CN108445363A - 一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法，选用Ansoft仿真软件对电力电缆进行电场仿真分析，基本方法选取有限元分析法，在求解器中选择静电场求解。模拟电缆运行中主要遇到的故障类型(包括具有气隙的电缆，具有水缝隙的电缆，钢钉扎入的电缆和电缆外绝缘层破损)，通过传感器测量实际电场值，计算出电场分布，对照仿真结果来判断是否运行正常或有缺陷。本发明可实现城网电缆绝缘缺陷的检测，降低电缆运行的风险和损耗，提高电力系统输配电的可靠性。

Description

一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，特别涉及一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法。
背景技术
随着电力系统的不断发展，尤其是城市电网结构变得更加复杂，之前的架空线路形式在如今城市建设中已被逐步替代，电缆已经成为电网建设中的主力军。电缆在电网中的占比逐步提高，其运行的安全稳定性就显得十分重要。但是由于在电缆的生产、安装的过程中不可避免的会发生损伤，导致由电缆绝缘损伤引起的停电事故十分频繁，严重影响了电网的可靠运行。并且电缆长时间、高负荷在地下的恶劣环境下工作，常发生机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化、过电压、过热及产品本身缺陷等。因此，对电缆绝缘缺陷的检测显得尤为重要，通过正确高效地检测故障并及时排除，提高了电缆运行的可靠性。
目前，利用状态检修停电时对电缆的常规性试验，此方法存在着一定局限性，主要为两个方面：首先，试验都是在停电情况下进行，而对国网公司现在的供电可靠性的重要性来说，停电的现象是我们极力避免的；其次，试验一般是对全部电缆开展试验，属于破坏性试验，某些原本良好的电缆由于多次在高于额定电压情况下进行试验会导致电缆绝缘的更加快速老化。此类方法降低供电可靠性、脱离运行环境、造成电缆的二次破坏。同理国内缺乏电缆在线监测结构判据，加上现场干扰，方法本身存在一些缺陷及监测装置的精确制约等问题，仅用单一方法通常无法准确进行电缆绝缘状态评估，从而导致评估诊断存在不确定性。
发明内容
因此本发明目的是提出一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法。本方法选用Ansoft仿真软件对10kv电力电缆进行电场仿真分析，基本方法选取有限元分析法，在求解器中选择静电场求解。针对现今的XLPE电缆运行中主要遇到的故障类型(如绝缘老化，针尖扎入等)加以分析，以电缆常见的几种缺陷进行电场仿真。本发明方法通过建立电缆仿真模型，分别对电缆正常运行时以及几种常见缺陷发生时的电场分布进行仿真分析，进而可以对比发现电缆所遇到的绝缘缺陷类型。
具体地，为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法，包括以下步骤：
(1)根据实际电缆建立电缆仿真模型，从内到外依次为：铜芯、绝缘层、半导体层、铜屏蔽层、钢带铠装层和护套；
(2)在电缆仿真模型的基础上选择静电场求解器；电缆导体上加载电压激励，在导体周围将产生电场，由于低频电压下电场随时间变化缓慢，分析时可将其近似看做静电场，静电场的基本方程如下式所示。
∮E·dl＝0
∮D·dS＝0
式中，E为导体周围电场强度,D为电位移矢量,ρ为电荷密度，dl为长度微元，dS为面积微元，为哈密顿算子。
(3)在静电场下，仿真获得无电缆绝缘缺陷的电缆横向电场分布及径向电场分布结果，几种典型绝缘缺陷下的电缆横向电场分布及径向电场分布结果；几种典型绝缘缺陷包括具有气隙的电缆，具有水缝隙的电缆，钢钉扎入的电缆和电缆外绝缘层破损。
(4)采用三维电场传感器探头测量电缆线路中的电场值，获得实测电缆的横向电场分布及径向电场分布结果；
(5)将步骤(4)获得的仿真结果与步骤(3)中的结果进行比较，判断电缆线路是否出现绝缘缺陷。
采用本发明的方法可以通过对比电缆运行时的电场分布图和正常运行或故障运行时的电场分布图，诊断出电缆是否处于正常运行状态或其所发生的故障类型，实现检测城网电缆绝缘缺陷的目的。
