CN108548999B - 电缆绝缘状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电缆绝缘状态评估方法，属于电性能的测试技术领域。该方法执行如下步骤：1）监测电缆的选定四种绝缘参数；2）建立基于模糊理论的电缆绝缘状态模糊矩阵；3）选用合适的隶属度函数计算隶属度；4）根据基本可信度分配函数计算基本可信度；5）根据改进Dempster合成规则得到最终合成向量；6)根据最终合成向量的元素值的相互关系评估电缆绝缘状态。该方法实现根据多绝缘参数对电缆绝缘状态进行在线实时综合评估，具有评估便捷、安全、及时和准确的特性。

Description

电缆绝缘状态评估方法

技术领域

本发明涉及一种对电缆尤其是XLPE电缆的绝缘状态进行综合评估的方法，属于电性能的测试技术领域。

背景技术

随交联聚乙烯(XLPE)电缆因其具有非常好的电气性能，在电力系统中的应用越来越广泛。电缆的安全稳定运行是保障供电可靠性的关键之一，但因其数量巨大，绝缘故障时有发生。因此对其进行绝缘状态评估，尽早发现绝缘劣化情况以预防绝缘故障的发生就显得尤为重要。传统的预防性试验由于需要停电、损害电缆等缺点已难以满足人们对供电安全可靠的需求。而绝缘特性试验不需停电且不会损伤绝缘性能，即可判断电缆绝缘状态以预防绝缘故障的发生，主要包括对绝缘电阻、质损耗角正切值、直流泄漏 电流、接地电容电流等绝缘参数的测量。随着传感器等技术的发展，上述绝缘参数都可通过在线监测设备测得，从而令在线评估电缆绝缘状态成为可能。

目前国内对电缆绝缘状态的评估方法，主要还是通过停电预防性试验或者离线绝缘特性试验进行评估。为弥补上述方法的缺陷与弊端，急需一种能综合多项绝缘参数的在线评估方法用于电缆绝缘状态评估。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种可以在线实时、便捷、安全和准确评估电缆绝缘状态的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种电缆绝缘状态评估方法，执行如下步骤：

1)对所述电缆进行在线监测，得到绝缘电阻、介质损耗角、直流泄漏 电流和接地电容电流的四项绝缘参数的表达量u₁、u₂、u₃和u₄；其中u₁表示所述绝缘电阻的倒数，u₂表示所述介质损耗角正切值tanδ，u₃表示所述直流泄漏 电流，u₄表示所述接地电容电流；

2)将所述电缆绝缘状态划分为良、中、差三个绝缘等级，分别以f₁、f₂、f₃表示，以所述四项绝缘参数的表达量u₁、u₂、u₃和u₄和所述三个绝缘等级的表达量f₁、f₂、f₃建立阶数为4×3的模糊矩阵M；

3)选取隶属度函数并计算所述模糊矩阵M中的元素值，选用岭型分布的偏小型、中间型、偏大型三种隶属度函数f₁(u_i)、f₂(u_i)、f₃(u_i)(i＝1,2,3,4)分别作为所述四项绝缘参数对所述三个绝缘等级的三种隶属度函数，三种隶属度函数以下式(1)～(3)表达：

其中，x₀、x₁、x₂、x₃表示所述电缆绝缘状态在发生改变时所述四项绝缘参数的表达量 u₁、u₂、u₃和u₄的临界值；

分别计算所述四项绝缘参数对所述三个绝缘等级的隶属度a_ij＝f_j(u_i)(i＝1、2、3、4， j＝1、2、3)，得到所述模糊矩阵M＝{a_ij}；

4)按照下式(4)～(7)计算所述四项绝缘参数对所述三个绝缘等级的基本可信度m_i(f_j)，

上式中，α_i为最大相关系数；β_i为相关分配值；R_i为可靠性系数；i＝1、2、3、4，j＝1、2、3；

5)对所述四项绝缘参数的四组基本可信度向量m_i(m_i＝[m_i(f₁),m_i(f₂),m_i(f₃)])(i＝1、 2、3、4)进行合成：

首先按下式(8)计算第一组基本可信度向量m₁和第二组基本可信度向量m₂之间的第一冲突系数k₁₂，若k₁₂不趋近于1，则按下式(9)进行合成得到第一组基本可信度合成向量m₁₂，

