CN114325260A - 一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估方法及装置，所述方法包括：获取目标高压电缆的结构参数，根据所述结构参数建立等效电缆热路模型和热平衡方程；获取所述目标高压电缆在指定负荷电流和环境温度条件下，电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据；根据所述实时温度变化数据和所述关于热阻的热平衡方程，求得所述目标高压电缆在预设老化时间前后的热阻率；根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态。采用本发明提供的评估方法及装置，以热阻率变化为绝缘状态评估参数，从热力学角度对绝缘劣化状态进行评估，提高电缆状态评估的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及高压电缆检测领域，尤其涉及一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估方法及装置。
背景技术
交联聚乙烯(XLPE)在高压电缆绝缘中发挥着越来越重要的作用，其在电学和热学方面都具有较高性能。XLPE的绝缘状态对电缆运行的安全性和可靠性有深远的影响，而XLPE的外部特性直接取决于其形态学特性。高压交联电缆在实际运行过程中不可避免出现绝缘的劣化和降解现象，这对XLPE的软化和熔化温度、电阻率、电故障和介电损耗产生了负面影响。有充分证据表明，电缆的长期实际运行可能会改变XLPE绝缘的形态，最终导致XLPE性能的下降，进而降低高压交联电缆的有效使用寿命。
大量研究表明XLPE的电学性能和机械性能与XLPE的晶态结构有明显的关联性，XLPE的晶态结构越完善，电学性能和机械性能越高，绝缘状态更加优越。另一方面，XLPE的晶态结构的变化直接影响到其热容的大小，晶态结构越完善，在升温过程中需要更多热量才能使得晶体发生熔融吸热，所能吸收的热量越大，即热容越大。因此，通过测量电缆绝缘的热容值变化可以实现对电缆绝缘的状态进行评估。
目前，我国现有的高压电缆在线监测技术由以下几种：局部放电监测技术、电缆护套环流监测技术、接地电流监测技术和红外温度监测技术等。但以上方法对于在实际运行过程中高压交联电缆的监测可靠性较低，无法准确评估电缆绝缘的状态。
发明内容
本发明实施例提供一种基于热容变化的高压电缆的绝缘状态评估方法及装置，直接监测XLPE电缆绝缘温度，以热阻率变化为绝缘状态评估参数，从热力学角度对绝缘劣化状态进行评估，有效提高电缆主绝缘在线状态评估的可靠性。
为实现上述目的，本申请实施例的第一方面提供了一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估方法，所述方法包括：
获取目标高压电缆的结构参数，根据所述结构参数建立等效电缆热路模型，并根据所述等效电缆热路模型建立关于热阻的热平衡方程；
获取所述目标高压电缆在指定负荷电流和环境温度条件下，电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据；所述实时温度变化数据从电缆施加负荷电流开始记录，至温度达到热平衡状态为止；
根据所述实时温度变化数据和所述关于热阻的热平衡方程，求得所述目标高压电缆在预设老化时间前后的热阻率；
根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述关于热阻的热平衡方程具体为：
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据是采用温度测温仪和温度传感器测取得到的。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述指定负荷电流和环境温度条件是指保持相同的负荷电流和环境温度。
在第一方面的一种可能的实现方式中，根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态，具体包括：
计算在预设老化时间后的热阻率与在预设老化时间前的热阻率之间的比值；
若比值大于第一阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为差；
若比值小于或等于第一阈值，并且大于第二阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为中等；
若比值小于或等于第二阈值，并且大于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为良好；
若比值小于或等于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为优秀；所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第三阈值。
本申请实施例的第二方面提供了一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估装置，包括：
参数获取模块，用于获取目标高压电缆的结构参数，根据所述结构参数建立等效电缆热路模型，并根据所述等效电缆热路模型建立关于热阻的热平衡方程；
温度获取模块，用于获取所述目标高压电缆在指定负荷电流和环境温度条件下，电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据；所述实时温度变化数据从电缆施加负荷电流开始记录，至温度达到热平衡状态为止；
计算模块，用于根据所述实时温度变化数据和所述关于热阻的热平衡方程，求得所述目标高压电缆在预设老化时间前后的热阻率；
评估模块，用于根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态。
