CN108802831A - 一种测定三芯电力电缆芯线位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测定三芯电力电缆芯线位置的方法，属于三芯电力电缆的制作和检测方法领域。技术方案是：在三芯电力电缆表面对称地安装两个磁传感器，在给某单相芯线施加激励后，用磁传感器测量所在位置电缆表面磁感应强度的切向分量；根据两个磁传感器的测得量值，利用安培环路定理以及各相芯线之间位置结构的几何关系，求解单相芯线中心到电缆中心的距离，以及单相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间的夹角，即求解该单相芯线的位置；通过给三相芯线分别施加激励，可以分别测得三相芯线的位置，从而实现对各相芯线位置的测定。本发明提供测定三芯电力电缆内部各相芯线位置的方法，解决了实际工程中三芯电力电缆内各相芯线位置难以测量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定三芯电力电缆芯线位置的方法，属于三芯电力电缆的制作和检测方法技术领域。
背景技术
电缆是指用于电力、通信及相关传输用途的材料。电力电缆输电一般用于不宜采用架空线输电的场合。随着经济社会的发展，电力电缆输电发展迅速，电力电缆数量、铺设里程急剧增加，其能否安全稳定运行，成为关系电网安全的主要因素之一。随着电缆铺设里程和数量的增多，以及运行时间的加长，电缆运行事故时有发生，制作工艺不合格等导致的绝缘偏心和材料缺陷所造成的局部放电，是其主要原因之一。
中低压电力电缆即所谓三芯电力电缆，普遍采用三合一的结构设计，即三相芯线使用同一个屏蔽层和电缆外壳。三芯电力电缆制作完成后，如果其内部芯线的具体位置与预先的设计差别较大，就会存在局部电场应力集中的现象。这可能导致电缆绝缘存在诸多薄弱环节和缺陷，极易引发局部放电现象。电缆绝缘缺陷会随着局部放电次数的增多而逐渐发展扩大，在电缆绝缘材料内部形成自不连续界面起始的放电微通道，并引起通道头部电场的进一步畸变；一旦放电微通道贯穿整个绝缘层，则可在极短时间内发生电缆绝缘介质击穿、烧毁甚至爆炸等。但三芯电力电缆一旦封装后，其内部各相芯线的相对位置就被确定了下来，而且不易测定。这也是三芯电力电缆在生产和质量检验中的一个难题。
发明内容
本发明目的是提供一种测定三芯电力电缆芯线位置的方法，基于磁传感器测定三芯电力电缆内各相芯线位置，直接建立了三芯电力电缆表面磁场与内部各相芯线位置之间的物理数学模型，给出了三芯电力电缆内各相芯线位置的解析计算表达式，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种测定三芯电力电缆芯线位置的方法，包含以下步骤：（1）在三芯电缆表面对称安装两个磁传感器，在给其中单相芯线施加激励后，用磁传感器测量所在位置三芯电力电缆表面的磁感应强度的切向分量；（2）根据两个磁传感器的测得量值，利用安培环路定理以及三芯电力电缆内部各相芯线之间位置结构的几何关系，求解三芯电力电缆单相芯线中心到电缆中心的距离，以及单相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间的夹角，即求解各相芯线的具体位置；（3）给另外两相芯线分别施加激励，分别测得三相芯线的位置。
在其中一个磁传感器安装位置处加装一个磁传感器，测量磁感应强度的径向分量。
本发明的有益效果是：提供了一种测定三芯电力电缆内部各相芯线位置的方法，解决了实际工程中三芯电力电缆内各相芯线位置难以测量的问题，该方法通过测量三芯电力电缆表面的磁场信息，基于相应的物理数学模型，可以计算出三芯电力电缆内各相芯线的位置。
附图说明
图1是三芯电力电缆的原理结构以及磁传感器安装位置示意图；
图2是A相芯线各符号示意图；
图3是B相芯线各符号示意图；
图4是C相芯线各符号示意图；
图5是A、B两相芯线向右侧偏移情况下三相芯线具体位置示意图；
图6是A、C两相芯线向左侧偏移情况下三相芯线具体位置示意图；
图7是A、B、C三相芯线完全对称情况下三相芯线具体位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
一种测定三芯电力电缆芯线位置的方法，包含以下步骤：（1）在三芯电缆表面对称安装两个磁传感器，在给其中单相芯线施加激励后，用磁传感器测量所在位置三芯电力电缆表面的磁感应强度的切向分量；（2）根据两个磁传感器的测得量值，利用安培环路定理以及三芯电力电缆内部各相芯线之间位置结构的几何关系，求解三芯电力电缆单相芯线中心到电缆中心的距离，以及单相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间的夹角，即求解各相芯线的具体位置；（3）给另外两相芯线分别施加激励，分别测得三相芯线的位置。
在其中一个磁传感器安装位置处加装一个磁传感器，测量磁感应强度的径向分量。
三芯电力电缆半径为R。紧贴三芯电缆表面安装的2个磁传感器分别用S1和S2表示，S1与S2之间的距离为电缆直径2R。三芯电力电缆的原理结构以及磁传感器安装位置如图1所示。
调整磁传感器的测量角度，使磁传感器测量的磁感应强度即为所在位置的磁感应强度沿电缆圆周的切向分量，并规定顺时针方向为磁感应强度切向分量的正方向。以S1与S2之间的连线为y轴。
下面以A相芯线为例，说明计算过程中所用到的一些物理量及其符号的含义。r A为A相芯线中心到电缆中心的距离，m A为A相芯线中心到S1的距离。以电缆中心、A相芯线中心和S1构成三角形，为A相芯线中心和电缆中心的连线与y轴在三角形内部的夹角，为A相芯线中心和S1的连线与y轴在三角形内部的夹角；以A相芯线中心、S1和S2构成三角形，为A相芯线中心和S2的连线与y轴在三角形内部的夹角。在y轴右侧取正，在y轴左侧取负，则的取值范围为。测算A相芯线位置用各物理量及其符号的示意图如图2所示。
