CN114355125A

CN114355125A - 基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置及方法

Info

Publication number: CN114355125A
Application number: CN202210037643.8A
Authority: CN
Inventors: 李乾; 刘玲玉; 段志国; 韩广; 冯俊国; 孙晓云; 张珺; 刘保安; 郑海清; 刘浩然; 郭康; 王思莹; 吴灏; 王淇锋
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Shijiazhuang Tiedao University; Shijiazhuang Power Supply Co of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Shijiazhuang Tiedao University; Shijiazhuang Power Supply Co of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明公开了基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置及方法，涉及电缆缺陷判断技术领域；装置包括获得特征库模块和检测模块，获得特征库模块，用于处理器获得由电缆电场分布线图组成的特征库，特征库包括正常电缆电场分布线图和缺陷电缆电场分布线图，检测模块，用于处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态，方法包括S1获得特征库和S2检测，其通过处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态，实现判断电缆缺陷的效率较高。

Description

基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置及方法

技术领域

本发明涉及电缆缺陷判断技术领域，尤其涉及一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置及方法。

背景技术

高压直流电缆输电是电力输送的主要形式之一，交联聚乙烯，英文名称为cross-linkedpolyethylene，缩写为XLPE，电缆凭借其良好的电气及机械性能，成为高压直流电力电缆的主流。近年来，高压直流电缆制造技术发展迅猛，但关于其绝缘状态检测及故障诊断等运维技术的研究相对滞后。局部放电，英文名称为Partial Discharges，缩写为PD，是导致电力电缆绝缘劣化和老化的主要形式之一。同时，局部放电检测是重要的电缆绝缘状况检测和早期故障诊断手段之一。关于交流XLPE电缆局部放电特征分析、检测标准及辨识技术的研究已日趋完善，但针对直流XLPE电缆的该方面研究极少。一方面，直流电缆研究相较交流电缆起步较晚，另一方面，由于直流局放缺少相位信息，其特征规律方面的研究相比交流局放更加复杂。

申请公布号为CN 104698355 A，名称为高压电缆局部放电在线诊断方法，以下简称对比文件1。该技术方案解决的实际技术问题是如何获知电缆交流放电，通过获取交流的放电信息，结合分析放电信息中的相位信息，从而获知电缆故障。由于直流局放中不存在相位信息，所以对比文件1的技术方案无法判断电缆直流放电的故障。

申请公布号为CN 108957261 A，名称为一种直流电缆典型缺陷局部放电识别方法，以下简称对比文件2。该技术方案，将局部放电的特征散点图和二维统计分布直方图作为特征指纹，将特征指纹划分为训练集和测试集，以对BP神经网络进行训练和测试；将待识别的局部放电数据输入经过训练和测试的BP神经网络中，以对该待识别的局部放电数据进行缺陷识别，即将故障现场获取的待检测特征指纹输入神经网络进行分类并获知故障类型。对比文件2中的方法步骤比较复杂，不便于实际应用，因为，在现场根据部放电模式数据获取散点图比较困难，该方法步骤费时费力，不便于实际操作，进而造成神经网络分类并获得故障类型的整体效率较低。

一般认为XLPE电缆线路正常运行寿命约30年，然而实际运行过程、电缆本体或附件制造质量、敷设安装质量等原因导致的电缆运行故障，会造成不同程度的经济损失和社会影响。局部放电Partial Discharges，PD是导致高压直流电力电缆绝缘劣化和老化的主要原因之一。电缆的局部放电检测量与其绝缘状况密切相关。因此，研究直流电缆局部放电特征规律具有重要的科学研究和工程应用价值。局部放电模式辨识，即对典型绝缘缺陷的局部放电特征进行识别，是电缆状态评估和故障诊断的关键步骤，旨在对状态检测获取的数据进一步分析并合理解释，进而对电缆状态、潜在缺陷以及缺陷的类型、严重程度等信息做出判断。

XLPE电缆电路中进行在线局部放电检测时，主要问题有：电缆线路上存在绝缘缺陷放电时，缺陷类型多样，如何分类。高压电缆工作在十分强大的电场之中，缺陷数量位置变化多样。

现有技术问题及思考：

如何解决在判断电缆缺陷的工作中判断效率较差的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置及方法，解决在判断电缆缺陷的工作中判断效率较差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置包括获得特征库模块和检测模块，所述获得特征库模块为程序模块，用于处理器获得由电缆电场分布线图组成的特征库，特征库包括正常电缆电场分布线图和缺陷电缆电场分布线图；所述检测模块为程序模块，用于处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态。

