CN115508416A - 一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，涉及电缆老化监测技术领域，包括以下步骤：确定待测电缆的结构以及材料参数，建立待测电缆的有限元仿真模型；对有限元仿真模型进行网格划分；在划分网格后的有限元仿真模型内部仿真插入劣化缺陷参数；根据多个不同参数计算待测电缆的多个特征阻抗，得到各特征阻抗的变化曲线，分析多个特征阻抗的变化规律；根据多个特征阻抗的变化规律对待测电缆的劣化缺陷进行评价分析。本发明的评价方法根据多个不同参数计算待测电缆的多个特征阻抗，得到多个变化曲线，分析多个特征阻抗的变化规律，可以清晰地看出电缆绝缘情况随着缺陷参数变化而变化的规律，为电缆在线监测提供了理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及电缆老化监测技术领域，特别是涉及一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法。
背景技术
电力系统是国民经济的基础工业，自电力电缆发明以后，就在世界各国的电力系统中得到了越来越广泛的应用。电力电缆具有安全、可靠、分布有利于美化城市与优化厂矿布局等优点。随着我国经济的迅速发展，城市规模的不断扩大，电力电缆在我国获得了越来越广泛的应用。同时，电力系统运行生产的安全性和可靠性对国民经济发展起到重要的作用，一旦在电力系统运行中出现恶性事故，将会造成国民经济的重大损失，对人民生活产生严重的影响。
电缆在敷设过程中很容易因外力挤压发生破损，若发现电缆有轻微破损，则会有水分子进入，电缆进水后在电磁场的作用下会发生“水树老化”现象，电缆损坏只会是时间问题，最终会导致电缆击穿；并且电缆在长时间的运转中，因为散热不良或过负荷，导致绝缘材料的电气功能和机械功能劣化，使绝缘层变脆或开裂。定量分析侧重于电缆老化过程中断裂伸长率、击穿强度、电导率和介电损耗因子的变化，老化和损坏都会导致特征阻抗发生变化，电缆的特征阻抗越小，电缆绝缘层的老化愈加明显。因此，分析电缆特征阻抗的变化，进行有效的诊断对电缆的安全运行具有重要意义。
现有的监测电缆老化的技术有局部放电法和力学性能测试法，在电缆绝缘良好与发生故障时局部放电量就会有变化，局部放电法就是通过对这种变化的准确掌握来查看电缆的运行状态。在被监测电缆上加高电压，局部放电现象被信号传感器捕捉，传输给终端，完成分析处理，但这种方法在检测过程中易受干扰。绝缘材料的力学性能指标一般为硬度和断裂伸长率，力学性能测试法在电缆的绝缘老化分析中常用断裂伸长率的变化来判断其老化程度，但这是一种破坏性方法，无法用来分析在役电缆的绝缘老化程度。这些技术需对电缆进行破坏性实验并且费时费力。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，包括以下步骤:
确定待测电缆的结构以及材料参数，建立待测电缆的有限元仿真模型；
对所述有限元仿真模型进行网格划分；
在划分网格后的所述有限元仿真模型内部仿真插入劣化缺陷，并针对劣化缺陷设定多个不同参数；
根据多个不同参数计算待测电缆的多个特征阻抗，得到各特征阻抗的变化曲线，根据各变化曲线分析多个特征阻抗的变化规律；
根据多个特征阻抗的变化规律对待测电缆的劣化缺陷进行评价分析。
优选的，所述电缆的结构由内到外依次为导体层、绝缘层、屏蔽层和电缆外护套。
优选的，所述电缆的材料参数包括各结构的半径、相对介电常数、相对磁导率以及电导率。
优选的，设定的劣化缺陷参数包括电缆破损半径和老化层厚度。
优选的，通过仿真计算公式计算待测电缆的特征阻抗，计算公式为：
其中：
式中，j代表虚数单位，C代表电容值，L代表电感值，G代表电导值，R代表电阻值，Zc代表特征阻抗，E代表电场强度，D*代表电位移的共轭复数，B代表磁感应强度，H*代表磁场强度的共轭复数，I0代表电流值，V0代表电压值，ω代表角频率， 
代表相对介电常数的实部，
代表相对介电常数的虚部，P代表功率，S代表定向表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明的评价方法在划分后的有限元仿真模型内部仿真插入劣化缺陷，并针对劣化缺陷设定多个不同参数，根据多个不同参数计算待测电缆的多个特征阻抗，得到多个变化曲线，分析多个特征阻抗的变化规律，可以清晰地看出电缆绝缘情况随着缺陷参数变化而变化的规律，为电缆在线监测提供了理论基础。
（2）本发明的评价方法通过对待测电缆进行仿真，有效的解决了局部放电法存在的环境因素影响大的问题，解决了力学性能测试法存在的成本高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法的流程图；
图2为本发明实施例中的老化层的仿真结果示意图；
图3为本发明实施例中破损位置仿真结果示意图；
图4为本发明实施例中不同破损半径下电缆特征阻抗仿真结果示意图；
图5为本发明实施例中不同老化层厚下电缆特征阻抗仿真结果示意图。
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，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1，本发明提供了一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，包括以下步骤：
