CN112989641A - 一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法，根据正常运行、气隙缺陷、金属毛刺缺陷条件设计方案，构建基于“电磁‑温度‑流”的电缆中间接头多场耦合计算模型，采用基于comsol有限元仿真软件进行空气与水环境下多场耦合分析，获得电缆中间接头温度分布，形成中间接头运行状态数据集合。本方法构建基于最小二乘法的实测温度与仿真温度的比较评价函数，通过确定函数最小值，获得中间接头缺陷情况。与现有技术相比，可以确定运行环境、运行条件、缺陷类型等条件下中间接头温度的外部表征，从而识别电缆中间接头缺陷情况，具有有效准确的优点。

Description

一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种用于高压电缆中间接头缺陷温度表征计算与检测方法。

背景技术

随着我国城市电网的迅猛发展，新建电缆线路的长度逐年增长，中间接头作为交联电缆中间接续的核心附件，使用数量呈增长趋势，得到了电力行业的高度重视。在电缆中间接头运行和安装过程中，作为电缆系统的薄弱单元，局部缺陷情况经常出现，导致接头内部电场、温度场分布不均匀，加速绝缘老化，危害供电的安全性。若无法及时发现问题，甚至将导致爆炸事故，造成巨大的经济损失，影响生产生活安全。因此，研究高压电缆中间接头缺陷的温度表征计算与检测方法，对提升检修水平、保证电力系统的安全可靠运行具有重要意义。

目前，国内相继开展许多对电缆中间接头运行状态的研究，但尚不完善，具有一定局限性，主要存在于以下方面：(1)中间接头由预制件与电缆两部分组成，因材料种类繁多、物理结构复杂等情况，电缆接头的缺陷类型、成因与温度表征各异，需要建立物理场分析模型开展综合评价；(2)中间接头长期位于电缆工井内，处于空气或水环境中，易受外在环境影响，需要建立计及“温度-流”的分析模型，提高检测精度；(3)电缆接头缺陷类型、尺寸、位置的温度检测方法研究较少，难以有效指导运检和制造；(4)电缆中间接头位于电力系统中，其运行电流、运行电压是进行物理场分析的核心。

因此，建立一种基于温度表征的高压电缆中间接头缺陷检测方法，分析正常与缺陷条件下中间接头的温度表征，通过分析采集电力系统潮流信息与电缆接头表面温度确定缺陷类型、位置与程度，实现中间接头运行状态的实时监测，降低故障风险，增加电网运行可靠性。

发明内容

本发明目的是提出一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法。本方法提出正常运行、气隙缺陷、金属毛刺缺陷条件设计方案，构建基于“电磁-温度-流”的电缆中间接头多场耦合计算模型，采用基于comsol有限元仿真软件进行中间接头位于空气或水环境中的多场耦合分析，获得电缆中间接头温度仿真图，形成中间接头运行状态数据集合。本方法构建基于最小二乘法的实测温度与仿真温度的比较评价函数，通过确定评价函数最小值，获得中间接头缺陷情况。

鉴于此，本发明采用的技术方案是，一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法，包括以下步骤：

分别建立电缆中间接头电磁场模型、温度场模型和流场模型；

建立电缆接头“电磁-温度”耦合模型；

建立电缆接头“温度-流”耦合模型；

利用COMSOL有限元仿真软件进行电缆中间接头温度表征分析，获取不同运行电流、环境属性、不同缺陷条件下中间接头外表面温度分布曲线，建立总数为m的运行状态数据集合；

沿电缆接头表面等间距安装n个传感器，获取电缆中间接头的表面温度，根据所述总数为m的运行状态数据集合，每种条件下第i个传感器位置处的计算温度

同时，通过温度传感器实际采集温度，则第i个传感器位置处的采集温度值

基于最小二乘法，以采集温度

与计算温度

的差值平方和最小为评价函数如下：

当评价函数最小时，确定当前情况电缆中间接头当前运行状态，从而判定是否出现缺陷。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明通过开展基于“电磁-温度-流”多场耦合的电缆中间接头运行状态分析，获取正常情况、气隙缺陷、金属毛刺缺陷等条件下的中间接头的温度分布图与外表面温度曲线，综合考虑了运行条件、缺陷类型等多个要素，更符合实际运行情况，更满足实际工程中运行状态复杂的情况。

本发明通过采用材料参数模拟缺陷类型，采用圆柱体结构模拟缺陷形状，采用结构尺寸模拟缺陷发展程度，简化了电缆中间接头内缺陷的计算复杂度，更易分析不同缺陷情况下中间接头的温度表征，并形成了运行状态的数据库。

本发明通过沿电缆中间接头表面均匀分布的温度传感器，利用基于最小二乘法的电缆中间接头缺陷检测方法，结合缺陷的“电磁-温度-流”耦合特性，对比采集数据与计算数据，确定中间接头当前运行状态，确定中间接头的缺陷情况，方法简单实用，具有可行性、准确性和适用性，可广泛应用。