进一步的技术方案在于：所述获得特征库模块包括获得正常电缆电场分布线图模块，获得正常电缆电场分布线图模块为程序模块，用于处理器获得电缆模型，基于静电场添加激励，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为正常电缆电场分布线图。

进一步的技术方案在于：所述获得特征库模块还包括获得缺陷电缆电场分布线图模块，获得缺陷电缆电场分布线图模块为程序模块，用于通过处理器将杂质放置在电缆模型上，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为缺陷电缆电场分布线图。

进一步的技术方案在于：所述电缆模型包括从内到外依次分布的缆芯、第一半导体层、第一绝缘层、第二半导体层、屏蔽层和第二绝缘层，所述待检测电缆的状态包括正常。

进一步的技术方案在于：所述杂质包括导体颗粒、半导体颗粒和水滴，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图，所述第一类缺陷电场分布线图为由导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第二类缺陷电场分布线图为由半导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第三类缺陷电场分布线图为由水滴影响电缆模型获得的电场分布线图，所述待检测电缆的状态包括第一至第三类缺陷，所述第一类缺陷为由导体颗粒导致的缺陷并与第一类缺陷电场分布线图相对应，所述第二类缺陷为由半导体颗粒导致的缺陷并与第二类缺陷电场分布线图相对应，所述第三类缺陷为由水滴导致的缺陷并与第三类缺陷电场分布线图相对应。

进一步的技术方案在于：还包括频谱分析仪和计算机以及有限单元模块，所述频谱分析仪与计算机连接并通信，所述获得特征库模块和检测模块运行于计算机上，所述获得特征库模块，还用于计算机的处理器获得特征库；所述检测模块，还用于频谱分析仪获得待检测电缆电场分布线图并发往处理器；所述有限单元模块为程序模块，用于建立电缆模型，设置静电场，添加激励，网格划分，求解并获得电场分布图，基于电场分布图以原点为起点沿径向画线并生成电场分布线图。

一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断方法包括如下步骤，S1获得特征库，处理器获得由电缆电场分布线图组成的特征库，特征库包括正常电缆电场分布线图和缺陷电缆电场分布线图，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图；S2检测，处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态，所述待检测电缆的状态包括正常以及第一至第三类缺陷，所述正常的状态与正常电缆电场分布线图相对应，所述第一类缺陷为由导体颗粒导致的缺陷并与第一类缺陷电场分布线图相对应，所述第二类缺陷为由半导体颗粒导致的缺陷并与第二类缺陷电场分布线图相对应，所述第三类缺陷为由水滴导致的缺陷并与第三类缺陷电场分布线图相对应。

进一步的技术方案在于：步骤S1包括如下步骤，S101获得正常电缆电场分布线图，基于有限单元模块，处理器获得电缆模型，所述电缆模型包括从内到外依次分布的缆芯、第一半导体层、第一绝缘层、第二半导体层、屏蔽层和第二绝缘层，基于静电场添加激励，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为正常电缆电场分布线图；S102获得缺陷电缆电场分布线图，通过处理器将杂质放置在电缆模型上，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为缺陷电缆电场分布线图；所述杂质包括导体颗粒、半导体颗粒和水滴，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图，所述第一类缺陷电场分布线图为由导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第二类缺陷电场分布线图为由半导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第三类缺陷电场分布线图为由水滴影响电缆模型获得的电场分布线图。

一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现上述相应的步骤，所述计算机程序包括获得特征库模块和检测模块。

一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述相应的步骤，所述计算机程序包括获得特征库模块和检测模块。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置包括获得特征库模块和检测模块，其通过处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态，实现判断电缆缺陷的效率较高。

一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断方法，其通过步骤S1和步骤S2等，处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态，该方法步骤省时省力，实现判断电缆缺陷的效率较高。