在第二方面的一种可能的实现方式中，关于热阻的热平衡方程具体为：
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据是采用温度测温仪和温度传感器测取得到的。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述指定负荷电流和环境温度条件是指保持相同的负荷电流和环境温度。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述评估模块，具体用于：
计算在预设老化时间后的热阻率与在预设老化时间前的热阻率之间的比值；
若比值大于第一阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为差；
若比值小于或等于第一阈值，并且大于第二阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为中等；
若比值小于或等于第二阈值，并且大于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为良好；
若比值小于或等于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为优秀；所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第三阈值。
本发明实施例提供的一种基于热容变化的高压电缆的绝缘状态评估方法及装置，通过直接获取XLPE电缆绝缘温度，温度记录的范围从电缆施加负荷电流开始至温度达到热平衡状态。结合温度数据和热平衡方程求得老化前后的热阻值变化，并以热阻率为绝缘状态评估参数，从热力学角度对绝缘劣化状态进行评估。区别于局部放电监测等现有的电缆在线监测技术，本方法中运用的温度监测技术成熟且精确绝缘材料热力学结构研究也比较成熟，且在普遍条件下，电缆绝缘的热阻率值与绝缘的劣化程度呈现正相关关系，根据热阻率变化程度能有效可靠地进行电缆绝缘状态评估。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种高压交联电缆热路模型图；
其中，说明书附图中的附图2标记如下：
P0表示电缆导体发热功率；P1表示XLPE绝缘的介电损耗，在实际检测中可以忽略；P2表示金属护套的损耗，包括环流损耗和涡流损耗；T1表示电缆导体的实时温度；T2表示XLPE绝缘的实时表面温度；T3表示缓冲层的实时表面温度；TS表示电缆外表面的实时温度；R0表示电缆导体的热阻，在实际测量中可以认为是0；R1表示XLPE绝缘的热阻；R2表示缓冲层的热阻；R3表示外护套的热阻。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明一实施例提供了一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估方法，所述方法包括：
S10、获取目标高压电缆的结构参数，根据所述结构参数建立等效电缆热路模型，并根据所述等效电缆热路模型建立关于热阻的热平衡方程。
S11、获取所述目标高压电缆在指定负荷电流和环境温度条件下，电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据；所述实时温度变化数据从电缆施加负荷电流开始记录，至温度达到热平衡状态为止。
S12、根据所述实时温度变化数据和所述关于热阻的热平衡方程，求得所述目标高压电缆在预设老化时间前后的热阻率。
S13、根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态。
基于热参数的电缆绝缘状态评估方法具有以下的优越性：1.所提出的评估方法时基于电缆热路模型展开研究的，热路模型已得到广泛承认并作为计算电缆载流量的重要方法；2.温度监测技术已十分成熟，分布式光纤技术已经开始普遍运用在高压交联电缆当中，对电缆导体进行实时的测温且测温的精度和分辨率极高。基于上述理由，本发明实施例提出了一种基于热容变化的高压电缆主绝缘状态评估方法，通过检测热容变化实现更准确可靠的绝缘状态评估。这可以为电力行业追求优化的诊断运行电缆允许的长期负载性能并延长其有效使用寿命提供更准确的方法。本发明实施例着重分析电缆老化前后热参数中热容量的变化，根据绝缘劣化关联性研究，提出一种基于热容变化的高压交联电缆主绝缘状态评估方法，解决以往监测技术和检测信号随机性大，波动误差大的情况，极大程度提高电缆主绝缘劣化状态评估的可靠性。
S11中通过目标高压交联电缆的负荷电流并采用温度测温仪和温度传感器测取电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度，温度记录的范围从电缆施加负荷电流开始至温度达到热平衡状态。
需要说明的是，老化时间的确定主要根据实际运行目标电缆线路的运行年限、运行负荷条件和环境恶劣程度等确定。因此，这需要通过电网运维人员根据实际情况确认检测周期，可以与其他在线监测的检测周期同步，本发明实施例主要是提供检测绝缘状态方法，没有硬性规定检测周期。
示例性地，请参见图2所示的等效电缆热路模型，根据此等效电缆热路模型，建立的关于热阻的热平衡方程具体为：
已知电阻与电缆结构的关系：
分析可得热平衡方程关于ρ1的通解：
目标电缆在一段老化时间后，重复上述步骤获取电缆热阻率。
示例性地，所述电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据是采用温度测温仪和温度传感器测取得到的。
示例性地，所述指定负荷电流和环境温度条件是指保持相同的负荷电流和环境温度。
示例性地，所述根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态，具体包括：
计算在预设老化时间后的热阻率与在预设老化时间前的热阻率之间的比值；
