CN112881875B - 一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置，其主要技术特点是：包括调压器、升压器、分压器、电流互感器和测量主机，调压器与升压器相连接用于控制升压器升压，分压器对升压器产生的高电压进行分压并施加在交联聚乙烯电缆导体上，在分压器上连接有分压器数显表，交联聚乙烯电缆导体外的电缆铝护套通过接地线接地，在接地线上穿装有电流互感器并与数字电流表连接，分压器数显表及数字电流表的测量结果输出至测量主机上，测量主机对修复效果进行评判。本发明设计合理，能够对高压交联聚乙烯电缆缓冲层电气性能缺陷修复效果进行有效评价，具有准确可靠、易于实现等特点，对指导电缆修复工作有重要意义。

Description

一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置
技术领域
本发明属于高压电缆技术领域，涉及高压电缆修复装置，尤其是一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置。
背景技术
随着我国城市化的快速发展，城市用电量比重越来越大，占全国用电总量的80％以上。不断增长的用电需求与日趋紧张的城市用地使得电能输送越来越多的采用地下电缆传输方式，其比重可达70％以上。
交联聚乙烯(XLPE)电缆因其具有优异的电气性能、耐热性能以及便于安装等优点，成为陆上城市输电工程的主流选择，目前，我国新建成的城市高压电缆几乎全部采用XLPE绝缘电缆。但是，随着运行年限的增加，近年来，北京、天津、广州、上海、南京以及新加坡、澳大利亚等地区发生了多起高压XLPE电缆本体击穿故障。经过对故障电缆的解剖发现，不同于以往高压电缆绝缘缺陷导致的故障，这些故障电缆绝缘性能并无劣化，而是在其缓冲层(金属护套与绝缘屏蔽之间)中发现有大量“烧蚀”现象，金属护层与绝缘屏蔽上有白色粉末与表面烧伤、放电痕迹。大量研究发现，缓冲层电气性能缺陷是导致该故障发生的根本原因，受外界电、热、水分、压力、腐蚀性液体侵入等因素的综合影响下，高压XLPE电缆缓冲层体积电阻率值异常增加，导致局部场强畸变，从而发生击穿烧蚀事故。
为解决该类事故，延长电缆使用寿命，以期减少更换电缆产生的巨额费用及由于电缆故障停电造成的设备损害及其它经济损失，提高电力电缆系统安全运行水平，节省高压电力电缆系统运行和维护成本，目前已提出多种修复手段对电缆缓冲层进行修复，但是，目前所有方法均无修复后对于修复效果的评价手段。
因此，如何对高压交联聚乙烯电缆缓冲层电气性能缺陷修复效果进行评价是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置，解决当前无法有效对高压交联聚乙烯电缆缓冲层电气性能缺陷修复效果进行评价的问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置，包括调压器、升压器、分压器、电流互感器和测量主机，所述调压器与升压器相连接用于控制升压器升压，所述分压器对升压器产生的高电压进行分压并施加在交联聚乙烯电缆导体上，在分压器上连接有用于测量分压器输出电压的分压器数显表，交联聚乙烯电缆导体外的电缆铝护套通过接地线接地，在接地线上穿装有电流互感器并与用于测量交联聚乙烯电缆电容电流的数字电流表连接，所述分压器数显表及数字电流表的测量结果输出至测量主机上，所述测量主机对修复效果进行评判；
进一步，所述测量主机包括修复等级评判模块和修复效果有效性评判模块，通过修复等级评判模块评判修复效果等级，通过修复效果有效性评判修复效果有效性；
所述修复效果有效性评判修复采用如下数学模型进行评判：
Figure GDA0003687525770000021
当电容电流变化率满足下式认为修复有效，式中，式中U为交联聚乙烯电缆导体施加电压，I1为修复前的电容电流，d为主绝缘层、半导电屏蔽层和缓冲层共挤绝缘外径，t为缓冲层厚度，L为故障电缆长度，ω为施加电压角频率，Δc为电缆分布电容大小。
进一步，所述修复等级评判模块采用如下数学模型进行评判：
Figure GDA0003687525770000022
式中，ΔI为电缆电容电流变化率，I1为修复前电容电流测量，I2为修复后电容电流。
进一步，所述评判修复效果等级包括三级，电缆电容电流变化率高于90为优，90至60为中，小于为60差。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过对修复前、后缓冲层故障电缆整缆进行电容电流测量，得到修复前后缓冲层故障电缆电容电流变化率以及修复后缓冲层电阻率，从而对高压交联聚乙烯电缆缓冲层电气性能缺陷修复效果进行有效评价，其实现方法准确可靠、易于实现，对指导电缆修复工作有重要意义。
附图说明
图1为本发明的电缆缓冲层修复效果测量装置的结构示意图：
图2为使用本发明对电缆缓冲层修复效果进行评价的流程图；
图中，1-调压器，2-升压器，3-分压器，4-交联聚乙烯电缆导体，5-主绝缘，6-半导电屏蔽层，7-缓冲层，8-电缆铝护套，9-电流互感器，10-数字电流表，11-分压器数显表。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置，如图1所示，由调压器(1)、升压器(2)、分压器(3)、分压器数显表(11)、电流互感器(9)及数字电流表(10)构成，所述调压器(1)与升压器(2)相连接用于控制升压器(2)升压，所述分压器(3)对升压器(2)产生的高电压进行分压后施加在交联聚乙烯电缆导体(4)上，在分压器(3)上连接有分压器数显表(11)用于测量分压器(3)的输出电压，并实时显示当前电压幅值，当电压稳定后，记录当前电压幅值为U。所述交联聚乙烯电缆导体(4)从内至外依次为交联聚乙烯电缆导体(4)、主绝缘(5)、半导电屏蔽层(6)、缓冲层(7)和电缆铝护套(8)，该交联聚乙烯电缆导体(4)外的电缆铝护套(8)通过接地线接地，在接地线上穿装有电流互感器(9)并与数字电流表(10)连接，该电流互感器(9)可实时测量交联聚乙烯电缆的电容电流，并通过数字电流表(9)进行显示，记录修复前电容电流为I1，分压器数显表(11)及数字电流表(9)的测量结果可连接到测量主机上。所述测量主机包括修复等级评判模块和修复效果有效性评判模块，通过修复等级评判模块评判修复效果等级，通过修复效果有效性评判模块评判修复效果有效性。
如图2所示，使用本发明进行电缆缓冲层修复效果进行评价的具体过程为：
(1)在运状态下，运用局部放电、红外成像等技术对电缆进行现场故障排查。
(2)运用x射线成像手段对电缆缓冲层状态进行检测，若存在缓冲层缺陷则进入步骤(3)，否则返回步骤(1)。
(3)获取缓冲层故障电缆长度(L)、分布电容大小(Δc)、三层共挤绝缘外径(d)、缓冲层厚度(t)等参数。
(4)将故障电缆整缆连接到基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置上，进行修复前电容电流测量，通过分压器数显表(11)实时测量交联聚乙烯电缆导体(4)的电压幅值U，通过数字电流表(10)实时测量交联聚乙烯电缆导体的电容电容电流为I1。
本步骤的具体测量过程为：首先，调节调压器(1)使升压器(2)升压，分压器数显表(11)实时显示当前电压幅值，当电压稳定后，记录当前电压幅值为U，电流互感器(9)实时获取电容电流，并通过数字电流表(10)进行信号采集，记录修复前电容电流为I1。
(5)对故障电缆进行缓冲层(7)修复工作，修复方法包括导电液注入或高导电粉体注入。
(6)将故障电缆整缆连接到基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置上，进行修复后电容电流测量，得到修复后电容电流为I2，具体方法同步骤(4)。
(7)计算修复前后缓冲层故障电缆电容电流变化率。其计算公式为：
Figure GDA0003687525770000031
根据电容电流变化率大小可对修复效果进行评价(高于90为优、90至60为中、小于60为差)。
(8)计算修复后缓冲层(7)电阻率是否达标。
电缆中，电容电流路径可等效为主绝缘与缓冲层串联，其中主绝缘可视为电容，缓冲层可视为电阻，则修复前的电容电流I1为：
Figure GDA0003687525770000032
修复后的电容电流为：
Figure GDA0003687525770000033
式中ω为施加电压角频率(ω＝2πf)，L为故障电缆长度，Δc为电缆分布电容大小，R1、R2分别为修复前后缓冲层电阻大小，其计算公式为：
Figure GDA0003687525770000034
式中ρ为缓冲层体积电阻率，t为缓冲层厚度，A为缓冲层与铝护套接触面积，为简化计算，按照平滑铝护套全接触，则式(4)可写为：
Figure GDA0003687525770000041
式中d三层(主绝缘层、半导电屏蔽层、缓冲层)共挤绝缘外径。结合式(1)、(2)、(5)可得：
Figure GDA0003687525770000042
式中ρ2为修复后缓冲层(7)电阻率，一般认为当其小于1×103Ω·m时，缓冲层(7)为正常状态，因此认为当电容电流变化率满足式(7)时，可认为修复有效：
Figure GDA0003687525770000043
式中U为施加电压，I1为修复前的电容电流，d三层(主绝缘层(5)、半导电屏蔽层(6)、缓冲层(7))共挤绝缘外径，t为缓冲层厚度，L为故障电缆长度，ω为施加电压角频率(ω＝2πf)，Δc为电缆分布电容大小。
(9)根据步骤(7)及步骤(8)整合修复效果等级及修复有效性评价结果，完成电缆修复效果评价。
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 (3)