详见具体实施方式部分描述。

附图说明

图1是本发明实施例1的原理框图；

图2是本发明实施例2的流程图；

图3是电缆模型的屏幕截图；

图4是电缆模型划分网格图；

图5是正常无缺陷电缆电场分布图；

图6是正常无缺陷电缆电场分布线图；

图7是一个金属杂质电场分布图；

图8是横排两个金属杂质电场分布图；

图9是竖排两个金属杂质电场分布图；

图10是一个金属杂质电场分布线图；

图11是横排两个金属杂质电场分布线图；

图12是竖排两个金属杂质电场分布线图；

图13金属杂质横跨三层时电场分布图；

图14金属杂质横跨两层时电场分布图；

图15金属杂质横跨三层时电场分布线图；

图16金属杂质横跨两层时电场分布线图；

图17是一个半导体杂质电场分布图；

图18是横排两个半导体杂质电场分布图；

图19是竖排两个半导体杂质电场分布图；

图20是一个半导体杂质电场分布线图；

图21是横排两个半导体杂质电场分布线图；

图22是竖排两个半导体杂质电场分布线图；

图23是一个绝缘受潮杂质电场分布图；

图24是横排两个绝缘受潮杂质电场分布图；

图25是竖排两个绝缘受潮杂质电场分布图；

图26是一个绝缘受潮杂质电场分布线图；

图27是横排两个绝缘受潮杂质电场分布线图；

图28是竖排两个绝缘受潮杂质电场分布线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1：

如图1所示，本发明公开了一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置包括频谱分析仪和计算机以及运行于计算机上的获得特征库模块和检测模块，所述频谱分析仪与计算机无线连接并单向通信。其中，频谱分析仪和计算机本身以及相应的通信连接技术为现有技术在此不再赘述。

获得特征库模块为程序模块，用于计算机的处理器获得由电缆电场分布线图组成的特征库，特征库包括正常电缆电场分布线图和缺陷电缆电场分布线图，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图。

检测模块为程序模块，用于频谱分析仪获得待检测电缆电场分布线图并发往计算机的处理器，处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态，所述待检测电缆的状态包括正常以及第一至第三类缺陷，所述正常的状态与正常电缆电场分布线图相对应，所述第一类缺陷为由导体颗粒导致的缺陷并与第一类缺陷电场分布线图相对应，所述第二类缺陷为由半导体颗粒导致的缺陷并与第二类缺陷电场分布线图相对应，所述第三类缺陷为由水滴导致的缺陷并与第三类缺陷电场分布线图相对应。

实施例1使用说明：

在使用前，通过有限单元模块获得由电缆电场分布线图组成的特征库。

有限单元模块为程序模块，用于建立电缆模型，设置静电场，添加激励，网格划分，求解并获得电场分布图，基于电场分布图以原点为起点沿径向画线并生成电场分布线图。其中，有限单元模块即ANSYS有限单元软件程序模块，其为现有技术在此不再赘述。

获得特征库模块为程序模块包括获得正常电缆电场分布线图模块和获得缺陷电缆电场分布线图模块，用于计算机的处理器获得由电缆电场分布线图组成的特征库，特征库包括正常电缆电场分布线图和缺陷电缆电场分布线图。

获得正常电缆电场分布线图模块为程序模块，用于处理器获得电缆模型，所述电缆模型包括从内到外依次分布的缆芯、第一半导体层、第一绝缘层、第二半导体层、屏蔽层和第二绝缘层，基于静电场添加激励，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为正常电缆电场分布线图。

获得缺陷电缆电场分布线图模块为程序模块，用于通过处理器将杂质放置在电缆模型上，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为缺陷电缆电场分布线图；所述杂质包括导体颗粒、半导体颗粒和水滴，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图，所述第一类缺陷电场分布线图为由导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第二类缺陷电场分布线图为由半导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第三类缺陷电场分布线图为由水滴影响电缆模型获得的电场分布线图。

如图3所示，电缆模型包括从内到外依次分布的缆芯、内半导体层、XLPE层、外半导体层、金属屏蔽层和PE层。所述电缆模型包括从内到外依次分布的缆芯、第一半导体层、第一绝缘层、第二半导体层、屏蔽层和第二绝缘层，即铜导体层、内半导体层、交联聚乙烯绝缘层、外半导体层、金属屏蔽层、外护套层，上述各层分别相应对应，习惯性名称不同。

基于电场分布图以原点为起点沿径向画线并生成电场分布线图，电场分布线图即电场强度的一维线图。

实施例2：

如图2所示，本发明公开了一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断方法，基于实施例1的装置，包括如下步骤：

S1获得特征库

基于有限单元模块，计算机的处理器获得由电缆电场分布线图组成的特征库，特征库包括正常电缆电场分布线图和缺陷电缆电场分布线图，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图。

