CN108627747A - 一种基于pdc法的xlpe电缆绝缘水树老化的诊断模型及其诊断方法 - Google Patents

一种基于pdc法的xlpe电缆绝缘水树老化的诊断模型及其诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了本发明公开了一种基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型及其诊断方法，在传统扩展Debye模型的基础上，提出了表征电缆水树老化特性的二极管等效模型。此模型的第三支路的二极管电容Cd3对电缆老化更加敏感，能够表征由于水树老化造成的陷阱所束缚的空间电荷量，且其随电压幅值的增长表现的非线性变化特性能够反映电缆的老化程度，因此可通过检测第三支路的二极管电容Cd3诊断电缆的水树老化状态。因而本发明提供的基于极化去极化电流法的XLPE电缆绝缘水树老化诊断方法不仅能够完善水树老化电缆的等效模型，而且检测的特征参量Cd3能够准确反映由于水树老化造成的缺陷状况，为电缆水树老化的状态提供了一种有效的诊断方法。

Description

一种基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型及其诊 断方法
技术领域
本发明涉及一种基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型及其诊断方法。
背景技术
交联聚乙烯(Crosslinked Polyethylene，XLPE)电缆由于其优良的机械性能和电气性能，成为应用最为广泛的电缆类型。电缆在运行过程中会发生绝缘老化，其中水树老化是导致电缆绝缘失效的主要原因，所以发展XLPE电缆绝缘水树老化诊断技术对于提高电力系统稳定性具有重大意义。
目前国内外关于电缆的绝缘诊断方法进行了大量的研究，其中PDC(Polarizationand Depolarization Current，PDC)法作为一种有效的检测电气设备老化的测试方法，具有测量回路简单、电源容量小、无损检测等优点，且能够从老化机理的层面深刻反映出设备的老化信息，然而当前基于水树老化特性的诊断方法无法完全反映电缆的水树老化状况。因此仍需对基于水树特性的电缆老化诊断方法进行深入研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型及其诊断方法，其目的在于在传统扩展Debye模型的基础上，完善水树老化电缆的等效模型，使其能够反映电缆的水树老化特性。并基于此模型，通过检测第三支路的二极管电容Cd3准确反映由于水树老化造成的缺陷状况，为电缆水树老化的状态提供一种有效的诊断方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型，在传统扩展Debye模型的基础上，对每个支路的电阻和电容都各自并联一个与理想二极管串联的电阻和电容，所述的传统扩展Debye模型包括电缆体电阻R0、电缆体电容C0以及若干组电阻Ri和电容Ci串联构成的表征电缆体自身特性的支路，电缆体电阻R0、电缆体电容C0以及电阻Ri和电容Ci串联构成的表征电缆自身特性的支路依次呈并联连接设置在电缆体外半导体电层和电缆内半导体电层之间，传统扩展Debye模型每组支路的电阻Ri和电容Ci分别并联设置的等效支路分别表征由于陷阱的作用引起支路变化电阻Rdi和变化电容Cdi，所述的变化电阻Rdi串联一个理想二极管Di并联设置在电阻Ri两端，所述的变化电容Cdi串联一个理想二极管Di并联设置在Ci两端。
一种采用上述的基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型的诊断方法，包括下述步骤：
(1)采用负极性电压施加在XLPE电缆的线芯与屏蔽层之间，测量电缆的极化电流；
将电缆的线芯与屏蔽层进行短接，测量电缆的去极化电流；
(2)依据水树老化电缆的二极管等效模型，对极化电流进行拟合获得水树老化模型极化各支路参数；
(3)依据水树老化电缆的二极管等效模型，对去极化电流进行拟合获得水树老化模型去极化各支路参数；
(4)根据极化支路拟合参数和去极化支路拟合参数获取二极管各支路参数，根据第三支路二极管支路电容Cd3与极化第三支路电容Cp3的百分比关系初步判断电缆水树老化造成的陷阱状况；
