CN106680674B - 一种电缆接头绝缘状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆接头绝缘状态评估方法，该方法包括：建立电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程；分析电缆接头绝缘内部气隙放电过程中的微观粒子化学反应；依据所述控制方程和微观粒子化学反应建立电缆接头放电的等离子体化学模型；对电缆接头放电的等离子体化学模型进行求解，评估电缆接头绝缘裂化状态。该方法实现获取电缆接头绝缘状态。

Description

一种电缆接头绝缘状态评估方法

技术领域

本发明涉及电缆接头技术领域，特别是涉及一种电缆接头绝缘状态评估方法。

背景技术

目前，高压交联聚乙烯电力电缆接头在制作，敷设以及运行过程中难免会产生气隙、杂质、凸起毛刺等缺陷，而这些缺陷在运行过程中会造成局部电场集中，形成的局部高场强区域，在电场强度高的区域发生了空间电荷的注入现象，使得绝缘老化最终形成了微小的充满气体的放电微孔或者通道，而在微孔或者通道中局部放电的引发的一系列化学与物理反映使得周围的绝缘材料不断降解，扩大了放电通道，并且局部放电产生的空间电荷加强了局部的场强，使得内部气隙逐渐扩大，最终将导致绝缘层的完全击穿形成贯穿整个绝缘层的放电通道，造成电缆接头发生爆炸等严重事故，给电力系统的稳定安全运行造成威胁。

为了在运行过程中掌握电缆绝缘的运行状况，及时发现树枝化现象以避免事故的发生，有必要对交联聚乙烯电力电缆绝缘层中局部放电过程进行深入分析同时寻找到表征电缆接头绝缘材料裂化砖头的物理参量，为电缆接头绝缘状态的评估提供理论参考。然而现有技术中没有对电缆接头绝缘状态评估方法，无法获取电缆接头绝缘状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种电缆接头绝缘状态评估方法，以实现获取电缆接头绝缘状态。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电缆接头绝缘状态评估方法，该方法包括：

建立电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程；

分析电缆接头绝缘内部气隙放电过程中的微观粒子化学反应；

依据所述控制方程和微观粒子化学反应建立电缆接头放电的等离子体化学模型；

对电缆接头放电的等离子体化学模型进行求解，评估电缆接头绝缘裂化状态。

优选的，所述建立电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程之前，还包括：

建立电缆接头气隙放电物理模型。

优选的，所述控制方程包括：泊松方程、拉普拉斯方程、电子运输方程、电子能量运输方程和重离子运输方程。

优选的，所述建立电缆接头气隙放电物理模型，包括：

根据电缆接头内部气隙放电微通道直径特征为毫米级，将电缆接头内部绝缘缺陷简化为一维线性模型。

优选的，所述评估电缆接头绝缘裂化状态，包括：

依据电缆接头在不同气隙长度下的放电情况，统计在每个工频周期内的正半周放电脉冲次数N1和负半周放电脉冲次数N2；

将单个工频周期内的总放电脉冲次数N进行记录；N＝N1+N2；

绘制得到单个工频周期内总放电脉冲次数N随气隙长度变化的曲线，分析放电特征，计算评估得到电缆接头绝缘裂化状态。

优选的，所述对电缆接头放电的等离子体化学模型进行求解，包括：

依据等离子体化学模型中方程特点，给出求解方程相应的边界条件，包括二次电子发射边界、表面电荷积累边界、以及外部施加电压与接地边界，利用边界条件对等离子体化学模型进行求解。

优选的，所述分析电缆接头绝缘内部气隙放电过程中的微观粒子化学反应之后，还包括：建立微观粒子化学反应方程。

本发明所提供的一种电缆接头绝缘状态评估方法，建立电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程；分析电缆接头绝缘内部气隙放电过程中的微观粒子化学反应；依据所述控制方程和微观粒子化学反应建立电缆接头放电的等离子体化学模型；对电缆接头放电的等离子体化学模型进行求解，评估电缆接头绝缘裂化状态。可见，该方法通过电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程和微观粒子化学反应来建立电缆接头放电的等离子体化学模型，即通过分析电缆接头在发生放电时等离子体下的多种微观粒子化学反应和反应需要的能量，建立起基于等离子体化学模型，再通过对模型的求解，评估得到电缆接头绝缘裂化状态，实现获取电缆接头绝缘状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种电缆接头绝缘状态评估方法的流程图；

图2为电缆接头绝缘状态评估方法具体流程图。

图3为不同缺陷长度下的单个周期中总放电脉冲次数。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电缆接头绝缘状态评估方法，以实现获取电缆接头绝缘状态。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种电缆接头绝缘状态评估方法的流程图，该方法包括：