有限单元模块为程序模块，用于建立电缆模型，设置静电场，添加激励，网格划分，求解并获得电场分布图，基于电场分布图以原点为起点沿径向画线并生成电场分布线图。

S101获得正常电缆电场分布线图

处理器获得电缆模型，所述电缆模型包括从内到外依次分布的缆芯、第一半导体层、第一绝缘层、第二半导体层、屏蔽层和第二绝缘层，基于静电场添加激励，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为正常电缆电场分布线图。

S102获得缺陷电缆电场分布线图

通过处理器将杂质放置在电缆模型上，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为缺陷电缆电场分布线图；所述杂质包括导体颗粒、半导体颗粒和水滴，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图，所述第一类缺陷电场分布线图为由导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第二类缺陷电场分布线图为由半导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第三类缺陷电场分布线图为由水滴影响电缆模型获得的电场分布线图。

S2检测

频谱分析仪获得待检测电缆电场分布线图并发往计算机的处理器，处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态，所述待检测电缆的状态包括正常以及第一至第三类缺陷，所述正常的状态与正常电缆电场分布线图相对应，所述第一类缺陷为由导体颗粒导致的缺陷并与第一类缺陷电场分布线图相对应，所述第二类缺陷为由半导体颗粒导致的缺陷并与第二类缺陷电场分布线图相对应，所述第三类缺陷为由水滴导致的缺陷并与第三类缺陷电场分布线图相对应。

实施例3：

本发明公开了一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现实施例2中的步骤。

实施例4：

本发明公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例2中的步骤。

相对于上述实施例，还可以，频谱分析仪与计算机有线连接并单向通信。

研发过程中，项目组认为要解决的技术问题：

本发明针对城市地下输电电缆投入使用后，由于在电缆接头连接时，电缆截面容易出现金属残留，半导体残留，绝缘受潮等情况，这些情况的发生会导致电缆出现局部放电现象，电缆受到一定程度的破坏，会导致电缆老化，缩短电缆的使用寿命。

本申请的构思：

本发明通过ANSYS Electronics Desktop软件对电缆截面进行仿真，选取金属残留，半导体残留，绝缘受潮等三种典型绝缘缺陷进行电场分析，观测不同缺陷引起的电场变化，进而判断缺陷类型。

ANSYS有限单元软件程序模块囊括了三个部分：建模模块，过程分析求解模块和数据提取模块。预备分析建模模块可以进行多种多样的实体建模及网格划分，可以根据用户的需求设计建立多种多样的求解对象，实现多种有限元分析。ANSYS Electronics Desktop为ANSYS软件中的一部分。是一个软件工具包集合软件，是一款非常好用且功能强大的电磁场仿真解决方案，主要用于进行电磁、电路和系统仿真的高级集成平台。

本发明主要方法流程步骤如下：

(1)建立电缆模型

如图3所示，电缆横截面模型结构从内到外分别为：铜导体层、内半导体层、交联聚乙烯绝缘(XLPE)层、外半导体层、金属屏蔽层、外护套(PE)层。

(2)添加求解器

选择静电场Electronstatic。

(3)添加边界条件

给电缆添加激励，在缆芯添加110kv激励，PE层边界添加零激励。

(4)网格划分

使用ANSYS Maxwell 19Maxwell 2D进行网格划分，Maxwell提供的网格划分工具一共有三种：

1.On selection

2.Insider selection

3.Surface Approximation

如图4所示，网格划分。本设计采用Insider selection网格划分的方式，输入最大元素长度为1mm。

(5)求解

在步骤(3)中设置完网格划分后，点击OK，即可求解。

如图5所示，求解的结果为电场分布图。

(6)生成线图

然后以原点为起点，沿半径画一条线，以这条线为基础生成电场强度的一维线图。

如图6所示，横轴为从原点到最外层的水平距离，纵轴为电场强度。

本申请的技术贡献：

本发明通过ANSYS Electronics Desktop软件构建出三种XLPE绝缘(交联聚乙烯)电缆中最常见的三种绝缘缺陷的二维模型，然后对电力电缆典型绝缘缺陷下内部电场进行仿真研究。搭建的模型是标准的单芯XLPE绝缘(交联聚乙烯，高压交流电)地下电力电缆的二维横截面，由内至外分别是铜芯、内半导体层、XLPE绝缘(交联聚乙烯)、外半导体层、铅材料；最外层再使用聚乙烯(PE层)将缆芯包含于内。