(5)逐渐增加电压幅值，重复(1)～(4)步骤，获得Cd3随电压幅值的变化规律，从而诊断电缆的水树老化状况。
进一步的：步骤(1)中所述通过在电缆线芯和屏蔽层之间施加负极性电压测量电缆的极化电流，采用负极性电压的原因为：当电缆施加负极性电压时，水树尖端的电场畸变更严重，且随着水树的发展，水树区域与绝缘良好区域的界面极化更强，从而绝缘内部的绝缘缺陷能够束缚更多的空间电荷，导致负极性电压下的极化电流大于正极性电压下的极化电流，采用负极性电压能够更好地反映电缆的水树老化状况。
进一步的：步骤(2)中，通过对极化电流进行拟合获得水树老化模型极化各支路参数的方法为：
将极化电流Ip按照下式进行拟合：
式中，U为外施测试电压；t为测量时间；R0为电缆体电阻；Rpi和Cpi分别为极化过程中等效模型的各支路电阻和电容，i＝1，2，3。
进一步的：步骤(3)中，通过对去极化电流进行拟合获得水树老化模型去极化各支路参数的方法为：将去极化电流Idep按照下式进行拟合：
式中，Rdepi和Cdepi分别为去极化过程中等效模型的各支路电阻和电容，i＝1，2，3。
进一步的：根据极化支路拟合参数和去极化支路拟合参数获取二极管各支路参数的方法为：
第三支路二极管支路电容Cd3与极化第三支路电容Cp3的百分比关系为：
根据ΔC3的大小初步判断电缆水树老化造成的陷阱状况。
进一步的：步骤(5)中，逐渐增加电压幅值，重复(1)～(4)步骤，获得Cd3随电压幅值的变化规律，诊断电缆的水树老化状况，其依据为：随着电压幅值的增加，水树尖端电场畸变愈加严重，导致电极注入的电荷增多，在水分子振动和Maxwell电机械应力的作用下，水分沿着电场方向逐渐贯通水树枝通道，引起水树区域与非水树区域的接触面积增大，陷阱增多，从而导致陷阱束缚的空间电荷增多，而Cd3表征的是陷阱束缚空间电荷的能力，因此随着电场强度的升高，Cd3非线性增大。因此可通过检测第三支路的二极管电容Cd3诊断电缆水树老化状态。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供的基于极化去极化电流法的XLPE电缆绝缘水树老化诊断方法，在传统扩展Debye模型的基础上，提出了表征电缆水树老化特性的二极管等效模型。此模型的第三支路的二极管电容Cd3对电缆老化更加敏感，能够表征由于水树老化造成的陷阱所束缚的空间电荷量，且其随电压幅值的增长表现的非线性变化特性能够反映电缆的老化程度，因此可通过检测第三支路的二极管电容Cd3诊断电缆的水树老化状态。因而本发明提供的基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化诊断方法不仅能够完善水树老化电缆的等效模型，而且检测的特征参量Cd3能够准确反映由于水树老化造成的缺陷状况，为电缆水树老化的状态提供了一种有效的诊断方法。
附图说明
图1是本发明实施例提供的XLPE电缆的传统扩展Debye三支路模型
图2是本发明实施例提供的水树的二极管等效模型
图3是本发明实施例提供的XLPE电缆水树老化二极管等效模型；
图4是本发明实施例提供的XLPE电缆的极化去极化电流测量示意图；
图5是本发明实施例提供的ΔC随不同老化程度电缆的变化规律；
图6是本发明实施例提供的不同老化程度电缆的Cd3随电压幅值的变化
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1-图6，本实施例一种基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型及其诊断方法，传统扩展Debye模型是用三组电阻-电容串联支路表征XLPE电缆绝缘内三种极化机制，如图1所示，但由于XLPE电缆水树老化的极性效应、整流效应及空间电荷效应可知，极化状态下注入的空间电荷会被绝缘内部的陷阱束缚，在去极化时释放不出来，因此对每个支路的电容(C1、C2、C3)都各自并联一个与理想二极管(Dd1、Dd2、Dd3)串联的电容(Cd1、Cd2、Cd3)，对每个支路的电阻(R1、R2、R3)都各自并联一个与理想二极管(Dd1、Dd2、Dd3)串联的电阻(Rd1、Rd2、Rd3)，用于表征陷阱的作用引起极化支路和去极化支路电阻和电容的变化，如图2所示。因此基于扩展Debye模型，用二极管表征水树老化特性的等效模型如图3所示，此模型的第三支路的二极管电容Cd3对电缆老化更加敏感，能够表征由于水树老化造成的陷阱所束缚的空间电荷量，且其随电压幅值的增长表现的非线性变化特性能够反映电缆的老化程度，因此可通过检测第三支路的二极管电容Cd3诊断电缆的水树老化状态。