测算B相芯线和C相芯线位置用各物理量及其表示符号所代表的角度与A相芯线的相同。测算B相芯线和C相芯线位置用各物理量及其符号的示意图，分别如图3和图4所示。
按照上述规定，A相芯线中心的位置为，B相芯线中心的位置是，C相芯线中心的位置在处。可见，对三芯电力电缆而言，其三相芯线中心的位置可以用r A、r B、r C、、共计6个自由度来表征。
在A相芯线中通以大小为I A的直流电流，设向内的方向为电流的正方向，则根据安培环路定理，A相芯线电流I A在S1处产生的磁感应强度的切向分量为
其中，为真空中的磁导率。根据电缆中心位置、A相芯线中心位置和S1构成的三角形的几何关系，有
A相芯线电流I A在S2处产生的磁感应强度的切向分量为
并且有
求解上述方程组，即可得出A相芯线中心的位置。
同理，分别在B相芯线和C相芯线中单独地通以直流电流，就可求解出B相芯线和C相芯线的中心位置。如此，即可解得三芯电力电缆内三相芯线的具体位置，即可实现对三芯电力电缆内各相芯线位置的测定。
为检验上述方法的有效性，采用Maxwell 15.0电磁场有限元仿真软件进行验证。三芯电力电缆的仿真输入参数R=50 mm，仿真时分别设置I A=I B=I C=200 A。注意，当某相电流不为零时，其他两相电流应为零。
这里提供3个仿真算例及其结果，对应三芯电缆芯线位置的三种不同情况。第一种情况为：三芯电缆的A、B两相芯线向右侧偏移，设置r A=30 mm，r B=20 mm，r C=25 mm，=10°， = -140°， =120°，三相芯线的具体位置如图5所示。利用MATLAB科学计算器进行具体的仿真计算，表1和表2中分别给出了A、B两相芯线向右侧偏移情况下，根据本发明专利提出的物理数学模型计算得到的三芯电力电缆各相芯线中心到电缆中心的距离，以及各相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间夹角的仿真输入值和计算值。
表1 A、B两相芯线向右侧偏移情况下各相芯线中心到电缆中心的距离
表2 A、B两相芯线向右侧偏移情况下各相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间的夹角
第二种情况为：三芯电缆的A、C两相芯线向左侧偏移，设置r A=30 mm，r B=25 mm，r C=20mm， =-10°， = -120°， =140°，三相芯线具体位置如图6所示。表3和表4中分别给出了 A、C两相芯线向左侧偏移情况下，根据本发明专利提出的物理数学模型计算得到的三芯电力电缆各相芯线中心到电缆中心的距离，以及各相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间夹角的仿真输入值和计算值。
表3 A、C两相芯线向左侧偏移情况下各相芯线中心到电缆中心的距离
表4 A、C两相芯线向左侧偏移情况下各相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间的夹角
第三种情况为：三芯电缆的A、B、C三相芯线完全对称，设置r A=r B=r C=25 mm， =0°， = -120°， =120°，三相芯线具体位置如图7所示。表5和表6中分别给出了A、B、C三相芯线完全对称情况下，根据本发明专利提出的物理数学模型计算得到的三芯电力电缆各相芯线中心到电缆中心的距离，以及各相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间夹角的仿真输入值和计算值。
表5 A、B、C三相芯线完全对称情况下各相芯线中心到电缆中心的距离
表6 A、B、C三相芯线完全对称情况下各相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间的夹角
不难看出，计算结果与有限元仿真输入的量值几乎完全一致，即验证了本发明专利提出方法的有效性。
需要说明的是，根据上述计算方法得到的各相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间的夹角，可能会出现2个互为相反数解的情况，对应芯线分别在y轴两侧的情形。在三芯电力电缆的实际加工过程中，芯线虽然会有偏移，但三相芯线大致上还是互成约120°的，所以，工程人员可以较轻易地舍去其中的一个解答。
实际上，如果确实出于完全去人工化的需要，可以在S1处另加装一个磁传感器，测量磁感应强度的径向分量，用以判断芯线的左、右方位。对此，也是很容易做到的。
Claims (2)
1.一种测定三芯电力电缆芯线位置的方法，其特征在于包含以下步骤：（1）在三芯电缆表面对称安装两个磁传感器，在给其中单相芯线施加激励后，用磁传感器测量所在位置三芯电力电缆表面的磁感应强度的切向分量；（2）根据两个磁传感器的测得量值，利用安培环路定理以及三芯电力电缆内部各相芯线之间位置结构的几何关系，求解三芯电力电缆单相芯线中心到电缆中心的距离，以及单相芯线中心和电缆中心的连线与y轴之间的夹角，即求解各相芯线的具体位置；（3）给另外两相芯线分别施加激励，分别测得三相芯线的位置。
2.根据权利要求1所述的一种用于测定三芯电力电缆芯线位置的方法，其特征在于：在其中一个磁传感器安装位置处加装一个磁传感器，测量磁感应强度的径向分量。
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