若比值大于第一阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为差；
若比值小于或等于第一阈值，并且大于第二阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为中等；
若比值小于或等于第二阈值，并且大于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为良好；
若比值小于或等于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为优秀；所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第三阈值。
根据电缆在老化一段时间前后的热容值变化与对绝缘劣化关联性研究，可知在普遍条件下，电缆绝缘的热容值与绝缘的劣化程度呈现负相关关系，即电缆绝缘热容值越大，绝缘的劣化程度越低的关系。
在分析基础上制定热阻率变化主绝缘劣化程度等级划分表作为高压交联电缆主绝缘状态评估方法的标准。在实际应用中，可将第一阈值、第二阈值、第三阈值分别设置为120％，140％，160％。当热阻率值上升至原来的120％，140％，160％时，分别对应四个等级：a＞160％为差，140％＜a≤160％为中，120％＜a≤140％为良，a≤120％为优，其中a是在在预设老化时间后的热阻率与在预设老化时间前的热阻率之间的比值。
本发明实施例提供的一种基于热容变化的高压电缆的绝缘状态评估方法，通过直接获取XLPE电缆绝缘温度，温度记录的范围从电缆施加负荷电流开始至温度达到热平衡状态。结合温度数据和热平衡方程求得老化前后的热阻值变化，并以热阻率为绝缘状态评估参数，从热力学角度对绝缘劣化状态进行评估。区别于局部放电监测等现有的电缆在线监测技术，本方法中运用的温度监测技术成熟且精确绝缘材料热力学结构研究也比较成熟，且在普遍条件下，电缆绝缘的热阻率值与绝缘的劣化程度呈现正相关关系，根据热阻率变化程度能有效可靠地进行电缆绝缘状态评估。
示例性地，可以将整个评估方法应用至型号为YJLW03-Z 64/110 1*500的新电缆，具体过程如下：
(1)选择型号为YJLW03-Z 64/110 1*500的新电缆作为目标高压电缆，记录其结构参数；
采用关键结构参数如下表1的新电缆XLPE-0，电缆的型号：YJLW03-Z64/110 1*500。
表1电缆关键结构参数
(2)选取2米长的测试电缆安装在高压交联电缆热参数检测控制平台上；通过钻孔将热电偶探入电缆导体和绝缘外表面，使热电偶紧贴于测量部位；然后在所述热电偶触头处完全覆盖银硅脂，且银硅脂覆盖层内部无气隙，热电偶触头无外露；再用PVC带将热电偶引线及触头扎紧；最后将热电偶的另一端接至无纸记录仪进行实时的温度测量。
(3)为了模拟运行电缆在线监测条件，在所述电缆截取部分两端装上温度补偿器，使电缆两端温度与中间温度保持一致，用于模拟无限长的电缆线路。
(4)对电缆通入1300A电流使得电缆内部达到热平衡状态，测取电缆导体和绝缘外层的温度变化曲线，并绘制电缆温升曲线。
(5)分析如图2等效电缆热路模型，建立等效电缆关于热阻的热平衡方程。由电缆导体参数和电流值计算出导体的发热功率P1，推算出电缆绝缘的热阻R1。
(6)对目标高压交联电缆进行240h的电缆整体加速热老化实验后，重复上述步骤再次测量其热阻R1’。实验结果如表2所示。
表1加速老化试验前后绝缘热阻率变化数据
(7)对比目标高压交联电缆老化前后热阻值R1和R1’，根据等级划分表可对高压交联电缆主绝缘劣化状态进行评估。
由表2数据可以看出电缆在进行加速热老化后热量相比初始热阻(率)量有所减小，热阻率下降为原来的92.38％，根据绝缘劣化等级划分表，如表3所示，绝缘状态良好。
表3绝缘劣化等级划分表
本发明实施例的提供了一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估装置，包括：参数获取模块、温度获取模块、计算模块和评估模块。
参数获取模块，用于获取目标高压电缆的结构参数，根据所述结构参数建立等效电缆热路模型，并根据所述等效电缆热路模型建立关于热阻的热平衡方程。
温度获取模块，用于获取所述目标高压电缆在指定负荷电流和环境温度条件下，电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据；所述实时温度变化数据从电缆施加负荷电流开始记录，至温度达到热平衡状态为止。
计算模块，用于根据所述实时温度变化数据和所述关于热阻的热平衡方程，求得所述目标高压电缆在预设老化时间前后的热阻率。
评估模块，用于根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态。
示例性地，关于热阻的热平衡方程具体为：
示例性地，所述电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据是采用温度测温仪和温度传感器测取得到的。
示例性地，所述指定负荷电流和环境温度条件是指保持相同的负荷电流和环境温度。
示例性地，所述评估模块，具体用于：
计算在预设老化时间后的热阻率与在预设老化时间前的热阻率之间的比值；
若比值大于第一阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为差；
若比值小于或等于第一阈值，并且大于第二阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为中等；
若比值小于或等于第二阈值，并且大于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为良好；
