CN109917233B - 一种电缆终端绝缘表面过热的抑制及测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆终端绝缘表面过热的抑制及测评方法。抑制方法包括对电缆终端各区域表面温度进行测量、估算电缆终端内部线芯温度、使用降温片进行抑制；测评方法则通过采集局部放电信息和表面温度信息，进行综合分析，进而判断出终端的绝缘状态等。本发明的有益效果在于，可高效、方便地对城市配电网用电缆终端绝缘表面过热现象进行抑制和测评，避免因电缆终端内热量过度集中而导致的终端爆炸问题，实现其可靠运行。

Description

一种电缆终端绝缘表面过热的抑制及测评方法

技术领域

本发明涉及电缆终端故障测评领域，特别是一种电缆终端绝缘表面过热的抑制及测评方法。

背景技术

在配电网中，尤其是城市10kV配电网中，电力电缆的应用已变得越来越广泛，并在城市供电中发挥着不可替代的作用。电力电缆与架空线路相比，在供电可靠性、抗环境干扰与使用年限等方面，都具有不可比拟的优势。电力电缆大多是敷设于地下，不占用地上空间，可节约城市内的土地资源，并避免了架空线路过多、过杂，影响城市面貌等问题。因此，在城市中进行电力电缆线路敷设，或者进行架空线路改造为电缆线路，是发展的主要趋势。如何最大限度地保证电缆线路的正常运行，提高电缆本身的运行可靠性，关系到城市配电网的安全可靠运行。

在电力电缆线路中，电缆终端作为电缆连接其他重要设备的枢纽，是必不可少的重要部件，同时由于终端本身结构设计的原因，该部分也是电缆线路最为薄弱的环节之一，近年来发生的电缆故障大部分是由于电缆终端部分的问题所引起的。而经过统计分析，电缆终端部分由于电场集中，散热不均匀或敷设环境较差等原因，极易出现终端绝缘表面过热的情况，这就大大增加了电缆绝缘击穿或终端爆炸的危险。但目前有关该类问题，仍缺乏有效的预防措施和应对方案。因此，研究电缆终端绝缘表面过热现象的抑制措施，并提出相应的评测方法，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种电缆终端绝缘表面过热的抑制及测评方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

第一步，对电缆终端内绝缘管各区域表面温度进行实时测量：

电缆终端经过铜质接头与其他设备相连，正常运行，实时测量电缆终端内绝缘管内各区域表面的温度T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀；所述T₁、T₂、T₃、T₄、T₅的测量点位于电缆终端内绝缘管下表面，T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀的测量点位于电缆终端内绝缘管上表面；其中，T₁与T₆、T₂与T₇、T₃与T₈、T₄与T₉、T₅与T₁₀的测量点分别上下对置，且T₁与T₆的测量点邻近电缆终端与铜质接头的连接处，T₂与T₇、T₃与T₈、T₄与T₉、T₅与T₁₀的测量点逐渐远离电缆终端与铜质接头的连接处；

第二步：估算电缆终端内部线芯温度；

估算电缆终端内部线芯温度，记为T_core,根据下式进行估算；

设定电缆终端内部缆芯长期运行允许的内部最高温度值为T₀，若T_core>T₀，表明此时需要对测试中的电缆终端进行降温处理，上位机温度控制模块动作，连通直流继电器、警报器，与直流继电器和DC电源相连接的第一半导体降温片、第二半导体降温片、第三半导体降温片、第四半导体降温片、第五半导体降温片、第六半导体降温片、第七半导体降温片、第八半导体降温片、第九半导体降温片、第十半导体降温片开始工作，对电缆终端进行降温处理；所述第一半导体降温片、第二半导体降温片、第三半导体降温片、第四半导体降温片、第五半导体降温片位于电缆终端下侧，第六半导体降温片、第七半导体降温片、第八半导体降温片、第九半导体降温片、第十半导体降温片位于电缆终端上侧，其中，第一半导体降温片与第六半导体降温片、第二半导体降温片与第七半导体降温片、第三半导体降温片与第八半导体降温片、第四半导体降温片与第九半导体降温片、第五半导体降温片与第十半导体降温片的测量点分别上下对置，且第一半导体降温片与第六半导体降温片在靠近电缆终端与铜质接头的连接处，其余则向着远离该连接处的方向均匀排列；