设同轴电缆内、外层导体单位长度带电量分别为：τ+、τ-，两种介质中的电场强度数值分别为：E₁、E₂。

有高斯定理穿过一封闭曲面的电通量与封闭曲面所包围的电荷量成正比可得：

∮_SD·dS＝τL 式1

式1中，电位移D＝εE，其中ε为介电常数，ε₁＝1，ε₂＝2.225，单位为F/m，E是电场强度，单位为N/C，τ为电荷量，单位为库仑，简称C，L为电缆长度，单位为mm。电位移与侧边面之间的联系如下：

D(2πρL)＝τL 式2

式2即为式1求积分所得。其中ρ为高斯面所取得的曲率半径，单位为mm。

由式2推导可得式3。

由于D＝εE，式4中的E₁、式5中的E₂由式3推导所得。式4、式5表示电场强度。

由于每次发生局部放电时，在缺陷处均会形成一个反电场，而这个反电场就是仿真结果中的电场，但是在有限元仿真软件中构建缺陷产生的电场是不均匀的，由电场强度得到放电幅值比较繁琐并且不够准确，故通过不同缺陷的电场变化分析不同缺陷。

技术方案说明：

本发明通过对电缆截面进行缺陷仿真，对本发明进行了实例验证。

1数据采集及建模

①电缆建模

本实例通过地下电缆获取真实数据，包括电缆的各层的介电常数、密度、电导率以及尺寸，如表1所示。

表1：电缆参数

如图3所示，单芯电缆结构。在ANSYS Electronics Desktop软件中进行电缆模型的搭建。单芯电缆结构从内到外分别为：铜导体层、内半导体层、交联聚乙烯绝缘层、外半导电层、金属屏蔽层、外护套层。其中，绝缘层作用是阻止缆芯导体与地之间的电荷移动。金属护套层通常由铝和铅构成，用来防止水进入绝缘层。外护套层主要用于保护电力电缆避免受外界机械力的破坏。外护套层常采用聚乙烯材料。

②电缆典型绝缘缺陷模型设计

城市地下输电电缆投入使用后，由于在电缆接头连接时，电缆截面容易出现金属残留，半导体残留，绝缘受潮等情况，这些情况的发生会导致电缆出现局部放电现象。

本文设计了这三种典型绝缘缺陷模型，分别为：

金属缺陷：常见于电缆线芯或内半导电层上有凸起，或电缆接头内连接管处的局部尖端凸起放电。

半导电层残留缺陷：常见于电缆接头制作时，在剥削外半导电层的过程中，在XLPE绝缘表面残留半导电层材料未剥离干净，长期易发生复合界面处的沿面放电。

绝缘受潮缺陷：随着电缆投入使用年限的增加，多会出现绝缘受潮现象，产生局部放电，进而导致电缆老化。

三种典型绝缘缺陷模型的参数如表2所示。

表2：绝缘缺陷参数

2实验测试

基于表1电缆参数，在ANSYS Electronics Desktop中对电缆进行建模，并对包括金属残留、半导电层残留、绝缘受潮等缺陷进行建模。研究其电场强度变化。

2.1多类缺陷分析

(1)正常电缆

如图5所示，正常无缺陷情况下电缆电场分布。为直观观测电场强度变化，以缆芯圆心为原点，沿水平方向至PE层最外层画一条直线。可得，正常无缺陷情况下电缆的电场分布均匀平滑，无大幅度电场变化。

如图6所示，观测直线上的电场变化。可知，缆芯与金属屏蔽层电场为零，内外半导体层有轻微场强，XLPE层场强变化较大且缓慢下降。PE层同样存在较小衰减场强。

(2)金属缺陷电缆

实际加工生产电缆头中，电缆外面的保护材料需要剥除，在人工操作情况下线芯表面容易存在金属杂质，杂质的存在使得绝缘层内部电场分布失衡，造成局部放电现象。

如图7所示，在直线上分别放置一个金属圆缺陷，电场会发生变化。金属缺陷处的径向电场畸变十分明显，金属内部电场为零，尖端处陡增，之后缓慢衰减，临近外半导电层处仍稍大于正常同位置电场强度，之后迅速衰减至与无缺陷处电场基本一致。当场强较高且导电介质具有尖锐边缘时易发生电晕。金属附近的电场强度达到击穿场强时，其他绝缘部分的电场强度仍远低于击穿场强。

