立需要分析的电力电缆附件的两种模型，包括模型1：设计结构尺寸模型，及模型2：运行结构尺寸模型；步骤四：确定电力电缆附件模型的边界条件的数学模型；步骤五：进行有限元计算，输出计算节点的电场强度数据结果；步骤六：对两种模型文件的电场强度数据进行对比及分析；从而得到状态检测结果。本发明方法能够对电力电缆附件进行准确的定量分析。

Description

基于有限元电场分析的电力电缆附件状态评估方法

技术领域

本发明涉及用于电力系统的电力电缆附件，具体涉及一种基于有限元电场仿真分析技术的电力电缆附件状态评估的方法。

背景技术

有限元分析的广泛应用来自于工程应用发展的压力，如产品制造规模的不断扩大、产品设计制造的复杂性和难度的不断增加及产品种类的多样化。这些都要求对电气设备或其部件进行高精度的定量计算和优化设计。目前，有限元法电磁计算在电气工程中的应用非常广泛，包括各个方面，内容极其丰富，如电机的电磁分布、电磁力、变形、转子运动、动态变化过程以及电力电子装置相结合等情况下的分析和特性预测及电机参数的计算等。有近年来较新的内容、如转动调节器的计算等。还有变压器以及其它电力系统元件，如高压绝缘子、高压线圈、输电线电缆、接地系统、输电线和配电线的外部磁场等的分析。有感应加热、电磁搅拌、冶炼过程的电磁分离选料，具有分布式参数的天线的计算等。还有一些较新的产品开发和研究项目，如核磁共振成像系统磁体、磁电磁物体发射以及电磁对人体影响等的计算分析。

电力电缆附件是连接电缆与输配电线路及相关配电装置的产品，一般指电缆线路中各种电缆的中间连接及终端连接，它与电缆一起构成电力输送网络；电缆附件主要是依据电缆结构的特性，既能恢复电缆的性能，又保证电缆长度的延长及终端的连接。电缆附件的连接方式一般分为终端连接及中间连接，终端连接分为户内终端和户外终端，一般情况户外终端是指露天电缆接头，户内终端是指室内连接电缆与电气设备的接头；中间连接分为直通式和绝缘式两种。所用材料一般为硅橡胶或乙丙橡胶。主要采用几何结构法即应力锥来处理应力集中问题。其主要优点是材料性能优良，安装更简便快捷，无需加热即可安装，弹性好，使得界面性能得到较大改善。

目前，国内外对电网大停电事故的原因主要在电力设备自身故障引发电网事故。电力设备安全是电网安全的第一道防线，电力设备故障一直是危及整个电网安全的最主要因素之一。随着西电东送、南北互供、全国联网的推进，保证电网安全稳定运行工作面临巨大挑战，电力设备安全运行是电网安全稳定运行的基础，尤其是作为电力系统的关键枢纽设备，电力电缆附件作为大型电力设备的一种，其健康水平和运行状况好坏直接关系到电网运行的安全与稳定。电力电缆附件一旦发生故障可能会造成设备资产和大停电等巨大损失，甚至会产生严重的社会影响。因此，提高电力电缆的运行维护和检修水平，预防和降低故障的发生几率，并采用合理的检修策略降

国网公司十一五、十二五期间对电力设备的检修加大了研究力度，并提出了《电力设备带电检测技术规范》、，《电力设备带电检测仪器配置原则》，《国网公司电缆线路状态检修导则》，《国网公司电缆线路状态评价导则》等一系列标准导则。但限于过度依靠检测设备及运维人员经验来评判电缆附件设备的状态，评估方法严重依靠经验，无实际分析数据支撑。

有鉴于此，本发明提供一种基于有限元电场分析的电力电缆附件状态评估方法，以满足实际应用需要。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种电力电缆附件运行状态是否健康的评估方法，所述电力电缆附件包括电力电缆中间接头、电力电缆瓷套终端、电力电缆复合套终端、电力电缆硅橡胶全预制式终端等。