附图说明

图1是电缆及中间接头平面结构图(含温度传感器和缺陷)；

图2是空气环境，运行电压63.5kV、运行电流700A、正常运行条件下表面温度曲线；

图3是空气环境，运行电压63.5kV、运行电流900A、正常运行条件下表面温度曲线；

图4是水环境，运行电压63.5kV、运行电流900A、正常运行条件下表面温度曲线；

图5是空气环境，运行电压63.5kV、运行电流900A、气隙缺陷(1mm直径，1mm高度，距右侧末端850mm)条件下表面温度曲线；

图6是空气环境，运行电压63.5kV、运行电流900A、气隙缺陷(1mm直径，1mm高度，距右侧末端1000mm)条件下温度仿真图(单位:K)；

图7是空气环境，运行电压63.5kV、运行电流900A、气隙缺陷(1mm直径，1mm高度，距右侧末端1000mm)条件下表面温度曲线；

图8是空气环境，运行电压63.5kV、运行电流900A、气隙缺陷(1mm直径，3mm高度，距右侧末端850mm)条件下表面温度曲线；

图9是空气环境，运行电压63.5kV、运行电流900A、气隙缺陷(1mm直径，3mm高度，距右侧末端1000mm)条件下表面温度曲线；

图10是空气环境，运行电压63.5kV、运行电流900A、金属毛刺缺陷(1mm直径，1mm高度，距右侧末端850mm)条件下表面温度曲线。

具体实施方式

本发明具体包括以下步骤

(1)电缆中间接头运行条件与缺陷状态设计

电缆中间接头位于电力系统中，其运行电流、运行电压是进行电磁场分析的核心。中间电缆接头位于接头工井中，通过温度传感器采集工井内的环境温度，作为温度场计算的条件。工井结构体积与内部流场流速有限，采用不可压缩的层流模型，仅考虑空气或水在重力影响下受热流动作为计算条件。

电缆中间接头缺陷种类较多，如金属毛刺、气隙等。随着时间推移缺陷劣化导致缺陷体积变化，可根据缺陷发展程度，建模过程中改变缺陷尺寸。

(2)建立电缆中间接头电磁场计算模型

根据麦克斯韦方程组，中间接头的电磁场分析内容包括：①导体内部流经交流电流，存在趋肤效应；②金属屏蔽、铝护套、铜护壳等因磁场感应，存在感应电流；③硅橡胶、交联聚乙烯等绝缘介质因导体电压存在电场分布，又因缺陷导致电场畸变。④绝缘、导体等因设施温度，电阻率发生变化。

电缆接头及其环境中电磁场计算模型公式如下：

▽×H＝J+jωD

▽×E＝－jωB

▽·B＝0

▽·D＝ρ_e

式中，H为磁场强度，A/m；B为磁感应密度，T；E为电场强度，V/m；J为电流密度，A/m²；D为电位移矢量，C/m²；ρ_e为电荷密度，C/m³；▽为微分算子。

电缆接头及其环境内部各层媒质方程为

D＝εE

B＝μH

J＝σE

式中，ε为介电常数，F/m；μ为磁导率，H/m；σ为电导率，S/m。

电缆接头及其环境的绝缘边界与接地边界为：

n·J＝0

n×A＝0

V_∞＝0

式中，n为边界法向量；A为磁矢势，V·s/m；V_∞为无穷远处接地点的电压值，V。

(3)建立电缆中间接头温度场数学模型

根据傅里叶传热定律，温度场分析主要集中在：①中间接头本体的固体传热；②中间接头运行环境的流体传热；③中间接头本体与环境之间的热交换。

中间接头本体的温度场计算模型：

式中，ρ为物质密度，kg/m³；C_p为恒压热容，J/kg；k为导热系数；Q₁为电阻损耗，包括电缆导体、金属屏蔽和铝护套等，W/m³；Q₂为缺陷损耗，包括气隙缺陷、金属毛刺缺陷等，W/m³；T为介质温度，K。

中间接头运行环境的温度场计算模型：

式中，Q₃为中间接头本体产生的热源；u指流体速度，m/s；

中间接头运行环境的温度场边界计算模型：

-n·q＝h(T_ext-T)

其中，q为热量矢量，T_ext为远离边界的外部流体的温度K,h为传热系数，W/(m²·K)

当电缆中间接头位于空气或水环境中时需要考虑表面辐射散热，其散热边界表达式为：

-n·q＝ε₀σ₀(T_amb ⁴-T⁴)

式中，ε₀为表面发射率，σ₀为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，W/(m²·K²)，T_amb为环境温度，K。