第一步：确定待测电缆的结构以及材料参数，本发明的电缆由四层结构构成，由内到外分别为导体层、绝缘层、屏蔽层和电缆外护套，电缆老化层位于绝缘层外侧，然后利用Comsol软件建立电缆的有限元仿真模型。
本实施例中的线缆各层结构参数及材料参数如表1所示。
表1电缆各层结构参数及材料参数
第二步：参照图2和图3，对第一步建立的有限元仿真模型进行网格划分。老化层和破损位置已标出。
第三步：在划分网格后的有限元仿真模型内部仿真插入劣化缺陷，并针对劣化缺陷设定多个不同参数。在本实施例中，设定了电缆破损半径和老化层厚度两种劣化缺陷参数。
第四步：根据电缆破损半径和老化层厚度两种劣化缺陷参数分别计算得到两种特征阻抗的变化曲线，根据两种变化曲线得出特征阻抗的变化规律。
确定电缆参数计算公式及原理，以下给出解析解和仿真计算得出的特征阻抗的计算公式，在仿真软件中插入解析解公式计算得出的正常电缆的特征阻抗的值与仿真计算得出的值误差在可接受范围内，保证仿真结果的正确性，之后进行有关电缆特征阻抗的仿真计算：
以下解析解计算有关公式：
场求解法公式为：
式中，E是电场强度，H是磁场强度， 
，其中α和β分别代表衰减常数和传播常数，a，b分别代表内导体层和内导体以及绝缘层厚度，I是电流值，U是电压值。
由场求解法可求出单位长度的参数：
式中，
代表表面电阻：
代表集肤效应深度， 
代表相对介电常数的实部，
代表相对介电常数的虚部，
代表真空磁导率，
代表相对磁导率，
代表真空介电常数，σ代表电导率，ω代表角频率。
阻抗解析解计算公式为：
将式（2）中的各项参数代入式（3）可得阻抗的解析解的值。
以下为仿真计算的有关公式：
根据电磁理论得出：
根据电路理论得出：
根据式（4）和（6），可得
根据式（5）和（7），可得
同时由于G与C的关系遵循如下方程：
根据电阻功率公式可得：
式中Wm代表总磁能，We代表总电能，j代表虚数单位，C代表电容值，L代表电感值，G代表电导值，R代表电阻值， Zc代表特征阻抗，E代表电场强度， D*代表电位移的共轭复数，B代表磁感应强度， H*代表磁场强度的共轭复数， I0代表电流值， V0代表电压值，ω代表角频率，
代表相对介电常数的实部，
代表相对介电常数的虚部，P代表功率， S代表定向表面。
将式（8）-（10）代入至式（3），可得阻抗的仿真计算的值。
参照图4和图5，本实施例中的电缆破损半径变化范围为0.01μm到0.1μm，根据仿真计算公式计算电缆的特征阻抗，仿真分析10种半径大小时电缆特征阻抗的变化规律，老化层厚度分别为0.342mm，0.683mm和1.025mm，根据仿真计算公式计算电缆的特征阻抗，得出老化程度依次增高即绝缘层相对介电常数值从2.3到4时特征阻抗的变化规律。
第五步：根据获取到的特征阻抗的变化规律对待测电缆的劣化缺陷进行评价分析，清晰地表征电缆绝缘老化状况。
参照图4，当电缆破损半径越大时，电缆的特征阻抗越小，电缆绝缘层的老化愈加明显。
参照图5，曲线a代表的是老化层厚度为0.342 mm时相对介电常数值从2.3到4时特征阻抗的变化规律，曲线b代表的是老化层厚度为0. 683 mm时相对介电常数值从2.3到4时特征阻抗的变化规律，曲线c代表的是老化层厚度为1.025 mm时相对介电常数值从2.3到4时特征阻抗的变化规律。分析图5可知，当电缆老化层厚度相同时，介电常数越大，电缆的特征阻抗越小，电缆绝缘层的老化愈加明显。当电缆的介电常数相同时，电缆的老化层厚度越厚，电缆的特征阻抗越小，电缆绝缘层的老化愈加明显。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定待测电缆的结构以及材料参数，建立待测电缆的有限元仿真模型；
对所述有限元仿真模型进行网格划分；
在划分网格后的所述有限元仿真模型内部仿真插入劣化缺陷，并针对劣化缺陷设定多个不同参数；
根据多个不同参数计算待测电缆的多个特征阻抗，得到各特征阻抗的变化曲线，根据各变化曲线分析多个特征阻抗的变化规律；
根据多个特征阻抗的变化规律对待测电缆的劣化缺陷进行评价分析。
2.如权利要求1所述的一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，其特征在于，所述待测电缆的结构由内到外依次为导体层、绝缘层、屏蔽层和电缆外护套。
3.如权利要求2所述的一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，其特征在于，所述待测电缆的材料参数包括各结构的半径、相对介电常数、相对磁导率以及电导率。
4.如权利要求3所述的一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，其特征在于，设定的劣化缺陷参数包括电缆破损半径和老化层厚度。
5.如权利要求4所述的一种基于特征阻抗分析的电缆劣化评价方法，其特征在于，通过仿真计算公式计算待测电缆的特征阻抗，计算公式为：
其中：
式中，j代表虚数单位，C代表电容值，L代表电感值，G代表电导值，R代表电阻值， Zc代表特征阻抗，E代表电场强度， D*代表电位移的共轭复数，B代表磁感应强度， H*磁场强度的共轭复数， I0电流值， V0电压值，ω代表角频率， 
相对介电常数的实部，
对介电常数的虚部，P代表功率，S代表定向表面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221223 |
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