上式中，A、B、C为Θ＝{f₁，f₂，f₃}的子集；

若第一冲突系数k₁₂趋近于1，则按下式(10)先计算第一组基本可信度向量m₁和第二组基本可信度向量m₂之间的证据距离d₁₂,再按照下式(11)计算第一修正冲突系数k'₁₂，求得信任系数α＝1-k'₁₂，最后按下式(12)修正得到第一组修正基本可信度合成向量m'₁₂；

k′₁₂＝(k₁₂+d₁₂)/2 (11)

重复上述过程，继续将第一组基本可信度合成向量m₁₂或第一组修正基本可信度合成向量m'₁₂分别与第三组基本可信度向量m₃进行合成，得到第二组基本可信度合成向量m₁₂₃或第二组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃；再将第二组基本可信度合成向量m₁₂₃或第二组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃分别与第四组基本可信度向量m₄进行合成，得到第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄或第三组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃₄；

6)比较所述第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄或第三组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃₄的三个元素值，

若第一个元素值最大，则判断电缆绝缘状态为良；

若第二个元素值最大，则判断电缆绝缘状态为中；

若第三个元素值最大，则判断电缆绝缘状态为差。

上述技术方案的补充一是：所述第3)步骤中，对所述电缆的绝缘状态进行初步判断是：当u_i≤x₀时，表明所述电缆的绝缘状态为良；当x₀＜u_i≤x₁时，表明所述电缆的绝缘状态处于由良转中的过渡过程；当x₁＜u_i≤x₂时，表明所述电缆的绝缘状态为中；当x₂＜u_i≤x₃时，表明所述电缆绝缘状态处于由中转差的过渡过程；当u_i＞x₃时，表明所述电缆绝缘状态为差。

上述技术方案的补充二是：所述电缆是XLPE电缆。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：A.与现有单一参数进行绝缘状态评估的方法相比，由于采用多(四个)参数进行绝缘状态评估，可以降低评估的偶然性；B.与现有停电预防性试验进行评估的方法相比，由于不需要停电去现场而是实时在线监测，可以提高绝缘评估的便捷性和安全性；C.与现有离线绝缘特性试验的评估方法相比，由于实时在线即可获得结果，因此更加快捷；D.由于解决了当多参数间的证据间存在较大冲突时，对Dempster合成规则进行改进修正，因此可提高评估的准确性。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1是本发明实施例中岭型分布的三种隶属度函数示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例的电缆绝缘状态评估方法，选择具体的一条XLPE电缆，执行如下步骤：

1)对该条XLPE电缆进行在线监测，得到四项绝缘参数(分别是绝缘电阻、介质损耗角、直流泄漏 电流和接地电容电流)的表达量u₁＝5.25nS，u₂＝0.11％，u₃＝6.44nA，u₄＝0.42A。其中u₁表示绝缘电阻的倒数(单位nS)；u₂表示介质损耗角正切值tanδ(单位％)；u₃表示直流泄漏 电流(单位nA)；u₄表示接地电容电流(单位A)。

2)将该条XLPE电缆的绝缘状态划分为良、中、差三个绝缘等级，分别以f₁表示“良”， f₂表示“中”，f₃表示“差”；以四项绝缘参数的表达量u₁、u₂、u₃和u₄和三个绝缘等级的表达量f₁、f₂、f₃建立阶数为4×3的模糊矩阵M。

3)选取隶属度函数并计算所述模糊矩阵M中的元素值。选用岭型分布的偏小型、中间型、偏大型三种隶属度函数f₁(u_i)、f₂(u_i)、f₃(u_i)(i＝1,2,3,4)分别作为所述四项绝缘参数对所述三个绝缘等级的三种隶属度函数，三种隶属度函数以下式(1)～(3)表达：