重复第一步至第二步的检测过程，直至排除电缆终端异常热点故障，排除故障后直流继电器、警报器断开；否则，进行以下的判断步骤；

第三步：评估电缆终端绝缘状态

当警报器始终处于工作状态，即警报状态时，将正极信号传输线、负极信号传输线与数字式局部放电测试仪相连，采集电缆终端在5个正弦周期(20ms)内的局部放电脉冲波形，分别记录下各个周期内电缆终端的标准放电波形，分别记为f₁(k)，f₂(k)，f₃(k)，f₄(k)，f₅(k)，其中，f₁(k)，f₂(k)，f₃(k)，f₄(k)，f₅(k)均为采样点数-脉冲电压值(k-U)的序列，k＝1,2,…,1000，相邻采样点之间的采样间隔时间为2×10-²ms，U为脉冲电压值，单位为mV，根据测得的标准放电波形，通过以下步骤评估电缆终端的绝缘状态：

3.1根据下式，估算该放电波形所对应的波形阻尼参数α和形状参数χ；

f_imax(k)＝max(|f_i(k)|),i＝1,2,...,1000 (2)

f_imin(k)＝min(|f_i(k)|),i＝1,2,...,1000 (3)

式中，f_imax(k)为第i个周期内，脉冲电压值的最大值，f_imin(k)为第i个周期内，脉冲电压值的最小值；

3.2根据下式，估算得到出现异常热点故障的电缆终端放电波形时域特征值θ₁和θ₂：

式中，β为所使用电缆终端在20℃下的导体直流电阻值，单位为GΩ/m，该值可通过查询电缆终端出厂的型式试验报告得到；

3.3根据下式，得到用于表征绝缘过热电缆终端故障程度的状态系数γ：

第四步：判定待测电缆终端的绝缘状态如下：

当r1≤γ<r2时，电缆终端的绝缘层出现明显损伤，故障程度为中度，需进行实时监测；

当γ≥r2时，电缆终端的绝缘层受到严重损伤，故障程度为重度，需进行停电检查。其中，r1和r2为判断待测电缆终端绝缘状态的阈值，r1＝0.55，r2＝0.85。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的电缆终端绝缘表面过热的抑制措施可高效、方便地对城市配电网用电缆终端绝缘表面过热现象进行抑制和测评，避免因电缆终端内热量过度集中而导致的终端爆炸问题，实现其可靠运行。

2、本发明的电缆终端绝缘表面过热测评方法能够对终端内绝缘故障进行处理，通过在现场的测试与分析，并为现场人员进一步探究电缆终端内部绝缘状态提供依据。

附图说明

图1为本发明的电缆终端绝缘表面过热测评平台结构示意图；

图2为本发明测试装置外壳及内部装配尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明使用的电缆终端绝缘表面过热测评平台结构示意图，用于实现电缆终端绝缘表面过热的抑制及测评目的，其结构与连接方式如下：

电缆终端绝缘表面过热测评平台由镀铜钢隔离外壳2、下侧无卤阻燃填充绳层4、上侧无卤阻燃填充绳层10、下侧不锈钢内胆层16、上侧不锈钢内胆层23、第一半导体降温片5、第二半导体降温片6、第三半导体降温片7、第四半导体降温片8、第五半导体降温片9、第六半导体降温片25、第七半导体降温片26、第八半导体降温片27、第九半导体降温片28、第十半导体降温片29、第一温度传感器18、第二温度传感器19、第三温度传感器20、第四温度传感器21、第五温度传感器22、第六温度传感器35、第七温度传感器36、第八温度传感器37、第九温度传感器38、第十温度传感器39、左侧橡胶紧固塞、右侧紧固橡胶塞49、上位机温度控制模块43、警报器44、直流继电器46、DC电源47、正极信号传输线50、负极信号传输线51、铜质接地引线52、脉冲采集线圈54构成，其中镀铜钢隔离外壳2为两片对称U型装置，在下侧与上侧的连接部位，分别有1号螺钉11、2号螺钉12、3号螺钉13、4号螺钉14、5号螺钉15与6号螺钉30、7号螺钉31、8号螺钉32、9号螺钉33、10号螺钉34进行紧固，十个半导体降温片分别均匀敷设在下侧不锈钢内胆层16和上侧不锈钢内胆层23上，通过铜质直流电源线48与直流继电器46、DC电源47连接，铜质直流电源线48穿过左侧橡胶紧固塞上部的1号线孔24引出，十个温度传感器分别敷设在电缆终端3内绝缘管40上下表面，与十个半导体降温片保持在同一平面内，通过硅胶线缆42与上位机温度控制模块43连接，硅胶线缆42穿过镀铜钢隔离外壳2上部的2号线孔41引出，其中，第一温度传感器18、第二温度传感器19、第六温度传感器35、第七温度传感器36沿电缆终端的绝缘管40左侧以间隔15cm的距离依次放置，第三温度传感器20、第四温度传感器21与第八温度传感器37、第九温度传感器38分别放置在电缆终端半导体层截断位置17的两侧5cm处，第五温度传感器22与第十温度传感器39继续以间隔15cm的距离依次放置，上位机温度控制模块43则通过带有屏蔽线的信号传输电缆45分别与直流继电器46、警报器44相连，正极信号传输线50、负极信号传输线51、铜质接地引线52通过3号线孔53引出。