如图10所示，为相应的线图形式。

(3)半导电层残留缺陷

如图17所示，在对电缆进行操作时，可能会留下半导体残留。在直线上分别放置一个半导体圆缺陷与两个半导体圆缺陷，电场会发生变化。半导电层残留缺陷对电场分布影响区域及幅值均较小，临近主绝缘表面，与正常时电场相比电场幅值偏大，由于残留外半导电材料的存在，电场缓慢衰减，由于硅橡胶电导率小于外半导电层材料，电场升高，并向外逐渐衰减。

如图20所示，为相应的线图形式。

(4)绝缘受潮

随着电缆投入使用年限的增加，多会出现绝缘受潮现象，进而导致电缆老化。

如图23所示，在直线上分别放置一个绝缘受潮缺陷与两个绝缘受潮缺陷，电场会发生变化。单个绝缘受潮缺陷与导体之间场强明显增加，左下右上处场强自缺陷往外逐步减小，左上右下场强较小，但场强为逐步增加的趋势。

如图26所示，为相应的线图形式。

2.2同类缺陷分析

(1)金属缺陷

①金属缺陷在同一层

如图7、图8和图9所示，在直线上分别放置一个金属圆缺陷与两个金属圆缺陷，其电场会发生变化。金属缺陷处的径向电场畸变十分明显，金属内部电场为零，尖端处陡增，之后缓慢衰减，临近外半导电层处仍稍大于正常同位置电场强度，之后迅速衰减至与无缺陷处电场基本一致。当场强较高且导电介质具有尖锐边缘时易发生电晕。金属附近的电场强度达到击穿场强时，其他绝缘部分的电场强度仍远低于击穿场强。

如图10、图11和图12所示，为相应的线图形式。两个横排金属缺陷，与单个金属颗粒缺陷波形类似，金属缺陷处的径向电场畸变十分明显，金属内部电场为零，尖端处陡增，之后缓慢衰减，两个金属颗粒之间会出现较强场强，临近外半导电层处仍稍大于正常同位置电场强度，之后迅速衰减至与无缺陷处电场基本一致。

两个竖排金属缺陷之间的电场会是越靠近越小，越远离大的趋势。

②金属缺陷横跨不同层

改变金属杂质的位置，研究当金属杂质横跨不同层时的电场变化，分为两种形式体现，其一为金属杂质横跨三层，分别为XLPE层、外半导体层以及金属屏蔽层；其二为金属杂质横跨两层，分别为外半导体层与金属屏蔽层。

如图13和图14所示，其电场发生变化。与单个金属颗粒缺陷在XLPE层波形相比，整体场强变大，缆芯与金属颗粒之间场强产生较大明显场强，金属内部电场为零，在金属颗粒与外半导体层交界处出现微弱场强。金属颗粒存在于外半导体层时，前期与无缺陷处电场基本一致，金属颗粒本身场强为零，只有颗粒边缘与屏蔽层交界处出现微弱场强。即金属颗粒若出现在半导体层与金属屏蔽层对电缆整体电场变化基本无影响。

如图15和图16所示，为相应的线图形式。

改变金属杂质的形状、数量、位置，杂质内部场强总是为零，横向尖端出现较大场强，靠近外半导体层会出现微弱场强，或是趋近于零，其余位置基本与无缺陷场强一致。

(2)半导体缺陷

如图17、图18和图19所示，在直线上分别放置一个半导体圆缺陷与两个半导体圆缺陷，其电场发生变化。横排两个半导电层残留缺陷与单个缺陷波形相似，两个杂质之间会产生较大场强，与正常时电场相比电场幅值偏大，杂质靠近外半导体层，电场缓慢衰减，半导体杂质内部场强较小，但不为零。竖排两个半导体缺陷与金属缺陷相反，随着两个缺陷靠近场强有增大的趋势，反之，则越来越小。

如图20、图21和图22所示，为相应的线图形式。通过三种情况的半导体杂质波形对比可得，半导体杂质内部场强较小，但不为零。临近主绝缘表面，与正常时电场相比电场幅值偏大，由于残留外半导电材料的存在，电场缓慢衰减。两个杂质之间场强陡然增高，后衰减，临近另一个杂质，场强继续增高。