其中，x₀、x₁、x₂、x₃表示电缆绝缘状态在发生改变时上述四项绝缘参数表达量u₁、u₂、 u₃和u₄的临界值。

参考预防性实验和绝缘判据，四项绝缘参数的表达量u₁、u₂、u₃和u₄及其临界值如表 1所示。

表1

分别计算四项绝缘参数对三个绝缘等级的隶属度a_ij＝f_j(u_i)(i＝1、2、3、4，j＝1、2、3)，得到所述模糊矩阵M＝{a_ij}。

将表1的参数代入式(1)～(3)，可计算得到模糊矩阵M的各元素值如下所示：

一般情况下，还可以根据上述四项绝缘参数表达量u₁、u₂、u₃和u₄与其临界值x₀、x₁、x₂、x₃的关系，对电缆的绝缘状态进行初步判断，具体是：当u_i≤x₀时，表明该条XLPE电缆的绝缘状态为良；当x₀＜u_i≤x₁时，表明该条XLPE电缆的绝缘状态处于由良转中的过渡过程；当x₁＜u_i≤x₂时，表明该条XLPE电缆的绝缘状态为中；当x₂＜u_i≤x₃时，表明该条 XLPE电缆绝缘状态处于由中转差的过渡过程；当u_i＞x₃时，表明该条XLPE电缆绝缘状态为差。

4)计算四项绝缘参数对三个绝缘等级的基本可信度m_i(f_j)，计算过程如下式(4)～(7) 所示：

上式中，α_i为最大相关系数；β_i为相关分配值；R_i为可靠性系数；i＝1、2、3、4，j＝1、2、3。

将上述模糊矩阵中的各元素值a_ij代入上式(4)～(7)计算四绝缘参数对三个绝缘状态等级的基本可信度m_i(f_j)，计算结果如表2所示。

表2

	良/f<sub>1</sub>	中/f<sub>2</sub>	差/f<sub>3</sub>
				绝缘电阻倒数m<sub>1</sub>	0.668	0.333	0
介质损耗角正切值m<sub>2</sub>	0.689	0.321	0
				直流泄漏 电流m<sub>3</sub>	0.679	0.332	0
接地电容电流m<sub>4</sub>	0.680	0.331	0

5)对四个绝缘参数的四组基本可信度向量m_i＝[m_i(f₁),m_i(f₂),m_i(f₃)](i＝1、2、3、4) 进行合成。

首先根据Dempster合成规则按式(8)计算第一组基本可信度向量m₁和第二组基本可信度向量m₂之间的第一冲突系数k₁₂，若k₁₂不趋近于1，则按式(9)进行合成得到第一组基本可信度合成向量m₁₂。

上式中，A、B、C为Θ＝{f₁，f₂，f₃}的子集。

若第一冲突系数k₁₂趋近于1，则对Dempster合成规则进行改进修正。即先按式(10)计算第一组基本可信度向量m₁和第二组基本可信度向量m₂之间的证据距离d₁₂,再按照式(11) 计算新的第一修正冲突系数k'₁₂，求得信任系数α＝1-k'₁₂，最后按式(12)修正得到第一组修正基本可信度合成向量m'₁₂。

k′₁₂＝(k₁₂+d₁₂)/2 (11)

继续重复上述合成过程(式(8)～式(12))，将第一组基本可信度合成向量m₁₂或第一组修正基本可信度合成向量m'₁₂分别与第三组基本可信度向量m₃进行合成，根据得到的第二冲突系数k₁₂₃或第二修正冲突系数k'₁₂₃，计算得到第二组基本可信度合成向量m₁₂₃或第二组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃；同理再将第二组基本可信度合成向量m₁₂₃或第二组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃分别与第四组基本可信度向量m₄进行合成，根据得到的第三冲突系数k₁₂₃₄或第三修正冲突系数k'₁₂₃₄，计算得到第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄或第三组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃₄。

6)作为最终合成向量的第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄或第三组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃₄均是具有三个元素值的一行向量。比较三个元素值大小，若第一个元素值最大，则电缆绝缘状态为良；若第二个元素值最大，则电缆绝缘状态为中；若第三个元素值最大，则电缆绝缘状态为差。