本发明所采用的技术方案是：基于有限元电场分析的电力电缆附件状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对正在运行的电力电缆附件进行状态检测，并初步确定可能异常运行的电力电缆附件，此步骤中初步确定其运行状态可能异常的手段包括目测、红外热成像、局部放电带电测试、紫外成像运检技术；

步骤二：获取可能存在运行状态异常的电力电缆附件的属性信息，主要包括：附件类型，附件的设计结构尺寸，附件的运行结构尺寸，附件各部分材料属性；

步骤三：利用有限元仿真软件ANSYS建立需要分析的电力电缆附件的两种模型，包括模型1：设计结构尺寸模型，及模型2：运行结构尺寸模型，根据Poisson方程和电流连续方程得到相应的变分公式：

               （1）

             （2）

式中为介质介电系数；为静态电位；为漏电流电位，k为正整数；V为求解区域；S为包围求解区域的闭合面；n为闭合面法向量；

步骤四：确定电力电缆附件模型的边界条件的数学模型，由( 1 )和( 2 )式得到电场计算的边值条件为：

（3）

式( 3 )即为描述介质电场问题的数学模型；C为电场或电流场引起的第二类边界条件，当电导率≠0时，数学模型由电场和电流场的变分公式构成；当= 0时，即为电场数学模型；

步骤五：基于式( 3 )的边值条件，根据已建好的电缆附件模型及安装几何尺寸，赋值附件类型及材料介电特性参数；设置电力电缆附件的网格剖分区域、自动剖分、边界条件；自动用有限元法离散并解析方程组，进行有限元计算，输出计算节点的电场强度数据结果；

步骤六：通过MATLAB的数据处理功能对两种模型文件的电场强度数据进行对比，找到数据差异区，并对此区域内的电场强度变化最大的数据组—模型1的电场强度E（x_1max，y_1max）及模型2的电场强度E（x_2max，y_2max）进行分析；分析的原则为：1）E（x_2max，y_2max）/ E（x_1max，y_1max）≤200%，且E（x_2max，y_2max）≤2kV/mm，认为电力电缆附件的运行状态基本正常，属健康状态；2）E（x_2max，y_2max）/ E（x_1max，y_1max）≥200%或E（x_2max，y_2max）≥2kV/mm，认为电力电缆附件的运行状态异常，应尽快停电检修。

本发明的有益效果是：本发明基于有限元电场分析的电力电缆附件状态评估方法，突破了现有的依靠检测设备及运维人员经验评判电缆附件设备的状态，能够对电力电缆附件（包括电力电缆中间接头、电力电缆瓷套终端、电力电缆复合套终端及电力电缆硅橡胶全预制式终端）进行准确的定量分析，避免了电力电缆附件状态评估方法严重依靠经验，无实际分析数据支撑的缺点，使电力系统运维人员能够有计划的对电力电缆附件进行检修，大大的提高了电力系统的运行可靠性。

附图说明

图1为本发明的评估方法流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

图1是本实施例评估方法的流程图，本实施例的一种基于有限元电场分析的电力电缆附件状态评估的方法，包括以下步骤：

（1）对正在运行的电力电缆附件进行状态检测，主要的技术手段是目测、红外热成像、局部放电带电测试、紫外成像等。

（2）根据已有的状态评价规则，初步确定可能异常运行电力电缆附件。

（3）获取可能存在运行状态异常的电力电缆附件的属性信息。主要包括：附件类型，附件的设计结构尺寸，附件的运行结构尺寸，附件各部分材料属性等。

(4)利用有限元仿真软件ANSYS建立需要分析的电力电缆附件的2种模型，包括：设计结构尺寸模型(模型1)及运行结构尺寸模型(模型2)，根据Poisson方程和电流连续方程可以得到相应的变分公式：

