CN111832153A - 一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其主要技术特点是：对运行状态下的XLPE电缆进行状态检测，排查出可能存在缺陷的XLPE电缆；获取可能存在缺陷的XLPE电缆的特征参数；利用有限元软件COMSOL搭建电缆结构平台，建立有限元仿真模型；添加物理场；添加材料；设置边界条件；将网格设置为物理场控制网络；设置研究类型，并计算电场强度；根据计算出的电场强度判断电缆缓冲层的状态。本发明不再局限于对电缆缓冲层缺陷问题的定性分析，而是基于有限元法建立定量分析模型，并且提出了比较明确的判定依据，让检修人员能够做出准确预判，提前采取措施，避免严重故障出现，保证了城市电力系统的安全、可靠地运行。

Description

一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法
技术领域
本发明属于高压设备技术领域，涉及电缆输电线路，尤其是一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，电力需求不断提高，同时对输电质量与可靠性要求越来越高。由于城市化进程的加剧，城市用电量逐年上升，传统架空输电线路存在运行故障率较高与输电可靠性差的特点而逐渐被淘汰。目前，城市输电网络基本都采用电缆输电线路，其具有输电性能稳定、安全性高与适应性强的特点。在电缆输电线路中，XLPE电缆由于其良好的物理、化学与机械性能而被广泛采用，其安全可靠性直接关系到城市电力系统的正常运行。
然而，近些年来XLPE电缆线路故障频繁发生，已经严重影响了电力系统的安全稳定运行。针对故障电缆解剖分析发现，多数XLPE电缆的缓冲层结构存在放电烧蚀痕迹，因此寻找电缆缓冲层放电原因并展开故障机理分析至关重要。XLPE电缆缓冲层是位于绝缘屏蔽层与内护套之间的部分，其性能会影响电缆的正常运行。但是，目前研究主要集中于电缆的主要结构如导体、绝缘层与外护套等，而对缓冲层的研究比较少。主要原因在于目前缓冲层的行业标准尚不规范，各个厂家制造的工艺存在差异，行业内缺少缓冲层的状态评估方法。
经初步研究发现，当电缆缓冲层电气性能发生巨大变化，或者缓冲层与内护套的接触状态发生改变时，可以检测到局部放电信号。并且随着放电的发展，会引起缓冲层结构的破坏，测试结束后可以在缓冲层用阻水带上观察到明显的放电痕迹。一般认为，当缓冲层内局部场强发生畸变，其内部最大电场强度超过阈值电场时，会引发放电进而引起烧蚀故障。然而，目前多数研究集中于电缆绝缘部分的电场分析，而对缓冲层内的电场分析较少。因此，根据实际电缆结构建立缓冲层等效模型，并进行缓冲层内电场分布计算，这对于缓冲层状态评定具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，通过有限元法计算缓冲层内的电场强度，并分析电场分布情况，从而对实际工程中电缆缓冲层的状态进行有效评估。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，包括以下步骤：
步骤1、对运行状态下的XLPE电缆进行状态检测，排查出可能存在缺陷的XLPE电缆；
步骤2、获取可能存在缺陷的XLPE电缆的特征参数；
步骤3、利用有限元软件COMSOL搭建电缆结构平台，建立有限元仿真模型；
步骤4、在有限元仿真模型中添加物理场；
步骤5、在有限元仿真模型中添加材料；
步骤6、在有限元仿真模型中设置边界条件；
步骤7、剖分网格，将网格设置为物理场控制网络；
步骤8、在有限元仿真模型中设置研究类型，并计算电场强度；
步骤9、根据计算出的电场强度判断电缆缓冲层的状态。
所述步骤1对运行状态下的XLPE电缆进行状态检测的方法为：局部放电方法、红外成像方法或者局部放电方法与红外成像组合方法。
所述步骤2获取的XLPE电缆的特征参数包括电缆的几何尺寸、电缆的内部结构、电缆缓冲层的接触条件与电缆的材料属性。
所述步骤3在电缆结构平台上添加二维轴对称组件、绘制电缆几何结构图，建立有限元仿真模型。
所述步骤4添加的物理场包括：添加AC/DC模块中的电流模块，运行电缆集合模型。
所述电流模块包括如下泊松方程与电流守恒方程：
Figure BDA0002521555820000021
Figure BDA0002521555820000031
Figure BDA0002521555820000032
D＝εE
J＝σE
其中，E是电场强度矢量，D是电位移矢量，J是电流密度矢量，V是电势，ρ是电荷密度，ε是相对介电常数，σ是电导率。
所述步骤5添加的材料包括：从内向外依次设置导体、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、缓冲层与铝护套的材料属性参数；所述材料属性参数包括相对介电常数与电导率。
所述步骤6设置的边界条件包括：添加终端至电缆内侧导体部分并依据实际工况设置电压，并将铝护套部分设置为接地。
所述步骤7中的网格根据需要设置序列类型与单元大小。
所述步骤9的判断方法为：如果计算出的电场强度不超过空气击穿场强，则认为该电缆缓冲层状态基本正常；当计算出的电场强度超过击穿场强时，认为该电缆缓冲层存在缺陷。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明根据实际电缆结构建立二维轴对称模型，并基于有限元法计算缓冲层内电场强度，通过电场分析对缓冲层状态进行评估。因此，本发明不再局限于对电缆缓冲层缺陷问题的定性分析，而是基于有限元法建立定量分析模型，并且提出了比较明确的判定依据，让检修人员能够做出准确预判，提前采取措施，避免严重故障出现，保证了城市电力系统的安全、可靠地运行。
2、本发明探究电缆缓冲层在接触条件、性能参数发生较大变化下的电场分布情况，并根据缓冲层电场分析结果，设计缓冲层内电场分布评定标准，为实际工程提供重要指导意义。
附图说明
图1是本发明的电缆缓冲层状态评估的方法流程图；
图2是220kVXLPE交流电缆的二维剖面结构图；
图3是220kVXLPE交流电缆的网格剖分图；
图4是220kVXLPE交流电缆的电场强度分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
本发明以220kVXLPE交流电缆为例进行说明。