具体向量合成计算和判断过程如下：

将表2中的第一组基本可信度向量m₁＝[0.668,0.333,0]和第二组基本可信度向量 m₂＝[0.689,0.321,0]进行合成。

首先根据上式(8)计算第一冲突系数

k₁₂＝m₁(f₁)×m₂(f₁)+m₁(f₂)×m₂(f₂)+m₁(f₃)×m₂(f₃)＝0.567。

因为k₁₂不趋近于1，则按上式(9)进行合成得到第一组基本可信度合成向量m₁₂的三个元素值如下：

m₁₂(f₁)＝m₁(f₁)×m₂(f₁)/k₁₂＝0.812

m₁₂(f₂)＝m₁(f₂)×m₂(f₂)/k₁₂＝0.188

m₁₂(f₃)＝m₁(f₃)×m₂(f₃)/k₁₂＝0

即第一组基本可信度合成向量m₁₂＝[0.812,0.188,0]。

同理继续将第一组基本可信度合成向量m₁₂与第三组基本可信度向量m₃进行合成，可得第二冲突系数

k₁₂₃＝m₁₂(f₁)×m₃(f₁)+m₁₂(f₂)×m₃(f₂)+m₁₂(f₃)×m₃(f₃)＝0.614。

因为k₁₂₃也不趋近于1，则按上式(9)进行合成计算得到第二组基本可信度合成向量m₁₂₃的三个元素值如下：

m₁₂₃(f₁)＝m₁₂(f₁)×m₃(f₁)/k₁₂₃＝0.898

m₁₂₃(f₂)＝m₁₂(f₂)×m₃(f₂)/k₁₂₃＝0.102

m₁₂₃(f₃)＝m₁₂(f₃)×m₃(f₃)/k₁₂₃＝0

即第二组基本可信度合成向量m₁₂₃＝[0.898,0.102,0]。

同理，最后将第二组基本可信度合成向量m₁₂₃与第四组基本可信度向量m₄进行合成，可得第三冲突系数

k₁₂₃₄＝m₁₂₃(f₁)×m₄(f₁)+m₁₂₃(f₂)×m₄(f₂)+m₁₂₃(f₃)×m₄(f₃)＝0.644。

因为k₁₂₃₄也不趋近于1，则按上式(9)进行合成计算得到第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄的三个元素值如下：

m₁₂₃₄(f₁)＝m₁₂₃(f₁)×m₄(f₁)/k₁₂₃₄＝0.948

m₁₂₃₄(f₂)＝m₁₂₃(f₂)×m₄(f₂)/k₁₂₃₄＝0.052

m₁₂₃₄(f₃)＝m₁₂₃(f₃)×m₄(f₃)/k₁₂₃₄＝0

即第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄＝[0.948,0.052,0]。

由于第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄中的第一个元素值0.948是三个数值中最大值，因此判断本实施例中的XLPE电缆绝缘状态为良。

上述本实施例中在线监测四项绝缘参数的方法均是采用现有技术，具体是：

1、采用直流叠加法，将50V直流电源通过接地电压互感器的中性点、运行母线加到电缆。滤除测试回路中的交流成分，只检测流过电缆绝缘层的直流电流，最后换算成绝缘电阻值。

2、通过加装在电缆接地线上的电流传感器测取接地线电流信号(包含直流泄漏电流和接地电容电流)，然后进行离散傅里叶变换计算得到直流泄漏 电流和接地电容电流这两个电流值。

3、为获取介质损耗角正切值，需测量电缆运行电压和电流信号。电缆运行电压信号可由变电站母线电压互感器获取，电流信号可由金属屏蔽层接地线上电流传感器获取。进行快速傅里叶变化得到两者基波信号后，可求得介质损耗角正切值。

本实施例中表2的临界值取值参考现有技术(中国电力出版社2011出版的《高压交联聚乙烯电缆试验及维护技术》刘刚,刘毅刚和中国电力出版社2007出版的《电力电缆试验及监测技术》韩伯锋)中的取值。模糊矩阵、隶属度函数、岭型分布等概念可参考(武汉大学出版社2010年出版《模糊理论基础艺术》胡宝清编著)。基本可信度、Dempster合成规则等概念可参考(中国人民大学出版社1993年出版的《证据理论与决策、人工智能》段新生)。

本实施例仅给出的冲突系数(k₁₂、k₁₂₃、k₁₂₃₄)均未趋近于1的情形，但是对于冲突系数趋近于1的情形，本领域技术人员按照上述指导不难得出最终基本可信度合成向量，从而对电缆绝缘状态做出最终的评估判断。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如除上述实施例XLPE电缆也可以适用于其他电缆；凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种电缆绝缘状态评估方法，其特征在于执行步骤如下：

