CN109444260A - 一种电缆接头复合界面击穿电压的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，主要的技术方案是:通过建立复合界面的击穿电压与该复合界面气隙的击穿强度的关系，而气隙的击穿强度与气隙的大小及界面压强相关，通过参考界面求出该类型复合界面的相关系数，在安装同类型复合界面的电缆接头时，只需对同类型的电缆复合界面进行一次试验，即可根据测量出的相关系数，结合测量出的电缆绝缘层表面的粗糙度和界面压力，大致估算出复合界面的击穿电压范围，从而对电缆的安装质量进行评估，改进了现有的只凭安装人员经验判断电缆接头安装好坏的情况，能有效保障和指导电缆接头的可靠安装，同时为电缆接头的设计与选型提供了数据支撑。

Description

一种电缆接头复合界面击穿电压的预测方法

技术领域

本发明涉及输变电工程外绝缘技术领域，具体而言，涉及一种电缆接头复合界面击穿电压的预测方法。

背景技术

随着城市建设进程的加快，交联聚乙烯电力电缆用量越来越多。大量的现场运行经验表明，电缆附件与电缆连接处，即电缆绝缘和接头绝缘之间的交界面最容易发生击穿，复合界面是高压电缆绝缘系统的薄弱环节以及出现运行故障的主要部位，其故障率约占电力电缆线路故障中的80％以上。主要的原因就在于电缆附件的内部存在着复合界面和电场应力的集中现象。高压电缆和电缆附件连接处因电缆附件安装产生的微小界面划痕、受潮、少量杂质、尖端等都可能会引起电缆的交联聚乙烯绝缘与电缆附件的硅橡胶接触的复合界面上的电荷聚集，进而发生局部放电。这些因素主要取决于电缆附件的安装工艺、电缆的实际运行环境和运行过程中的老化松弛。而其中最关键的可控人为因素就在于电缆附件安装时对绝缘表面的处理。

当前电缆附件安装时，必须在其工艺尺寸内将电缆绝缘屏蔽剥削掉，并对电缆绝缘表面进行打磨处理，使其达到与附件配合面匹配的粗糙度，这样才能保证电缆附件的安全可靠运行。而现在多以工程安装人员资质水平与安装技艺来保证安装质量，现场安装时，安装人员多通过手感和侧光观察来判断电缆绝缘表面的粗糙度，受人为因素影响大。倘若安装过程处理不当，就可能会造成接头处压力不够、或是套管密封不严密；界面有伤痕，半导电层残留或半导电胶渗透到绝缘界面，导体上存在有毛刺或微导电屑，这些因素都对电缆系统运行的可靠性有一定的影响。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，旨在解决现有电缆接头安装质量难以保证的问题。

一个方面，本发明提出了一种电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，包括以下步骤：步骤(1)，选取多组参考电缆绝缘层样品，以各自的电缆接头界面作为参考复合界面，获取各组所述参考电缆绝缘层样品表面的粗糙度数据；步骤(2)，根据各组所述电缆绝缘层样品表面的粗糙度数据和各组所述参考复合界面的压力确定对应所述参考复合界面的实际接触面积；步骤(3)，根据多组所述复合界面的粗糙度数据、压力、所述参考复合界面的实际接触面积及其他相关参数，计算对应所述参考复合界面气隙的大小；步骤(4)，根据每组所述参考复合界面气隙的大小计算对应所述参考复合界面气隙的击穿强度，并根据多组所述参考复合界面气隙的击穿强度与对应所述参考复合界面的击穿电压确定所述参考复合界面击穿电压的相关系数；步骤(5)，取待测复合界面，测量其表面粗糙度、压力，并计算其气隙击穿强度，最后将所述待测复合界面的气隙击穿强度乘以所述步骤(4)中得到的相关系数，得到所述待测复合界面的击穿电压。