式中∈为介质介电系数；为静态电位；为漏电流电位，k为正整数；V为求解区域；S为包围求解区域的闭合面；n为闭合面法向量。

（5）确定电力电缆附件模型边界条件的数学模型。

由( 1 )和( 2 )式得到电场计算的边值条件为： 

（3）

式( 3 )即为描述介质电场问题的数学模型；C为电场或电流场引起的第二类边界条件。当电导率≠0时，数学模型由电场和电流场的变分公式构成；当= 0时，即为电场数学模型。

（6）基于式( 3 )的边值条件，根据已建好的的电力电缆附件模型及安装几何尺寸，赋值电力电缆附件材料介电特性参数，包括材料的电导率及介电常数。

（7） 设置电力电缆附件的网格剖分区域、自动剖分。

（8）设置电力电缆附件的边界条件。

（9）自动用有限元法离散并解析方程组，进行有限元计算，输出计算节点的电场强度数据结果。

（10）通过MATLAB的数据处理功能对2种模型文件的电场强度数据进行对比，找到数据差异区，并对此区域内的电场强度变化最大的数据组—模型1的电场强度E（x_1max，y_1max）及模型2的电场强度E（x_2max，y_2max）进行分析。分析的原则为：1）E（x_2max，y_2max）/ E（x_1max，y_1max）≤200%，且E（x_2max，y_2max）≤2kV/mm（考虑环境因素对空气击穿场强的影响），可以认为电力电缆附件的运行状态基本正常，属健康状态；2）E（x_2max，y_2max）/ E（x_1max，y_1max）≥200%或E（x_2max，y_2max）≥2kV/mm（考虑环境因素对空气击穿场强的影响），认为电力电缆附件的运行状态异常。

（11）按上述规则评价后，给出定量的计算结果、分析结果及处理建议。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.基于有限元电场分析的电力电缆附件状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对正在运行的电力电缆附件进行状态检测，并初步确定可能异常运行的电力电缆附件，此步骤中初步确定其运行状态可能异常的手段包括目测、红外热成像、局部放电带电测试、紫外成像运检技术；

步骤二：获取可能存在运行状态异常的电力电缆附件的属性信息，主要包括：附件类型，附件的设计结构尺寸，附件的运行结构尺寸，附件各部分材料属性；

步骤三：利用有限元仿真软件ANSYS建立需要分析的电力电缆附件的两种模型，包括模型1：设计结构尺寸模型，及模型2：运行结构尺寸模型，根据Poisson方程和电流连续方程得到相应的变分公式：

               （1）

            （2）

式中为介质介电系数；为静态电位；为漏电流电位，k为正整数；V为求解区域；S为包围求解区域的闭合面；n为闭合面法向量；

步骤四：确定电力电缆附件模型的边界条件的数学模型，由( 1 )和( 2 )式得到电场计算的边值条件为：

（3）

式( 3 )即为描述介质电场问题的数学模型；C为电场或电流场引起的第二类边界条件，当电导率≠0时，数学模型由电场和电流场的变分公式构成；当= 0时，即为电场数学模型；

步骤五：基于式( 3 )的边值条件，根据已建好的电缆附件模型及安装几何尺寸，赋值附件类型及材料介电特性参数；设置电力电缆附件的网格剖分区域、自动剖分、边界条件；自动用有限元法离散并解析方程组，进行有限元计算，输出计算节点的电场强度数据结果；

步骤六：通过MATLAB的数据处理功能对两种模型文件的电场强度数据进行对比，找到数据差异区，并对此区域内的电场强度变化最大的数据组—模型1的电场强度E（x_1max，y_1max）及模型2的电场强度E（x_2max，y_2max）进行分析；分析的原则为：1）E（x_2max，y_2max）/ E（x_1max，y_1max）≤200%，且E（x_2max，y_2max）≤2kV/mm，认为电力电缆附件的运行状态基本正常，属健康状态；2）E（x_2max，y_2max）/ E（x_1max，y_1max）≥200%或E（x_2max，y_2max）≥2kV/mm，认为电力电缆附件的运行状态异常，应尽快停电检修。