S11：建立电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程；

S12：分析电缆接头绝缘内部气隙放电过程中的微观粒子化学反应；

S13：依据控制方程和微观粒子化学反应建立电缆接头放电的等离子体化学模型；

S14：对电缆接头放电的等离子体化学模型进行求解，评估电缆接头绝缘裂化状态。

可见，该方法通过电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程和微观粒子化学反应来建立电缆接头放电的等离子体化学模型，即通过分析电缆接头在发生放电时等离子体下的多种微观粒子化学反应和反应需要的能量，建立起基于等离子体化学模型，再通过对模型的求解，评估得到电缆接头绝缘裂化状态，实现获取电缆接头绝缘状态。

基于上述方法，具体的，建立电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程之前，还包括：建立电缆接头气隙放电物理模型。建立电缆接头气隙放电物理模型的过程为：根据电缆接头内部气隙放电微通道直径特征为毫米级，将电缆接头内部绝缘缺陷简化为一维线性模型。

其中，控制方程包括：泊松方程、拉普拉斯方程、电子运输方程、电子能量运输方程和重离子运输方程。

进一步的，步骤S14中，评估电缆接头绝缘裂化状态的过程采用以下步骤实现：

S1：依据电缆接头在不同气隙长度下的放电情况，统计在每个工频周期内的正半周放电脉冲次数N1和负半周放电脉冲次数N2；

S2：将单个工频周期内的总放电脉冲次数N进行记录；N＝N1+N2；

S3：绘制得到单个工频周期内总放电脉冲次数N随气隙长度变化的曲线，分析放电特征，计算评估得到电缆接头绝缘裂化状态。其中，依据曲线分析放电特征，计算评估得到电缆接头绝缘裂化状态。

进一步的，步骤S13中，对电缆接头放电的等离子体化学模型进行求解的过程具体为：依据等离子体化学模型中方程特点，给出求解方程相应的边界条件，包括二次电子发射边界、表面电荷积累边界、以及外部施加电压与接地边界，利用边界条件对等离子体化学模型进行求解。

进一步的，步骤S12中，分析电缆接头绝缘内部气隙放电过程中的微观粒子化学反应之后，还包括：建立微观粒子化学反应方程。具体的，依据控制方程和微观粒子化学反应方程组合成电缆接头放电的等离子体化学模型。

本方法通过分析电缆接头在发生放电时等离子体下的多种微观粒子化学反应和反应需要的能量，建立起基于等离子体化学模型。通过对模型的求解，计算不同缺陷长度下的放电脉冲次数，分别统计正半周放电脉冲次数N1和负半周放电脉冲次数N2，并将单个周期内的总放电脉冲次数N(N＝N1+N2)数据进行记录，根据统计计算的结果分析放电特征，计算评估得到电缆接头绝缘裂化状态。

基于上述方法，具体包括以下步骤：

(1)建立电缆接头气隙放电物理模型。根据电缆接头内部气隙放电微通道直径特征为毫米级，将电缆接头内部绝缘缺陷简化为一维线性模型；

(2)建立电力电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程。电缆接头内部气隙放电属于冷等离子放电，建立起其内部的控制方程，包括泊松方程，拉普拉斯方程，电子运输方程、电子能量运输方程和重离子运输方程。

(3)建立电缆接头绝缘内部气隙放电过程涉及化学反应方程。考虑电缆接头内部气隙放电过程主要化学气体为空气，建立e、N2、O2、O、O3、O-、N2+、O2+、O2-、N4+、O4+、N2O2+种粒子中化学反应。

(4)求解电缆接头放电的等离子化学模型。依据建立模型中方程特点，给出求解方程相应的边界条件，包括二次电子发射边界，表面电荷积累边界，以及外部施加电压与接地边界。

(5)评估电缆接头绝缘裂化程度，依据计算结果，统计计算不同缺陷长度下的放电脉冲次数，评估得到电缆接头绝缘裂化状态。

其中，泊松方程为描述电缆接头绝缘内部气隙放电时存在电子、正离子和负离子时的空间电场方程。拉普拉斯方程为描述电缆接头固体绝缘介质中不存在空间电荷分布的电场描述方程。电子运输方程、电子能量运输方程和重离子运输方程描述了绝缘内部气隙中电子，重离子运动以及能量输运过程。化学反应方程描述在电缆接头内部气隙的放电过程中涉及的主要化学反应过程，该方程中描述了粒子之间相互反应速率以及反应释放和吸收能量。

其中，求解方程的边界条件是指给出电缆接头放电过程中施加电压荷接地边界条件，以及等离子体化学反应中电子电荷守恒的二次电子发射条件与电荷积累的表面电荷累积边界条件。

更详细的，参考图2，本发明包括以下步骤：

步骤一，建立电缆接头气隙放电物理模型。基于目前研究得到电缆接头内部气隙尺寸在微米级，对比电缆接头尺寸，忽略电缆接头绝缘材料气隙发展过程中分形特征，建立用一维线模型。