若比值小于或等于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为优秀；所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第三阈值。
本发明实施例提供的一种基于热容变化的高压电缆的绝缘状态评估装置，通过直接获取XLPE电缆绝缘温度，温度记录的范围从电缆施加负荷电流开始至温度达到热平衡状态。结合温度数据和热平衡方程求得老化前后的热阻值变化，并以热阻率为绝缘状态评估参数，从热力学角度对绝缘劣化状态进行评估。区别于局部放电监测等现有的电缆在线监测技术，本方法中运用的温度监测技术成熟且精确绝缘材料热力学结构研究也比较成熟，且在普遍条件下，电缆绝缘的热阻率值与绝缘的劣化程度呈现正相关关系，根据热阻率变化程度能有效可靠地进行电缆绝缘状态评估。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估方法，其特征在于，包括：
获取目标高压电缆的结构参数，根据所述结构参数建立等效电缆热路模型，并根据所述等效电缆热路模型建立关于热阻的热平衡方程；
获取所述目标高压电缆在指定负荷电流和环境温度条件下，电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据；所述实时温度变化数据从电缆施加负荷电流开始记录，至温度达到热平衡状态为止；
根据所述实时温度变化数据和所述关于热阻的热平衡方程，求得所述目标高压电缆在预设老化时间前后的热阻率；
根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态。
2.如权利要求1所述的高压电缆的绝缘状态评估方法，其特征在于，所述关于热阻的热平衡方程具体为：
3.如权利要求1所述的高压电缆的绝缘状态评估方法，其特征在于，所述电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据是采用温度测温仪和温度传感器测取得到的。
4.如权利要求1所述的高压电缆的绝缘状态评估方法，其特征在于，所述指定负荷电流和环境温度条件是指保持相同的负荷电流和环境温度。
5.如权利要求1所述的高压电缆的绝缘状态评估方法，其特征在于，所述根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态，具体包括：
计算在预设老化时间后的热阻率与在预设老化时间前的热阻率之间的比值；
若比值大于第一阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为差；
若比值小于或等于第一阈值，并且大于第二阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为中等；
若比值小于或等于第二阈值，并且大于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为良好；
若比值小于或等于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为优秀；所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第三阈值。
6.一种基于热阻变化的高压电缆的绝缘状态评估装置，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取目标高压电缆的结构参数，根据所述结构参数建立等效电缆热路模型，并根据所述等效电缆热路模型建立关于热阻的热平衡方程；
温度获取模块，用于获取所述目标高压电缆在指定负荷电流和环境温度条件下，电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据；所述实时温度变化数据从电缆施加负荷电流开始记录，至温度达到热平衡状态为止；
计算模块，用于根据所述实时温度变化数据和所述关于热阻的热平衡方程，求得所述目标高压电缆在预设老化时间前后的热阻率；
评估模块，用于根据在预设老化时间前后的热阻率变化程度，评估所述目标高压电缆的绝缘状态。
7.如权利要求6所述的高压电缆的绝缘状态评估装置，其特征在于，关于热阻的热平衡方程具体为：
8.如权利要求6所述的高压电缆的绝缘状态评估装置，其特征在于，所述电缆导体温度和绝缘外表面温度的实时温度变化数据是采用温度测温仪和温度传感器测取得到的。
9.如权利要求6所述的高压电缆的绝缘状态评估装置，其特征在于，所述指定负荷电流和环境温度条件是指保持相同的负荷电流和环境温度。
10.如权利要求6所述的高压电缆的绝缘状态评估装置，其特征在于，所述评估模块，具体用于：
计算在预设老化时间后的热阻率与在预设老化时间前的热阻率之间的比值；
若比值大于第一阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为差；
若比值小于或等于第一阈值，并且大于第二阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为中等；
若比值小于或等于第二阈值，并且大于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为良好；
若比值小于或等于第三阈值，所述目标高压电缆的绝缘状态为优秀；所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第三阈值。
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| CN117110518B (zh) * | 2023-10-20 | 2024-01-23 | 国网北京市电力公司 | 基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法 |
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