本发明的方法基于建立电缆周围的电场分布模型，实现城网电缆绝缘缺陷的检测，降低电缆运行的风险和损耗，提高电力系统输配电的可靠性。
附图说明
图1是电力电缆终端三维物理仿真模型；
图2是电缆正常运行电场分布图；
图3是具有气隙的电缆电场分布图；
图4是具有水缝隙的电缆电场分布图；
图5是钢钉扎入电缆的电场分布图；
图6是电缆外绝缘层破损的电场分布图；
图7是三维电场传感器结构示意图；
图8是对某一未知运行状态电缆所测得的径向电场拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
(1)建立电缆仿真模型，从内到外依次为：铜芯、绝缘层、半导体层、铜屏蔽层、钢带铠装层和护套(如图1所示)；根据实际建立电缆仿真模型，其终端参数为：铜芯半径为5.7mm，绝缘层厚度为5.3mm，半导体层厚度为0.7mm，铜屏蔽层厚度为0.5mm，钢带铠装层厚度为1mm，护套厚度为8mm。电力电缆铜芯采用的是紧压铜导体，绝缘层采用的是超净化交联聚乙烯材料，介电常数为2.25，电导率为0。
(2)在电缆仿真模型的基础上建立静电场求解器；电缆导体上加载电压激励，在导体周围将产生电场，由于低频电压下电场随时间变化缓慢，分析时可将其近似看做静电场。
(3)在电缆仿真模型中采用静电场求解器，建立无电缆绝缘缺陷时的电缆横向电场分布及径向电场分布结果，和电缆绝缘缺陷时的电缆横向电场分布及径向电场分布结果；电缆绝缘缺陷包括具有气隙的电缆，具有水缝隙的电缆，钢钉扎入的电缆和电缆外绝缘层破损。
1)电缆正常运行时周围电场分布
根据实际电缆模型建立仿真模型，选择静电场求解器，内层铜芯电压设为14140v，屏蔽层接地设电压为0v，电缆长度取为200mm，得到的正常运行电缆横向电场分布及径向电场分布如图2所示。
从图2可以看出越靠近电缆铜芯位置电场强度越大，最大电场约为3.6×106v/m，屏蔽层外的电场为0v/m，屏蔽层上电场几乎为0v/m，这是因为半导体屏蔽层具有屏蔽电场的作用。从图2可以精确地确定电缆延半径方向电场变化，铜芯内部与屏蔽层外部电场强度为0v/m，绝缘层电场变化接近为以直线。
2)具有气隙的电缆电场分布
设置割伤角度为0.174rad，半径为3mm，长度为10mm的一扇形缺陷。当气隙靠近铜芯，且破坏半导体屏蔽层时，其仿真结果如图3(a)所示。因为电缆存在气隙，导致的缺陷附近电场产生了畸变，其中屏蔽层附近电场畸变最为明显。具有气隙的电缆延半径方向的电场分布曲线如图3(b)所示。与电缆正常运行相比较，电缆屏蔽层附近电场产生了畸变，屏蔽层电场大约为2.6×106v/m。
3)具有水缝隙的电缆电场分布
将气隙改成水隙，其他条件不变，其仿真结果如图4所示。在水缝隙条件下整个电缆的电场发生了畸变，电场强度减小；从径向电场分布曲线可以看出，电缆铜芯处径向电场减小，至半导体层处电场强度开始增大，在铜屏蔽层处达到最大值，约为7.5×106v/m。
4)钢钉扎入电缆的电场分布
建立以深为6mm，厚度为2mm，幅度为0.087rad的扇形钢钉，其仿真结果如图5所示。钢钉扎入电缆主绝缘后，钢钉附近电场发生畸变，整个区域不再是铜芯延半径向外电场逐渐减小，在钢钉针尖处电场强度最大，大约为1.2×107v/m。
5)电缆外绝缘层破损的电场分布
建立深为6mm，厚度为2mm，幅度为0.087rad的空气隙替换电缆对应绝缘体来模拟电缆外绝缘破损，其仿真结果如图6所示。当电缆外绝缘破损时，破损处与空气相接触，电场发生剧烈畸变，整个区域由铜芯延半径向外电场逐渐减小变为平滑的尖顶状，在破损最深处电场强度最大，大约为1.33×107v/m。
(4)采用三维电场传感器探头测量电缆线路中的电场值，结合静电场求解器，获得实测电缆的横向电场分布及径向电场分布结果；所述三维电场传感器探头，由相互绝缘的六个对称电极构成的球型结构，实际上是由三个电容探头集成的传感器，如图7所示。图7中右图为一维电容的结构图。采用球型探头具有表面感应电荷与电场强度的关系易于计算电场，在给定的传感器尺寸下探头在场域中引起的畸变量小和由电场矢量的分量Ex、Ey和Ez易于确定电场的大小等优点。