(4)建立电缆中间接头流场数学模型

根据质量守恒与动量守恒定律，流场分析主要集中在：中间结构运行环境的流体运动，采用针对不可压缩流动的层流模型进行分析。

中间接头运行环境的流场计算模型：

ρ▽u＝0

式中，p为静水压力，Pa；I为单位张量；μ为分子动力粘度,Pa·s；F为外力，N；g为重力加速度矢量，m/s²。

中间接头运行环境的流场无滑移边界计算模型：

u|_wall＝0

式中，u|_wall表示壁处流体速度。

(5)建立电缆接头“电磁-温度”耦合模型

温度对电磁特性的影响主要体现在金属材料的电导率上，电缆中间接头内部电阻率计算模型：

式中，δ为线芯、金属屏蔽或铝护套的电导率，S/m；δ₀为参考温度下线芯、金属屏蔽或铝护套的电导率，S/m；T为温度，K；T_ref为电阻率计算的参考温度，α为电导率系数。

电磁场对温度的影响主要体现在提供温度场的热源上，电缆中间接头内部热源计算模型：

式中，J^*为电流密度的共轭；E^*为电场强度的共轭。

(6)建立电缆接头“温度-流”耦合模型

温度与流场间的耦合影响主要体现在电缆本体与环境的热对流上，主要参照中间接头及其运行环境的温度场计算模型。同时，温度场对流场的影响体现在物质密度与动力粘度上，密度与动力粘度的计算模型：

ρ＝de(T)

μ＝dv(T)

式中，de为基于温度参数的经验密度函数；dv为基于温度参数的经验动力粘度函数。

(7)电缆中间接头正常状态与缺陷状态下温度表征计算

利用COMSOL有限元仿真软件进行电缆中间接头温度表征分析，主要由构建几何体、构建耦合模型等步骤组成。

1)构建电缆及中间接头几何体模型。根据图1所示电缆及中间接头结构，利用cad软件绘制三维结构图，生成dwg格式文件，并通过comsol软件中几何模块导入文件，构建电缆及中间接头实体结构。沿电缆轴向，绘制半径250mm，高度3000mm的圆柱形几何体，设置为电缆及中间接头所属环境域。此外，电缆结构中心与环境域中心重合。

2)构建电磁场-温度场-流场耦合分析模型。选择“电场、磁场、固体和流体传热、层流”为物理场。在物理场方程定义中，根据电磁场、温度场、流场的数学计算模型确定计算方程。在电场设置中，将缆芯设为电压型终端，值为运行电压；将铝护套、铜屏蔽、铜护壳设置为电压型终端，值为感应电压，1V；环境域边界设为接地接头，值为0。在磁场设置中，将缆芯部分设置为线圈结构，线圈电流值为运行电流。在固体和流体传热设置中，将电缆本体结构和缺陷设置为固体；将环境域设流体；将气体环境的换热系数设为6.5W/(m²·K)；将水环境的换热系数设为250W/(m²·K)；将电缆本体对环境的表面辐射率设为0.9。在层流设置中，将环境域设为不可压缩性流动。同时，在多物理场耦合设置中，将电磁场与温度场的耦合关系设为电磁热；将温度场与流场的耦合关系设置为非等温层流。几何域中材料可采用comsol数据库已提供的材料参数或相关实验结果设置。

3)设置电缆及中间接头缺陷模型。在几何模型中，绘制圆柱型结构，将缺陷尺寸设为圆柱形结构尺寸，将缺陷类型的材料性质设为缺陷材料。

4)设置初始条件与计算条件。根据物理场的表现与发展方式，温度场初始值设为环境温度，其余场初始值设为0。将电磁场设为“频域”研究，频率设为50Hz；将温度场与流场设为“瞬态”研究，计算时间设为2个阶段，第1阶段持续60min，步长1min，第二阶段持续14h，步长1h。

5)点击计算开始研究。通过仿真计算，获取不同运行电流、不同环境属性、不同缺陷等条件下中间接头外表面温度分布图，仿真模型图如图6所示；获得外表面温度分布曲线，温度分布曲线图如图2-5、7-8所示，形成总数为m的运行状态数据集合。

设定电缆中间接头及含电缆总长约3000mm，运行电压63.5kV，环境温度298.15K，材料参考温度293.15K的情况下，分以下8种情况绘制电缆中间接头表面温度仿真图与曲线图：