图2为本发明装置外壳及内部装配尺寸图，镀铜钢隔离外壳全长600mm，高度为300mm，左侧和右侧镀铜钢隔离外壳出口大小相同，内径为150mm，外径为160mm，1号线孔24的直径为5mm，2号线孔41的直径为10mm，3号线孔53的直径为15mm；半导体降温片对称且均匀固定于下侧不锈钢内胆层16和上侧不锈钢内胆层23内壁，同一侧相邻两个冷却片的距离为110mm；温度传感器错开放置于电缆终端绝缘层内，其中，第一温度传感器18、第二温度传感器19、第三温度传感器20之间，第六温度传感器35、第七温度传感器36、第八温度传感器36之间的间隔均为150mm，而第三温度传感器20与第四温度传感器21、第八温度传感器36与第九温度传感器37之间的间隔为30mm,且对称分布在半导体层截断位置17两侧，第四温度传感器21与第五温度传感器22、第九温度传感器37与第十温度传感器38之间间隔为150mm。

以下为在搭建的电缆终端绝缘表面过热测评平台上进行的各区域表面温度测量工作：

根据前面所述，将电缆终端绝缘表面过热测评平台搭建完毕后，电缆终端3可经过铜质接头1与其他设备相连，正常运行，通过第一温度传感器18、第二温度传感器19、第三温度传感器20、第四温度传感器21、第五温度传感器22、第六温度传感器35、第七温度传感器36、第八温度传感器37、第九温度传感器38、第十温度传感器39测量分别得到电缆终端3内各区域表面的温度T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀，并将测量结果传回上位机温度控制模块43监测内绝缘管40各区域的温度变化情况，其中T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀均为摄氏温度，单位为℃；

然后，可估算电缆终端内部线芯温度；

根据测得的内绝缘管40各区域表面的温度T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀，根据公式(1)估算电缆终端3内部线芯温度，记为T_core,单位为℃，

接下来，进行评估电缆终端绝缘状态的工作；

当警报器44始终处于工作状态，即警报状态时，将正极信号传输线50、负极信号传输线51与数字式局部放电测试仪55相连，采集电缆终端3在5个正弦周期(20ms)内的局部放电脉冲波形，分别记录下各个周期内电缆终端3的标准放电波形，分别记为f₁(k)，f₂(k)，f₃(k)，f₄(k)，f₅(k)，其中，f₁(k)，f₂(k)，f₃(k)，f₄(k)，f₅(k)均为采样点数-脉冲电压值(k-U)的序列，k＝1,2,…,1000，相邻采样点之间的采样间隔时间为2×10^-2ms，U为脉冲电压值，单位为mV，根据测得的标准放电波形f(t)，通过以下步骤评估电缆终端的绝缘状态：

1、根据下式估算该放电波形所对应的波形阻尼参数α和形状参数χ；

f_imax(k)＝max(|f_i(k)|),i＝1,2,...,1000 (2)

f_imin(k)＝min(|f_i(k)|),i＝1,2,...,1000 (3)

中，f_imax(k)为第i个周期内，脉冲电压值的最大值，f_imin(k)为第i个周期内，脉冲电压值的最小值；

2、根据下式估算得到出现异常热点故障的电缆终端放电波形时域特征值θ₁和θ₂：

式中，β为所使用电缆终端在20℃下的导体直流电阻值，单位为GΩ/m，该值可通过查询电缆终端出厂的型式试验报告得到；

3、根据下式得到用于表征绝缘过热电缆终端故障程度的状态系数γ：

最后，判定待测电缆终端的绝缘状态；

当r1≤γ<r2时，电缆终端的绝缘层出现明显损伤，故障程度为中度，需进行实时监测；

当γ≥r2时，电缆终端的绝缘层受到严重损伤，故障程度为重度，需进行停电检查；

其中，r1取值为0.55，r2取值为0.85。

此外，本发明还可实现以下测试功能：

当警报器44始终处于工作状态，并判定电缆终端3处于重度故障时，镀铜钢隔离外壳2、下侧无卤阻燃填充绳层4、上侧无卤阻燃填充绳层10、下侧不锈钢内胆层16、上侧不锈钢内胆层23的共同作用，可保证将该重度故障电缆终端3因温度过高可能引起的爆炸、起火现象控制在镀铜钢隔离外壳2内，减少损失。

Claims (1)

1.一种电缆终端绝缘表面过热的抑制及测评方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，对电缆终端(3)内绝缘管(40)各区域表面温度进行实时测量：