(3)绝缘受潮缺陷

如图23、图24和图25所示，在直线上分别放置一个绝缘受潮缺陷与两个绝缘受潮缺陷，单个绝缘受潮缺陷与导体之间场强明显增加，左下右上处场强自缺陷往外逐步减小，左上右下场强较小，但场强为逐步增加的趋势。横排两个绝缘受潮缺陷越接近的尖端电场强度明显变大，且是中间部分场强最大，向两侧逐渐缓慢减小。竖排两个绝缘受潮缺陷则恰好相反，相接近的两部分，中间场强部分最小向两侧逐渐缓慢增加，且电场强度整体变小。

如图26、图27和图28所示，绝缘受潮缺陷电场强度相比其他两种整体偏小，主绝缘区域产生的电场从接近导体一侧水平至主绝缘外侧电场呈下降趋势，场强曲线尖端较缓，且受潮缺陷处的电场最低，不超过99kv/mm。

3结果分析

本发明通过对多缺陷电缆的电场分析，很好的区分三种典型缺陷的电场区别。采用金属残留，半导体残留，绝缘受潮三种典型的缺陷对电缆二维横截面进行电场分析，由原点延横轴画一条线，由此线为基础生成一维线图，电场云图与线图相结合分析，观测这三种缺陷的电场变化，进而区分这三种缺陷。

结果显示电缆中出现绝缘受潮缺陷，电场强度分布变化最强烈，其次为电缆中出现金属缺陷，电场强度变化较缓，最后是电缆中出现半导体残留时，电场强度变化最小。通过三种缺陷的波形对比可知，三种缺陷的主要电场变化体现在主绝缘区域。且三种缺陷时发生的场强均大于正常情况下的场强。

(1)不同缺陷类型

金属缺陷电场强度整体场强较大，主绝缘区域会产生强烈的电场尖端，场强曲线尖端较陡，金属缺陷处场强为零。

半导体缺陷电场强度与金属缺陷类似，整体场强较大，主绝缘区域会产生强烈的电场尖端，场强曲线尖端较陡，但半导体缺陷处场强不为零，最大不超过270kv/mm。

绝缘受潮缺陷电场强度相比其他两种整体偏小，主绝缘区域产生的电场从接近导体一侧水平至主绝缘外侧电场呈下降趋势，场强曲线尖端较缓，且受潮缺陷处的电场最低，不超过99kv/mm。

(2)同种缺陷类型

当电缆同类缺陷的数量，位置发生变化后，改变金属杂质的数量、位置，杂质内部场强总是为零，横向尖端出现较大场强，靠近外半导体层会出现微弱场强，或是趋近于零，其余位置基本与无缺陷场强一致。

横排两个半导电层残留缺陷与单个缺陷波形相似，两个杂质之间会产生较大场强，杂质靠近外半导体层，电场缓慢衰减。竖排两个半导体缺陷与金属缺陷相反，随着两个缺陷靠近场强有增大的趋势，反之，则越来越小。

横排两个绝缘受潮缺陷越接近的尖端电场强度明显变大，且是中间部分场强最大，向两侧逐渐缓慢减小。竖排两个绝缘受潮缺陷则恰好相反，相接近的两部分，中间场强部分最小向两侧逐渐缓慢增加，且电场强度整体变小。

现有技术中，采用设备为电场强度仪。在实际应用中，由电场强度仪测得电场强度后，可根据以上波形变化判断缺陷类型。

本申请采用频谱分析仪是一种应用广泛的信号分析仪器。它可用来测量信号的频率、电平、波形失真、噪声电平、频谱特性等，加上标准天线就可以用来测量场强。它的主要特点是：能宽频带连续扫描，并将测得的信号在CRT屏上直观地显示出来。在很多场合频谱仪正在替代场强仪成为电波测量中一种新的被广泛应用的仪器。

电缆发生故障，现场利用频谱分析仪获得波形后，可根据以上波形变化分析判断电缆缺陷属于金属缺陷，半导体缺陷或者绝缘受潮缺陷。

本申请保密运行一段时间后，现场技术人员反馈的有益之处在于：

通过对电缆缺陷引起的电场分布图与电场线图变化进行研究，本方法能够对多类电缆缺陷进行精确分类。本方法能够对电缆内部同类缺陷发生的位置和数量进行精确分析。

目前，本发明的技术方案已经进行了中试，即产品在大规模量产前的较小规模试验；中试完成后，在小范围内开展了用户使用调研，调研结果表明用户满意度较高；现在已开始着手准备产品正式投产进行产业化(包括知识产权风险预警调研)。