1)对所述电缆进行在线监测，得到绝缘电阻、介质损耗角、直流泄漏 电流和接地电容电流的四项绝缘参数的表达量u₁、u₂、u₃和u₄；其中u₁表示所述绝缘电阻的倒数，u₂表示所述介质损耗角正切值tanδ，u₃表示所述直流泄漏 电流，u₄表示所述接地电容电流；

2)将所述电缆绝缘状态划分为良、中、差三个绝缘等级，分别以f₁、f₂、f₃表示，以所述四项绝缘参数的表达量u₁、u₂、u₃和u₄和所述三个绝缘等级的表达量f₁、f₂、f₃建立阶数为4×3的模糊矩阵M；

3)选取隶属度函数并计算所述模糊矩阵M中的元素值，选用岭型分布的偏小型、中间型、偏大型三种隶属度函数f₁(u_i)、f₂(u_i)、f₃(u_i)(i＝1,2,3,4)分别作为所述四项绝缘参数对所述三个绝缘等级的三种隶属度函数，三种隶属度函数以下式(1)～(3)表达：

其中，x₀、x₁、x₂、x₃表示所述电缆绝缘状态在发生改变时所述四项绝缘参数的表达量u₁、u₂、u₃和u₄的临界值；

分别计算所述四项绝缘参数对所述三个绝缘等级的隶属度a_ij＝f_j(u_i)(i＝1、2、3、4，j＝1、2、3)，得到所述模糊矩阵M＝{a_ij}；

4)按照下式(4)～(7)计算所述四项绝缘参数对所述三个绝缘等级的基本可信度m_i(f_j)，

上式中，α_i为最大相关系数；β_i为相关分配值；R_i为可靠性系数；i＝1、2、3、4，j＝1、2、3；

5)对所述四项绝缘参数的四组基本可信度向量m_i(m_i＝[m_i(f₁),m_i(f₂),m_i(f₃)])(i＝1、2、3、4)进行合成：

首先按下式(8)计算第一组基本可信度向量m₁和第二组基本可信度向量m₂之间的第一冲突系数k₁₂，若k₁₂不趋近于1，则按下式(9)进行合成得到第一组基本可信度合成向量m₁₂，

上式中，A、B、C为Θ＝{f₁，f₂，f₃}的子集；

若第一冲突系数k₁₂趋近于1，则按下式(10)先计算第一组基本可信度向量m₁和第二组基本可信度向量m₂之间的证据距离d₁₂，再按照下式(11)计算第一修正冲突系数k'₁₂，求得信任系数α＝1-k'₁₂，最后按下式(12)修正得到第一组修正基本可信度合成向量m'₁₂；

k′₁₂＝(k₁₂+d₁₂)/2 (11)

重复上述过程，继续将第一组基本可信度合成向量m₁₂或第一组修正基本可信度合成向量m'₁₂分别与第三组基本可信度向量m₃进行合成，得到第二组基本可信度合成向量m₁₂₃或第二组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃；再将第二组基本可信度合成向量m₁₂₃或第二组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃分别与第四组基本可信度向量m₄进行合成，得到第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄或第三组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃₄；

6)比较所述第三组基本可信度合成向量m₁₂₃₄或第三组修正基本可信度合成向量m'₁₂₃₄的三个元素值，

若第一个元素值最大，则判断电缆绝缘状态为良；

若第二个元素值最大，则判断电缆绝缘状态为中；

若第三个元素值最大，则判断电缆绝缘状态为差。

2.根据权利要求1所述电缆绝缘状态评估方法，其特征在于所述第3)步骤中，对所述电缆的绝缘状态进行初步判断是：当u_i≤x₀时，表明所述电缆的绝缘状态为良；当x₀＜u_i≤x₁时，表明所述电缆的绝缘状态处于由良转中的过渡过程；当x₁＜u_i≤x₂时，表明所述电缆的绝缘状态为中；当x₂＜u_i≤x₃时，表明所述电缆绝缘状态处于由中转差的过渡过程；当u_i＞x₃时，表明所述电缆绝缘状态为差。

3.根据权利要求1所述电缆绝缘状态评估方法，其特征在于所述电缆是XLPE电缆。

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