(5)将步骤(4)获得的结果与步骤(3)中的结果进行比较，判断电缆线路是否出现绝缘缺陷。
在以上方法中，可以将三维电场传感器搭载在可移动机器人上，机器人沿着电缆平稳运行，每隔20cm对采集到的电场值进行一次分段处理并通过无线通信将测得的值传输返回至后台，这样工作人员便能将所得数据进行处理分析并绘制成曲线，进一步可通过对比判断出电缆某处的运行状况或其所发生的缺陷类型。
现使用新型三维电场传感器于某未知缺陷电缆沿其某一径向取若干点对电场强度参数进行测量，将测量所得的E-Distance点经过曲线拟合描绘至如图8所示。
由图8分析可知，电缆铜芯内部因其为等电位体故电场强度为零，在屏蔽层上场强逐渐减小而后突然升高至最大值，在屏蔽层外层后电场强度为零。根据图8所得到的曲线与以上几种电缆绝缘缺陷的径向曲线相比较，不难看出该曲线与具有水隙缺陷的径向电场分布图有着相似的曲线走势，在一定的误差范围内，可初步判断该测量电缆具有的绝缘缺陷类型为水隙缺陷。
对比电缆不同缺陷电场仿真结果，在电缆无缺陷时，电场强度最大出现在电缆绝缘内表面，Emax＝3.55×106v/m，绝缘层外表面电场为大约为1.8×106v/m，屏蔽层及以外电场强度为0v/m；当缺陷为气隙时，电场虽然发生了畸变，但整个径向电场强度的分布趋势变化不大，靠近半导体屏蔽层的主绝缘层的电场有所增大，而电场主要畸变发生在屏蔽层，最大场强处于绝缘内表面，其值为Emax＝3.5×106v/m，电缆绝缘外表面电场强度大约为1.2×106v/m，即电缆主绝缘层电场畸变不明显，而铜屏蔽层处出现了峰尖，电场强度达到2.6×106v/m，屏蔽层外部的电场强度仍为0v/m；当缺陷为水缝隙时，径向电场畸变明显，电场强度最大处转移到电缆通屏蔽层外表面，其值为Emax＝7.5×106v/m，主绝缘内表面电场强度大约为3.3×106v/m，绝缘外表面电场强度大约为1.0×106v/m；当缺陷为钢钉扎入时，电场强度最大点转移至钢钉针尖处，其值为Emax＝1.2×107v/m，电缆主绝缘内表面电场强度大致为8.8×106v/m，铜屏蔽层外表面电场强度大约为3×105v/m。
综上所述，四种缺陷电场均有畸变。其中气隙畸变与水隙缺陷下，电缆屏蔽层电场畸变严重，而绝缘层电场畸变较小。当电缆有钢钉扎入时，绝缘层电场畸变明显，尤其是针尖处，在这种缺陷情况下，若电缆长期运行，很可能导致绝缘层击穿，造成严重危害。尤其值得注意的是在以上几种缺陷条件下，电缆屏蔽层都发生了严重的畸变，畸变电场在铜屏蔽层内外表面上形成了电位差，铜屏蔽层经接地线接地，畸变的电场在电缆铜屏蔽层产生一脉冲电流，容易发生局部放电现象。

Claims (4)

1.一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据实际电缆建立电缆仿真模型，从内到外依次为：铜芯、绝缘层、半导体层、铜屏蔽层、钢带铠装层和护套；
(2)在电缆仿真模型中选择静电场求解器，电缆导体上加载电压激励，分别对电缆无绝缘缺陷和几种典型绝缘缺陷下的横向电场分布及径向电场分布进行仿真分析；
(3)采用三维电场传感器探头测量电缆线路中的电场值，获得实测电缆的横向电场分布及径向电场分布结果；
(4)将步骤(3)获得的仿真结果与步骤(2)中的结果进行比较，判断电缆线路是否出现绝缘缺陷。
2.根据权利要求1所述一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于：所述静电场求解器为：
∮E·dl＝0
∮D·dS＝0
式中，E为导体周围电场强度,D为电位移矢量,ρ为电荷密度，dl为长度微元，dS为面积微元，为哈密顿算子。
3.根据权利要求1或2所述一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于：所述典型绝缘缺陷包括具有气隙的电缆，具有水缝隙的电缆，钢钉扎入的电缆和电缆外绝缘层破损。
4.根据权利要求1或2所述一种基于边缘电场的城网电缆绝缘缺陷检测方法，其特征在于：所述三维电场传感器探头为球形结构，其表面具有相互绝缘的六个对称电极。
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