Claims

1.一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置，其特征在于：包括获得特征库模块和检测模块，所述获得特征库模块为程序模块，用于处理器获得由电缆电场分布线图组成的特征库，特征库包括正常电缆电场分布线图和缺陷电缆电场分布线图；所述检测模块为程序模块，用于处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态。

2.根据权利要求1所述的基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置，其特征在于：所述获得特征库模块包括获得正常电缆电场分布线图模块，获得正常电缆电场分布线图模块为程序模块，用于处理器获得电缆模型，基于静电场添加激励，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为正常电缆电场分布线图。

3.根据权利要求2所述的基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置，其特征在于：所述获得特征库模块还包括获得缺陷电缆电场分布线图模块，获得缺陷电缆电场分布线图模块为程序模块，用于通过处理器将杂质放置在电缆模型上，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为缺陷电缆电场分布线图。

4.根据权利要求2所述的基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置，其特征在于：所述电缆模型包括从内到外依次分布的缆芯、第一半导体层、第一绝缘层、第二半导体层、屏蔽层和第二绝缘层，所述待检测电缆的状态包括正常。

5.根据权利要求3所述的基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置，其特征在于：所述杂质包括导体颗粒、半导体颗粒和水滴，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图，所述第一类缺陷电场分布线图为由导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第二类缺陷电场分布线图为由半导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第三类缺陷电场分布线图为由水滴影响电缆模型获得的电场分布线图，所述待检测电缆的状态包括第一至第三类缺陷，所述第一类缺陷为由导体颗粒导致的缺陷并与第一类缺陷电场分布线图相对应，所述第二类缺陷为由半导体颗粒导致的缺陷并与第二类缺陷电场分布线图相对应，所述第三类缺陷为由水滴导致的缺陷并与第三类缺陷电场分布线图相对应。

6.根据权利要求1所述的基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置，其特征在于：还包括频谱分析仪和计算机以及有限单元模块，所述频谱分析仪与计算机连接并通信，所述获得特征库模块和检测模块运行于计算机上，所述获得特征库模块，还用于计算机的处理器获得特征库；所述检测模块，还用于频谱分析仪获得待检测电缆电场分布线图并发往处理器；所述有限单元模块为程序模块，用于建立电缆模型，设置静电场，添加激励，网格划分，求解并获得电场分布图，基于电场分布图以原点为起点沿径向画线并生成电场分布线图。

7.一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断方法，其特征在于：包括如下步骤，S1获得特征库，处理器获得由电缆电场分布线图组成的特征库，特征库包括正常电缆电场分布线图和缺陷电缆电场分布线图，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图；S2检测，处理器获得待检测电缆电场分布线图，基于特征库将待检测电缆电场分布线图分类并获得待检测电缆的状态，所述待检测电缆的状态包括正常以及第一至第三类缺陷，所述正常的状态与正常电缆电场分布线图相对应，所述第一类缺陷为由导体颗粒导致的缺陷并与第一类缺陷电场分布线图相对应，所述第二类缺陷为由半导体颗粒导致的缺陷并与第二类缺陷电场分布线图相对应，所述第三类缺陷为由水滴导致的缺陷并与第三类缺陷电场分布线图相对应。

8.根据权利要求7所述的基于电场分析的输电电缆缺陷判断方法，其特征在于：步骤S1包括如下步骤，S101获得正常电缆电场分布线图，基于有限单元模块，处理器获得电缆模型，所述电缆模型包括从内到外依次分布的缆芯、第一半导体层、第一绝缘层、第二半导体层、屏蔽层和第二绝缘层，基于静电场添加激励，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为正常电缆电场分布线图；S102获得缺陷电缆电场分布线图，通过处理器将杂质放置在电缆模型上，处理器获得电缆模型的电场分布线图，该电场分布线图为缺陷电缆电场分布线图；所述杂质包括导体颗粒、半导体颗粒和水滴，所述缺陷电缆电场分布线图包括第一至第三类缺陷电场分布线图，所述第一类缺陷电场分布线图为由导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第二类缺陷电场分布线图为由半导体颗粒影响电缆模型获得的电场分布线图，所述第三类缺陷电场分布线图为由水滴影响电缆模型获得的电场分布线图。

9.一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置，其特征在于：包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现权利要求7中相应的步骤，所述计算机程序包括权利要求1中的获得特征库模块和检测模块。

10.一种基于电场分析的输电电缆缺陷判断装置，其特征在于：装置为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求7中相应的步骤，所述计算机程序包括权利要求1中的获得特征库模块和检测模块。