进一步地，上述电缆接头复合界面击穿电压的预测方法中，所述步骤(1)中，采用非接触式粗糙度光学测量设备对所述参考电缆绝缘层样品的粗糙度进行测量。

进一步地，上述电缆接头复合界面击穿电压的预测方法中，所述步骤(3)中，所述参考复合界面气隙的大小由下式确定：

其中，

n为所述参考复合界面气隙的等效数量，S_a为参考电缆绝缘层样品的表面积；S_re为参考电缆绝缘层样品的复合界面的实际接触面积。

进一步地，上述电缆接头复合界面击穿电压的预测方法中，所述参考复合界面气隙的等效数量n由下式确定：

其中，

η为所述参考电缆绝缘层表面的面密度，Ra为所述参考电缆绝缘层表面的粗糙度，P为所述参考复合界面的压力，β为所述参考电缆绝缘层表面粗糙峰的平均曲率半径，E_a为所述参考复合界面的等效弹性模量，S_a为参考电缆绝缘层样品的表面积。

进一步地，上述电缆接头复合界面击穿电压的预测方法中，所述参考复合界面的等效弹性模量E_a由下式确定：

其中，

E₁、E₂分别为绝缘棒中交联聚乙烯和绝缘硅橡胶的弹性模量，v₁，v₂为其泊松比。

进一步地，上述电缆接头复合界面击穿电压的预测方法中，所述参考电缆绝缘层表面的面密度η由下式确定：

其中，

L为轮廓测量仪的采样长度，k为采样点数。

进一步地，上述电缆接头复合界面击穿电压的预测方法中，所述步骤(4)

中，所述参考复合界面气隙的击穿强度由下式确定：

其中，

p为所述参考复合界面气隙内的气体压力，p0为标准大气压，d为所述参考复合界面气隙的直径，A、B、C、D为拟合常数。

本发明中提供的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，通过建立复合界面的击穿电压与该复合界面气隙的击穿强度的关系，而气隙的击穿强度与气隙的大小及界面压强相关，通过参考界面求出该类型复合界面的相关系数，在安装同类型复合界面的电缆接头时，只需对同类型的电缆复合界面进行一次试验，即可根据测量出的相关系数，结合测量出的电缆绝缘层表面的粗糙度和界面压力，大致估算出复合界面的击穿电压范围，从而对电缆的安装质量进行评估，改进了现有的只凭安装人员经验判断电缆接头安装好坏的情况，能有效保障和指导电缆接头的可靠安装，同时为电缆接头的设计与选型提供了数据支撑。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法的流程框图；

图3为本发明实施例提供的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法中的帕邢曲线图；

图4为本发明实施例提供的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法中相关系数的拟合曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参阅图1，本发明实施例的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法包括以下步骤：

步骤S1，选取多组参考电缆绝缘层样品，以各自的电缆接头界面作为参考复合界面，获取各组所述参考电缆绝缘层样品表面的粗糙度数据。

具体而言，可以选取一种电缆绝缘层作为参考样品以代表某一特定型号的电缆绝缘层。为了使得预测的结果更加准确，可以选取多组样品，例如选取3组参考电缆绝缘层样品，以各自的电缆接头界面(交联聚乙烯绝缘棒的表面与绝缘橡胶表面接触的面)分别作为参考复合界面。具体测量时，可以采用非接触式粗糙度光学测量设备对所述参考电缆绝缘层样品的粗糙度进行测量。例如，可以选用3D激光显微镜或同类型的其他非接触式粗糙度光学测量设备，对参考电缆绝缘层样品进行测量，得到电缆绝缘层表面轮廓的粗糙度数据(高度分布数据)。