1.一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置，其特征在于：包括调压器、升压器、分压器、电流互感器和测量主机，所述调压器与升压器相连接用于控制升压器升压，所述分压器对升压器产生的高电压进行分压并施加在交联聚乙烯电缆导体上，在分压器上连接有用于测量分压器输出电压的分压器数显表，交联聚乙烯电缆导体外的电缆铝护套通过接地线接地，在接地线上穿装有电流互感器并与用于测量交联聚乙烯电缆电容电流的数字电流表连接，所述分压器数显表及数字电流表的测量结果输出至测量主机上，所述测量主机对修复效果进行评判；
所述测量主机包括修复等级评判模块和修复效果有效性评判模块，通过修复等级评判模块评判修复效果等级，通过修复效果有效性评判修复效果有效性；
所述修复效果有效性评判修复采用如下数学模型进行评判：
Figure FDA0003687525760000011
当电容电流变化率满足下式认为修复有效，式中，式中U为交联聚乙烯电缆导体施加电压，I1为修复前的电容电流，d为主绝缘层、半导电屏蔽层和缓冲层共挤绝缘外径，t为缓冲层厚度，L为故障电缆长度，ω为施加电压角频率，Δc为电缆分布电容大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置，其特征在于：所述修复等级评判模块采用如下数学模型进行评判：
Figure FDA0003687525760000012
式中，ΔI为电缆电容电流变化率，I1为修复前电容电流测量，I2为修复后电容电流。
3.根据权利要求2所述的一种基于电容电流分析的电缆缓冲层修复效果测量装置，其特征在于：所述评判修复效果等级包括三级，电缆电容电流变化率高于90为优，90至60为中，小于为60差。
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