电缆终端(3)经过铜质接头(1)与其他设备相连，正常运行，实时测量电缆终端(3)内绝缘管(40)内各区域表面的温度T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀；所述T₁、T₂、T₃、T₄、T₅的测量点位于电缆终端(3)内绝缘管(40)下表面，T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀的测量点位于电缆终端(3)内绝缘管(40)上表面；其中，T₁与T₆、T₂与T₇、T₃与T₈、T₄与T₉、T₅与T₁₀的测量点分别上下对置，且T₁与T₆的测量点邻近电缆终端(3)与铜质接头(1)的连接处，T₂与T₇、T₃与T₈、T₄与T₉、T₅与T₁₀的测量点逐渐远离电缆终端(3)与铜质接头(1)的连接处；

第二步：估算电缆终端内部线芯温度；

估算电缆终端(3)内部线芯温度，记为T_core,根据下式进行估算；

设定电缆终端内部缆芯长期运行允许的内部最高温度值为T₀，若T_core>T₀，表明此时需要对测试中的电缆终端进行降温处理，上位机温度控制模块(43)动作，连通直流继电器(46)、警报器(44)，与直流继电器(46)和DC电源(47)相连接的第一半导体降温片(5)、第二半导体降温片(6)、第三半导体降温片(7)、第四半导体降温片(8)、第五半导体降温片(9)、第六半导体降温片(25)、第七半导体降温片(26)、第八半导体降温片(27)、第九半导体降温片(28)、第十半导体降温片(29)开始工作，对电缆终端进行降温处理；所述第一半导体降温片(5)、第二半导体降温片(6)、第三半导体降温片(7)、第四半导体降温片(8)、第五半导体降温片(9)位于电缆终端(3)下侧，第六半导体降温片(25)、第七半导体降温片(26)、第八半导体降温片(27)、第九半导体降温片(28)、第十半导体降温片(29)位于电缆终端(3)上侧，其中，第一半导体降温片(5)与第六半导体降温片(25)、第二半导体降温片(6)与第七半导体降温片(26)、第三半导体降温片(7)与第八半导体降温片(27)、第四半导体降温片(8)与第九半导体降温片(28)、第五半导体降温片(9)与第十半导体降温片(29)的测量点分别上下对置，且第一半导体降温片(5)与第六半导体降温片(25)在靠近电缆终端(3)与铜质接头(1)的连接处，其余则向着远离该连接处的方向均匀排列；

重复第一步至第二步的检测过程，直至排除电缆终端异常热点故障，排除故障后直流继电器(46)、警报器(44)断开；否则，进行以下的判断步骤；

第三步：评估电缆终端绝缘状态

当警报器(44)始终处于工作状态，即警报状态时，将正极信号传输线(50)、负极信号传输线(51)与数字式局部放电测试仪(55)相连，采集电缆终端(3)在5个正弦周期(20ms)内的局部放电脉冲波形，分别记录下各个周期内电缆终端(3)的标准放电波形，分别记为f₁(k)，f₂(k)，f₃(k)，f₄(k)，f₅(k)，其中，f₁(k)，f₂(k)，f₃(k)，f₄(k)，f₅(k)均为采样点数-脉冲电压值(k-U)的序列，k＝1,2,…,1000，相邻采样点之间的采样间隔时间为2×10^-2ms，U为脉冲电压值，单位为mV，根据测得的标准放电波形，通过以下步骤评估电缆终端的绝缘状态：

3.1根据下式，估算该放电波形所对应的波形阻尼参数α和形状参数χ；

f_imax(k)＝max(|f_i(k)|),i＝1,2,...,1000 (2)

f_imin(k)＝min(|f_i(k)|),i＝1,2,...,1000 (3)

式中，f_imax(k)为第i个周期内，脉冲电压值的最大值，f_imin(k)为第i个周期内，脉冲电压值的最小值；

3.2根据下式，估算得到出现异常热点故障的电缆终端放电波形时域特征值θ₁和θ₂：

式中，β为所使用电缆终端在20℃下的导体直流电阻值，单位为GΩ/m，该值可通过查询电缆终端出厂的型式试验报告得到；

3.3根据下式，得到用于表征绝缘过热电缆终端故障程度的状态系数γ：

第四步：判定待测电缆终端的绝缘状态如下：

当r1≤γ<r2时，电缆终端的绝缘层出现明显损伤，故障程度为中度，需进行实时监测；

当γ≥r2时，电缆终端的绝缘层受到严重损伤，故障程度为重度，需进行停电检查；

其中，r1和r2为判断待测电缆终端绝缘状态的阈值，r1＝0.55，r2＝0.85。

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