在本发明实例中，图4示出了XLPE电缆极化电流和去极化电流测量的示意图，其中待测电缆由内而外依次包裹外护层、金属屏蔽层、外半导电层、XLPE绝缘层、内半导电层以及缆芯，高压电源1经稳压电容2产生稳定的直流高压；当继电器3闭合、继电器4断开后，直流高压加在电缆的缆芯与金属屏蔽层之间对电缆进行极化；当继电器3断开、继电器4闭合时，电缆经外回路放电进行去极化过程；为了防止继电器闭合时，瞬时冲击电流过大损坏仪器设备，设置保护电阻5；为了防止继电器3，继电器4同时闭合造成电源短路，设置保护电阻6；由于测量的极化去极化电流非常微弱，为了防止沿面泄漏电流的影响，在电缆的沿面上安装防泄漏环7，沿面泄漏电流经过防泄漏环直流流回电源侧，而不经过电流测量模块；电流测量模块采用Keithley 6517B静电计，以测量极化去极化电流。
本实施例中，采用基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型及其诊断方法的步骤为：
(1)采用负极性电压施加在XLPE电缆的线芯与屏蔽层之间，测量电缆的极化电流；
将电缆的线芯与屏蔽层进行短接，测量电缆的去极化电流；
(2)依据水树老化电缆的二极管等效模型，对极化电流进行拟合获得水树老化模型极化各支路参数；
(3)依据水树老化电缆的二极管等效模型，对去极化电流进行拟合获得水树老化模型去极化各支路参数；
(4)根据极化支路拟合参数和去极化支路拟合参数获取二极管各支路参数，根据第三支路二极管支路电容Cd3与极化第三支路电容Cp3的百分比关系初步判断电缆水树老化造成的陷阱状况；
(5)逐渐增加电压幅值，重复(1)～(4)步骤，获得Cd3随电压幅值的变化规律，从而诊断电缆的水树老化状况。
其中在本发明实例中，图5示出了第三支路二极管支路电容Cd3与极化第三支路电容Cp3的百分比ΔC3随不同老化程度电缆的变化规律。将极化电流Ip按照下式进行拟合：
式中，U为外施测试电压；t为测量时间；R0为电缆体电阻；Rpi和Cpi分别为极化过程中等效模型的各支路电阻和电容，i＝1，2，3。
则：
将去极化电流Idep按照下式进行拟合：
式中，Rdepi和Cdepi分别为去极化过程中等效模型的各支路电阻和电容，i＝1，2，3。
则：
因此，根据极化支路拟合参数和去极化支路拟合参数获取的二极管各支路参数为：
同时，各支路的极化注入电荷量Qpi和去极化释放电荷量Qdepi为：
式中，T为测量极化电流的总时长；测量去极化电流的总时长与测量极化电流总时长相同。
则入陷的电荷量ΔQi可表示为：
式中，τpi为极化第i支路的时间常数；τdepi为去极化第i支路的时间常数。
当极化去极化时间足够长时，存在：T＞＞τdepi，T＞＞τpi，因此上式可进一步化简为：
ΔQi≈UCdi
由上式可知，电缆入陷的电荷量与支路二极管电容成正比。
第三支路二极管支路电容Cd3与极化第三支路电容Cp3的百分比关系为：
由图6可知，ΔC3随电缆老化程度的增加而增大。而Cd3反映的是电缆的陷阱束缚电荷量，因此可根据ΔC3的大小初步判断电缆水树老化造成的陷阱状况。
在本发明实例中，图5示出了不同老化程度电缆的Cd3随电压幅值的变化规律。逐渐增加电压幅值，获得Cd3随电压幅值的变化规律，诊断电缆的水树老化状况，其依据为：随着电压幅值的增加，水树尖端电场畸变愈加严重，导致电极注入的电荷增多，在水分子振动和Maxwell电机械应力的作用下，水分沿着电场方向逐渐贯通水树枝通道，引起水树区域与非水树区域的接触面积增大，陷阱增多，从而导致陷阱束缚的空间电荷增多。而Cd3表征的是陷阱束缚空间电荷的能力，因此随着电场强度的升高，Cd3非线性增大。
由图6可知，新电缆S1的Cd3随电压幅值的增长几乎不变化，而老化电缆S2、S3的Cd3随电压的升高呈现非线性增长趋势，且老化越严重，非线性程度越高。因此可通过检测第三支路的二极管电容Cd3诊断电缆水树老化状态。