步骤二，建立电力电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程。根据电缆接头接头绝缘内部气隙缺陷放电过程中，气体被电离，将产生电子、正离子和负离子。建立描述空间电场分布泊松方程：

式中，

为电势；ε₀和ε_r分别为真空介电常数和相对介电常数；ρ为电荷密度；n_p、n_n和n_e分别为正离子数密度、负离子数密度和电子数密度；E为电场。

考虑电缆接头固体绝缘介质中不存在空间电荷，其方程简化为拉普拉斯方程形式：

基于电缆接头绝缘内部气隙放电通道的形成和发展过程中涉及粒子的产生、消失以及运动，采用电子运输方程、电子能量运输方程和重离子运输方程进行描述：

1、电子运输方程如下：

式中，n_e为电子数密度；t为时间；e为电子通量；Re为电子产生和消失的反应源项；De为电子的扩散系数；μe为电子在电场中的迁移率；φ为空间电位；M为电子产生或消失的化学反应类型数量；x_j为化学反应j中目标产物的摩尔分数；k_j为化学反应j的反应速率系数；Nn为中性粒子的总密度。

2、电子能量运输方程如下：

式中，n_ε为电子能量密度；t为时间；Γ_ε为电子能量通量；E为空间电场；R_ε为电子碰撞引起的能量损失源项；D_ε为电子能量扩散系数；μ_ε为电子能量迁移率；P为电子非弹性碰撞的化学反应数量；Δε_j为化学反应j的能量损失。

3、重粒子运输方程如下：

式中，ρ为气体密度；w_k为第k种粒子的质量分数；u为质量平均的流体速度向量；jk为第k种粒子的扩散质量通量向量；Rk为第k种粒子的反应源项。

步骤三，建立电缆接头绝缘内部气隙放电过程涉及化学反应方程。考虑电缆接头发生局部放电时电缆接头内部气隙中气体类型及其结合化学反应的类型，建立e、N₂、O₂、O、O₃、O-、N₂ ⁺、O₂ ⁺、O₂ ^-、N₄ ⁺、O₄ ⁺、N₂O₂ ⁺种粒子中化学反应。

步骤四，求解电缆接头放电的等离子化学模型。依据建立模型中方程特点，给出求解方程相应的边界条件，包括二次电子发射边界，表面电荷积累边界，以及外部施加电压与接地边界。

步骤五，评估电缆接头绝缘裂化程度。依据电缆接头在不同气隙长度下放电，统计在每个工频周期下正半周放电脉冲次数N1和负半周放电脉冲次数N2，并将单个周期内的总放电脉冲次数N(N＝N1+N2)进行记录，绘制得到绝缘内部气隙放电单个周期内总放电脉冲次数N随气隙长度变化的曲线如图3所示。

其中，依据图3，根据统计数据分析可以将电缆接头绝缘内部气隙放电过程分为四个阶段：初始阶段，气隙长度小于1mm,放电次数呈现下降趋势；发展阶段气隙长度在1.1～3mm，单个周期内的总放电脉冲次数曲线呈小幅上升变化趋势；预计穿阶段1，绝缘气隙长度在3.1～4.2mm，此阶段放电次数呈现略微下降趋势，预计穿阶段2，气隙长度大于4mm.总放电脉冲次数呈指数函数迅速增大。

以上对本发明所提供的一种电缆接头绝缘状态评估方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电缆接头绝缘状态评估方法，其特征在于，包括：

根据电缆接头内部气隙放电微通道直径特征为毫米级，将电缆接头内部绝缘缺陷简化为一维线性模型；

建立电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电的控制方程；

分析电缆接头绝缘内部气隙放电过程中的微观粒子化学反应；

依据所述控制方程和微观粒子化学反应建立电缆接头放电的等离子体化学模型；

对电缆接头放电的等离子体化学模型进行求解，得到电缆接头在不同气隙长度下的放电情况，根据所述放电情况评估电缆接头绝缘裂化状态；

其中，所述根据所述放电情况评估电缆接头绝缘裂化状态包括：

依据电缆接头在不同气隙长度下的放电情况，统计在每个工频周期内的正半周放电脉冲次数N1和负半周放电脉冲次数N2；

将单个工频周期内的总放电脉冲次数N进行记录；N＝N1+N2；

绘制得到单个工频周期内总放电脉冲次数N随气隙长度变化的曲线，分析放电特征，计算评估得到所述电缆接头绝缘裂化状态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制方程包括：泊松方程、拉普拉斯方程、电子运输方程、电子能量运输方程和重离子运输方程。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对电缆接头放电的等离子体化学模型进行求解，包括：

依据等离子体化学模型中方程特点，给出求解方程相应的边界条件，包括二次电子发射边界、表面电荷积累边界、以及外部施加电压与接地边界，利用边界条件对等离子体化学模型进行求解。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述分析电缆接头绝缘内部气隙放电过程中的微观粒子化学反应之后，还包括：建立微观粒子化学反应方程。

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