一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、XLPE电缆运行状态检测。
在本步骤中，运用局部放电、红外成像等技术对运行状态下的XLPE电缆进行现场检测，排查出可能存在缺陷的XLPE电缆。
在步骤中，对XLPE电缆运行状态检测可以单独采用局部放电或红外成像技术，或者使用组合方法进行状态检测。
步骤2、获取可能存在缺陷的XLPE电缆的特征参数。
在本步骤中，针对可能存在缺陷的XLPE电缆，获得其特征参数，这些特征参数包括电缆的几何尺寸、电缆的内部结构、电缆缓冲层的接触条件与电缆的材料属性等。
步骤3、利用有限元软件COMSOL搭建电缆结构平台，建立有限元仿真模型。
在本步骤中，使用有限元软件COMSOL搭建电缆结构平台，在该平台上添加二维轴对称组件、绘制电缆几何结构图等。
步骤4、添加物理场。
在本步骤中，添加物理场包括：添加AC/DC模块中的电流模块，运行电缆集合模型。通过AC/DC模块进行仿真计算，其中，电流模块主要包括泊松方程与电流守恒方程：
Figure BDA0002521555820000041
Figure BDA0002521555820000042
Figure BDA0002521555820000043
D＝εE (4)
J＝σE (5)
其中E是电场强度矢量，D是电位移矢量，J是电流密度矢量，V是电势，ρ是电荷密度，ε是相对介电常数，σ是电导率。
步骤5、添加材料。
在本步骤中，添加材料包括：从内向外依次设置导体、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、缓冲层与铝护套的材料属性参数，如图2所示。
其中，所述材料属性特征参数主要包括：相对介电常数与电导率。
步骤6、设置边界条件。
在本步骤，设置边界条件包括：添加终端至电缆内侧导体部分并依据实际工况设置电压，即设置导体部分的终端电压，并将铝护套部分设置为接地。
步骤7、剖分网格。
在本步骤中，将网格设置为物理场控制网络，单元大小采用较细化。网格根据需要设置序列类型与单元大小。图3给出了网格剖分图。
步骤8、设置研究类型。
在本步骤中，根据电缆类型进行研究设置，设置完成后进行有限元计算，并输出计算结果。计算完成后，隐藏除缓冲层外的所有部分，并绘制电缆缓冲层中的电场强度分布图，如图4所示。
在本实施例中，研究设置的频率为50Hz。
步骤9、根据结果进行判断，如果最大电场强度不超过空气击穿场强(3kV/mm)，则认为该电缆缓冲层部分状态基本正常，不影响电缆正常运行。当最大电场强度超过击穿场强(3kV/mm)时，认为该电缆的缓冲层存在缺陷，可能会引发放电进而导致烧蚀，应及时更换该段的电缆以减少安全隐患。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、对运行状态下的XLPE电缆进行状态检测，排查出可能存在缺陷的XLPE电缆；
步骤2、获取可能存在缺陷的XLPE电缆的特征参数；
步骤3、利用有限元软件COMSOL搭建电缆结构平台，建立有限元仿真模型；
步骤4、在有限元仿真模型中添加物理场；
步骤5、在有限元仿真模型中添加材料；
步骤6、在有限元仿真模型中设置边界条件；
步骤7、剖分网格，将网格设置为物理场控制网络；
步骤8、在有限元仿真模型中设置研究类型，并计算电场强度；
步骤9、根据计算出的电场强度判断电缆缓冲层的状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤1对运行状态下的XLPE电缆进行状态检测的方法为：局部放电方法、红外成像方法或者局部放电方法与红外成像组合方法。
3.根据权利要求1所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤2获取的XLPE电缆的特征参数包括电缆的几何尺寸、电缆的内部结构、电缆缓冲层的接触条件与电缆的材料属性。
4.根据权利要求1所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤3在电缆结构平台上添加二维轴对称组件、绘制电缆几何结构图，建立有限元仿真模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤4添加的物理场包括：添加AC/DC模块中的电流模块，运行电缆集合模型。
6.根据权利要求5所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述电流模块包括如下泊松方程与电流守恒方程：
Figure FDA0002521555810000021
Figure FDA0002521555810000022
Figure FDA0002521555810000023
D＝εE
J＝σE
其中，E是电场强度矢量，D是电位移矢量，J是电流密度矢量，V是电势，ρ是电荷密度，ε是相对介电常数，σ是电导率。
7.根据权利要求1所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤5添加的材料包括：从内向外依次设置导体、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、缓冲层与铝护套的材料属性参数；所述材料属性参数包括相对介电常数与电导率。
8.根据权利要求1所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤6设置的边界条件包括：添加终端至电缆内侧导体部分并依据实际工况设置电压，并将铝护套部分设置为接地。
9.根据权利要求1所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤7中的网格根据需要设置序列类型与单元大小。
10.根据权利要求1所述的一种基于电场分析的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤9的判断方法为：如果计算出的电场强度不超过空气击穿场强，则认为该电缆缓冲层状态基本正常；当计算出的电场强度超过击穿场强时，认为该电缆缓冲层存在缺陷。
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