步骤S2，根据各组所述电缆绝缘层样品表面的粗糙度数据和各组所述参考复合界面的压力确定对应所述参考复合界面的实际接触面积。

具体而言，可以采用ANSYS接触分析方法计算参考复合界面的实际接触面积S_re。具体步骤可以包括：(1)建模，将测量的粗糙面数据，使用ANSYS建模，建模的具体过程可以包括：①将由分形函数模型得出的矩阵点的坐标和高度值导入到ANSYS软件中建立粗糙面的关键点阵列；②连接相邻两个的关键点创建线；③以相邻的四条线创建对应的粗糙面，最后用创建的面将长方体分割；(2)设置材料参数(交联聚乙烯和硅橡胶的弹性模量、泊松比、屈服强度、密度)；(3)模型网格划分；(4)设置接触对；(5)添加边界条件和载荷(界面压力)；(6)迭代选用程序自动选取的Newton-Raphon平衡迭代选项，必要时它将自动激活自适应下降因子以帮助收敛，打开非线性大变形效应(Large Deformation Effects)、预报器(Preditor)和自动时间(Auto Step)等选项，将子步数设为50，最大子步数设为100；(7)使用ssum命令计算接触面(交联聚乙烯表面)和目标面(硅绝缘橡胶表面)的接触面积S_re。

步骤S3，根据多组所述复合界面的粗糙度数据、压力、所述参考复合界面的实际接触面积及其他相关参数，计算对应所述参考复合界面气隙的大小。

具体而言，所述参考复合界面气隙的大小由下式确定：

其中，

n为所述参考复合界面气隙的等效数量，S_a为参考电缆绝缘层样品的表面积；S_re为参考电缆绝缘层样品的复合界面的实际接触面积。

上式中，参考复合界面气隙的等效数量n由下式确定：

其中，

η为所述参考电缆绝缘层表面的面密度，Ra为所述参考电缆绝缘层表面的粗糙度，P为所述参考复合界面的压力，β为所述参考电缆绝缘层表面粗糙峰的平均曲率半径，E_a为所述参考复合界面的等效弹性模量，S_a为参考电缆绝缘层样品的表面积。其中，可以采用压力传感器或同类型测量装置测量参考复合界面的压力数据。可以采用千分尺等工具直接测量参考电缆绝缘层样品的表面积S_a。

更进一步的，上述参考复合界面的等效弹性模量E_a由下式确定：

其中，

E₁、E₂分别为绝缘棒中交联聚乙烯和绝缘硅橡胶的弹性模量，v₁，v₂为其泊松比。

上述参考电缆绝缘层表面的面密度η由下式确定：

其中，L为轮廓测量仪的采样长度，k为采样点数。

步骤S4，根据每组所述参考复合界面气隙的大小计算对应所述参考复合界面气隙的击穿强度，并根据多组所述参考复合界面气隙的击穿强度与对应所述参考复合界面的击穿电压确定所述参考复合界面击穿电压的相关系数。

具体而言，可以根据帕邢定律计算参考复合界面气隙的击穿强度。获取多组参考复合界面的参数，以得到多组数据，能使得拟合直线的斜率更接近真实情况，即提高相关系数的准确度。

所述参考复合界面气隙的击穿强度E_v由下式确定(帕邢曲线如图3所示)：

其中，

p为所述参考复合界面气隙内的气体压力，p0为标准大气压(p₀＝101.3kPa)，d为所述参考复合界面气隙的直径，A、B、C、D为拟合常数，其中，

A＝0.00101kV.mm，B＝2.4kV/mm，C＝-0.0097kV，D＝2.244kV.mm^-0.5。

具体实施时，可以采用最小二乘法对多组所述参考复合界面气隙的击穿强度与对应所述参考复合界面的击穿电压数据进行拟合。拟合曲线如图4所示，直线的斜率即为相关系数。

步骤S5，取待测复合界面，测量其表面粗糙度、压力，并计算其气隙击穿强度，最后将所述待测复合界面的气隙击穿强度乘以所述步骤S4中得到的相关系数，得到所述待测复合界面的击穿电压。