本发明提供了一种基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化诊断方法，在传统扩展Debye模型的基础上，提出了表征电缆水树老化特性的二极管等效模型。此模型的第三支路的二极管电容Cd3对电缆老化更加敏感，能够表征由于水树老化造成的陷阱所束缚的空间电荷量，且其随电压幅值的增长表现的非线性变化特性能够反映电缆的老化程度，因此可通过检测第三支路的二极管电容Cd3诊断电缆的水树老化状态。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型，其特征在于：在传统扩展Debye模型的基础上，对每个支路的电阻和电容都各自并联一个与理想二极管串联的电阻和电容，所述的传统扩展Debye模型包括电缆体电阻R0、电缆体电容C0以及若干组电阻Ri和电容Ci串联构成的表征电缆体自身特性的支路，电缆体电阻R0、电缆体电容C0以及电阻Ri和电容Ci串联构成的表征电缆自身特性的支路依次呈并联连接设置在电缆体外半导体电层和电缆内半导体电层之间，传统扩展Debye模型每组支路的电阻Ri和电容Ci分别并联设置的等效支路分别表征由于陷阱的作用引起支路变化电阻Rdi和变化电容Cdi，所述的变化电阻Rdi串联一个理想二极管Di并联设置在电阻Ri两端，所述的变化电容Cdi串联一个理想二极管Di并联设置在Ci两端。
2.一种采用权利要求1所述的基于PDC法的XLPE电缆绝缘水树老化的诊断模型的诊断方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)采用负极性电压施加在XLPE电缆的线芯与屏蔽层之间，测量电缆的极化电流；
将电缆的线芯与屏蔽层进行短接，测量电缆的去极化电流；
(2)依据水树老化电缆的二极管等效模型，对极化电流进行拟合获得水树老化模型极化各支路参数；
(3)依据水树老化电缆的二极管等效模型，对去极化电流进行拟合获得水树老化模型去极化各支路参数；
(4)根据极化支路拟合参数和去极化支路拟合参数获取二极管各支路参数，根据第三支路二极管支路电容Cd3与极化第三支路电容Cp3的百分比关系初步判断电缆水树老化造成的陷阱状况；
(5)逐渐增加电压幅值，重复(1)～(4)步骤，获得Cd3随电压幅值的变化规律，从而诊断电缆的水树老化状况。
3.如权利要求2所述的电缆水树老化诊断方法，其特征在于：步骤(1)中所述通过在电缆线芯和屏蔽层之间施加负极性电压测量电缆的极化电流，采用负极性电压的原因为：当电缆施加负极性电压时，水树尖端的电场畸变更严重，且随着水树的发展，水树区域与绝缘良好区域的界面极化更强，从而绝缘内部的绝缘缺陷能够束缚更多的空间电荷，导致负极性电压下的极化电流大于正极性电压下的极化电流，采用负极性电压能够更好地反映电缆的水树老化状况。
4.如权利要求2所述的电缆水树老化诊断方法，其特征在于：步骤(2)中，通过对极化电流进行拟合获得水树老化模型极化各支路参数的方法为：
将极化电流Ip按照下式进行拟合：
式中，U为外施测试电压；t为测量时间；R0为电缆体电阻；Rpi和Cpi分别为极化过程中等效模型的各支路电阻和电容，i＝1，2，3。
5.如权利要求3所述的电缆水树老化诊断方法，其特征在于：步骤(3)中，通过对去极化电流进行拟合获得水树老化模型去极化各支路参数的方法为：将去极化电流Idep按照下式进行拟合：
式中，Rdepi和Cdepi分别为去极化过程中等效模型的各支路电阻和电容，i＝1，2，3。
6.如权利要求4所述的电缆水树老化诊断方法，其特征在于：步骤(4)中，根据极化支路拟合参数和去极化支路拟合参数获取二极管各支路参数的方法为：
第三支路二极管支路电容Cd3与极化第三支路电容Cp3的百分比关系为：
根据ΔC3的大小初步判断电缆水树老化造成的陷阱状况。
7.如权利要求2-6所述的电缆水树老化诊断方法，其特征在于：步骤(5)中，逐渐增加电压幅值，重复(1)～(4)步骤，获得Cd3随电压幅值的变化规律，诊断电缆的水树老化状况，其依据为：随着电压幅值的增加，水树尖端电场畸变愈加严重，导致电极注入的电荷增多，在水分子振动和Maxwell电机械应力的作用下，水分沿着电场方向逐渐贯通水树枝通道，引起水树区域与非水树区域的接触面积增大，陷阱增多，从而导致陷阱束缚的空间电荷增多，而Cd3表征的是陷阱束缚空间电荷的能力，因此随着电场强度的升高，Cd3非线性增大。因此可通过检测第三支路的二极管电容Cd3诊断电缆水树老化状态。
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