①空气环境，运行电流700A、正常运行条件下，表面温度曲线如图2所示；

②空气环境，运行电流900A、正常运行条件下，表面温度曲线如图3所示；

③水环境，运行电流900A、正常运行条件下，表面温度曲线如图4所示；

④空气环境，运行电流900A、气隙圆柱缺陷(1mm直径，1mm高度，距右侧末端850mm)条件下表面温度曲线如图5所示；

⑤空气环境，运行电流900A、气隙圆柱缺陷(1mm直径，1mm高度，距右侧末端1000mm)条件下表面温度如图6所示，表面温度曲线如图7所示；

⑥空气环境，运行电流900A、气隙缺陷(1mm直径，3mm高度，距电缆右侧末端850mm)条件下，表面温度曲线如图8所示；

⑦空气环境，运行电流900A、气隙缺陷(1mm直径，3mm高度，距电缆右侧末端1000mm)条件下，表面温度曲线如图9所示；

⑧空气环境，运行电流900A、金属毛刺缺陷(1mm直径，3mm高度，距电缆右侧末端1000mm)条件下，表面温度曲线如图10所示

(8)电缆中间接头缺陷检测分析方法

沿电缆接头表面隔300mm安装1个温度传感器，共安装9个传感器，获取电缆中间接头的表面温度。根据总数为8的中间电缆接头运行状态数据集合，每种条件下第i个传感器位置处的计算温度

同时，通过温度传感器实际采集温度，则第i个传感器位置处的采集温度值

基于最小二乘法，以采集温度

与计算温度

的差值平方和最小为评价函数如下：

根据表1，实测运行状态与情况4的评价函数最小，可见电缆中间接头存在气隙缺陷，气隙尺寸接近1mm，故障的位置接近850mm。

表1测量点处实测温度、计算温度及评价函数一览表

Claims (6)

1.一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别建立电缆中间接头电磁场模型、温度场模型和流场模型；

建立电缆接头“电磁-温度”耦合模型；

建立电缆接头“温度-流”耦合模型；

利用COMSOL有限元仿真软件进行电缆中间接头温度表征分析，获取不同运行电流、环境属性、不同缺陷条件下中间接头外表面温度分布曲线，建立总数为m的运行状态数据集合；

沿电缆接头表面等间距安装n个传感器，获取电缆中间接头的表面温度，根据所述总数为m的运行状态数据集合，每种条件下第i个传感器位置处的计算温度

同时，通过温度传感器实际采集温度，则第i个传感器位置处的采集温度值

基于最小二乘法，以采集温度

与计算温度

的差值平方和最小为评价函数如下：

当评价函数最小时，确定当前情况电缆中间接头当前运行状态，从而判定是否出现缺陷。

2.根据权利要求1所述一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法，其特征在于：所述电缆中间接头电磁场模型为：

式中，H为磁场强度；B为磁感应密度；E为电场强度；J为电流密度；D为电位移矢量；ρ_e为电荷密度；

为微分算子。

电缆接头及其环境内部各层媒质方程为

D＝εE

B＝μH

J＝σE

式中，ε为介电常数；μ为磁导率；σ为电导率；

电缆接头及其环境的绝缘边界与接地边界为：

n·J＝0

n×A＝0

V_∞＝0

式中，n为边界法向量；A为磁矢势；V_∞为无穷远处接地点的电压值。

3.根据权利要求1所述一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法，其特征在于：所述电缆中间接头温度场模型，其中，中间接头本体的温度场计算模型：

式中，ρ为物质密度；C_p为恒压热容；k为导热系数；Q₁为电阻损耗；Q₂为缺陷损耗；T表示介质温度；

中间接头运行环境的温度场计算模型：

式中，Q₃为中间接头本体产生的热源；u指流体速度；

中间接头运行环境的温度场边界计算模型：

-n·q＝h(T_ext-T)

式中，q为热量矢量，T_ext为远离边界的外部流体的温度,h为传热系数。

4.根据权利要求3所述一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法，其特征在于：当电缆中间接头位于空气或水环境中时需要考虑表面辐射散热，其散热边界表达式为：

-n·q＝ε₀σ₀(T_amb ⁴-T⁴)

式中，ε₀为表面发射率，σ₀为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T_amb为环境温度。

5.根据权利要求1-4任一项所述一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法，其特征在于：所述电缆中间接头流场模型为：

式中，p为静水压力；I为单位张量；μ为分子动力粘度；F为外力；g为重力矢量；

中间接头运行环境的流场无滑移边界计算模型：

u|_wall＝0

式中，u|_wall表示壁处流体速度。

6.根据权利要求5所述一种用于高压电缆中间接头缺陷检测的方法，其特征在于：所述“电磁-温度”耦合模型为：

温度对电磁特性的影响主要体现在金属材料的电导率上，电缆中间接头内部电阻率计算模型：

式中，δ为线芯、金属屏蔽或铝护套的电导率；δ₀为参考温度下线芯、金属屏蔽或铝护套的电导率；T为温度；T_ref为电阻率计算的参考温度，α为电导率系数；

电磁场对温度的影响主要体现在提供温度场的热源上，电缆中间接头内部热源计算模型：

式中，J^*为电流密度的共轭；E^*为电场强度的共轭。

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