具体而言，可以根据参考复合界面的击穿电压与该复合界面气隙的击穿强度的关系，类推出待测复合界面的击穿电压与待测复合界面中气隙击穿强度的关系，也即：待测复合界面的击穿电压的相关系数可以认为与参考复合界面击穿电压的相关系数一致，在相关系数已知的情况下，可以根据待测复合界面的气隙击穿强度与相关系数的乘积得到待测复合界面的击穿电压，从而可以对待测电缆的安装质量进行评估。

上述显然可以得出，本实施例中提供的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，通过建立复合界面的击穿电压与该复合界面气隙的击穿强度的关系，而气隙的击穿强度与气隙的大小及界面压强相关，通过参考界面求出该类型复合界面的相关系数，在安装同类型复合界面的电缆接头时，只需对同类型的电缆复合界面进行一次试验，即可根据测量出的相关系数，结合测量出的电缆绝缘层表面的粗糙度和界面压力，大致估算出复合界面的击穿电压范围，从而对电缆的安装质量进行评估，改进了现有的只凭安装人员经验判断电缆接头安装好坏的情况，能有效保障和指导电缆接头的可靠安装，同时为电缆接头的设计与选型提供了数据支撑。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，选取多组参考电缆绝缘层样品，以各自的电缆接头界面作为参考复合界面，获取各组所述参考电缆绝缘层样品表面的粗糙度数据；

步骤(2)，根据各组所述电缆绝缘层样品表面的粗糙度数据和各组所述参考复合界面的压力确定对应所述参考复合界面的实际接触面积；

步骤(3)，根据多组所述复合界面的粗糙度数据、压力、所述参考复合界面的实际接触面积及其他相关参数，计算对应所述参考复合界面气隙的大小；

步骤(4)，根据每组所述参考复合界面气隙的大小计算对应所述参考复合界面气隙的击穿强度，并根据多组所述参考复合界面气隙的击穿强度与对应所述参考复合界面的击穿电压确定所述参考复合界面击穿电压的相关系数；

步骤(5)，取待测复合界面，测量其表面粗糙度、压力，并计算其气隙击穿强度，最后将所述待测复合界面的气隙击穿强度乘以所述步骤(4)中得到的相关系数，得到所述待测复合界面的击穿电压。

2.根据权利要求1所述的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用非接触式粗糙度光学测量设备对所述参考电缆绝缘层样品的粗糙度进行测量。

3.根据权利要求1所述的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述参考复合界面气隙的大小由下式确定：

其中，

n为所述参考复合界面气隙的等效数量，S_a为参考电缆绝缘层样品的表面积；S_re为参考电缆绝缘层样品的复合界面的实际接触面积。

4.根据权利要求3所述的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，其特征在于，所述参考复合界面气隙的等效数量n由下式确定：

其中，

η为所述参考电缆绝缘层表面的面密度，Ra为所述参考电缆绝缘层表面的粗糙度，P为所述参考复合界面的压力，β为所述参考电缆绝缘层表面粗糙峰的平均曲率半径，E_a为所述参考复合界面的等效弹性模量，S_a为参考电缆绝缘层样品的表面积。

5.根据权利要求4所述的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，其特征在于，所述参考复合界面的等效弹性模量E_a由下式确定：

其中，

E₁、E₂分别为绝缘棒中交联聚乙烯和绝缘硅橡胶的弹性模量，v₁，v₂为其泊松比。

6.根据权利要求4所述的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，其特征在于，所述参考电缆绝缘层表面的面密度η由下式确定：

其中，

L为轮廓测量仪的采样长度，k为采样点数。

7.根据权利要求1所述的电缆接头复合界面击穿电压的预测方法，其特征在于，

所述步骤(4)中，所述参考复合界面气隙的击穿强度由下式确定：

其中，

p为所述参考复合界面气隙内的气体压力，p0为标准大气压，d为所述参考复合界面气隙的直径，A、B、C、D为拟合常数。