CN116010892A - 电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，方法包括以下步骤：步骤1：根据电缆绝缘老化机理，对高压电缆绝缘劣化过程中的参数变化进行监测；步骤2：不同绝缘劣化类型的电气特性；步骤3：构建各类绝缘缺陷的等效参数模型；步骤4：样本数据库识别原理分析；步骤5：建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型；步骤6：建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台；本发明具有实时监测电缆绝缘态势变化、实现电缆绝缘劣化早期预警、实现快速诊断与处理、提高供电系统运行质量和效率的优点。

Description

电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法

技术领域

本发明属于电缆诊断技术领域，具体涉及电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法。

背景技术

有关统计显示，高压电网事故发生的原因部分来自于电缆绝缘故障，电缆绝缘故障频发的主要原因是由于电缆长期在比较恶劣的环境中工作，容易受到高温、高湿和电量冲击的影响，造成电缆老化，引起局部短路，我国目前对电缆绝缘的在线监测主要是应用预防性试验法，该方法存在着两个比较大的缺陷：首先无法针对某一具体的电缆进行停电检测，只能集中性的对整个配电网络的电缆缺陷进行，从而造成未发生劣化问题的电缆因频繁停电而形成“整流效应”和“累积效应”，造成额外的绝缘老化；其次，预防性试验法的运用只能在停电的状态下实施，频繁的检测必然会造成频繁的停电，这将会极大的影响到电网运行的安全性；同时，预防性试验法的试验电压目前还没有一个科学、完善的参考公式，这也为预防性试验法的实际应用带来了诸多的不便；因此，提供一种实时监测电缆绝缘态势变化、实现电缆绝缘劣化早期预警、实现快速诊断与处理、提高供电系统运行质量和效率的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种实时监测电缆绝缘态势变化、实现电缆绝缘劣化早期预警、实现快速诊断与处理、提高供电系统运行质量和效率的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法。

本发明的目的是这样实现的：电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤1：根据电缆绝缘老化机理，对高压电缆绝缘劣化过程中的参数变化进行监测；

步骤2：不同绝缘劣化类型的电气特性；

步骤3：构建各类绝缘缺陷的等效参数模型；

步骤4：样本数据库识别原理分析；

步骤5：建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型；

步骤6：建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台。

所述的步骤1具体为：对电缆绝缘劣化程度的在线监测和故障诊断，最关键的问题是获取到变化明显且安全可靠的特征信号，将电缆绝缘的状态充分准确的反映出来，采用以接地线电流为特征信号的检测方法，由于电缆绝缘的劣化并不是瞬时产生的，而是一个因工作环境的不同劣化周期不同的漫长的过程，在电缆绝缘劣化的过程中，通常伴随着绝缘电阻的下降和等效分布电容的增加，通过对电树枝老化形成的分布电容和绝缘电阻变化规律的研究，可以发现：在电缆绝缘劣化的中后期，等效电阻逐渐减小；在劣化的前期，分布电容出现波动并不断增加，通过对电缆金属屏蔽层和电缆线芯之间的接地电流的变化的分析，能够得到接地线电流的波形变化与分布电容和等效电阻的参数变化存在着一定的对应关系，故而可以通过接地线电流的变化来对电缆绝缘的劣化类型进行识别。

所述的步骤2中不同绝缘劣化类型的电气特性是由于电缆受潮和发生绝缘劣化时，电缆的电气特性将发生一系列的变化，具体包括以下方面：

①：出现水树枝后的电气特性：电缆绝缘劣化形成的一个重要标致是水树枝的出现，水树枝的增长与电缆绝缘的劣化程度成正比关系，电缆绝缘层中水树枝的不断扩展，会因水树枝尖部高强度电场的作用，逐步发生演变，并最终形成电树枝，形成间歇性高阻接地故障，出现大面积贯穿，电缆绝缘层出现间歇性高阻接地故障的随机性很强，有些水树枝发展为电树枝的周期很长，最长的水树枝潜伏期甚至长达3年之久；有些水树枝发展为电树枝的周期则很短，水树枝在极短的时间内即发展为电树枝，形成对电缆绝缘层的击穿；

②：发展为电树枝对应的电气特性：电缆的绝缘参数在水树枝发展成为电树枝之后的变化也是呈非线性趋势的，电缆绝缘的等效网络可取电树枝老化后的对地导纳参数的非线性累加，对于等效参数模型而言，电缆处于绝缘劣化的后期，绝缘电阻的非线性下降趋势十分明显，成为最明显的电气特征，绝缘电阻导纳迅速增加；

③：整体均匀劣化的电气特性：电缆绝缘出现均匀劣化的现象是当前配电网络中普遍存在的一个问题，随着配电网络的发展，电缆所处的工作环境也日益复杂，很多电缆长期工作在恶劣的敷设环境中，时刻受到来自于机械、化学、热、电外来因素的影响，劣化周期越来越短，引起整条线路绝缘劣化的可能性也越来越大，从电路参数模型的视角来看，电缆绝缘均匀劣化可以等效为分布电容和绝缘电阻的非线性变化或同时线性变化；

④：发生绝缘击穿后的检测电路：配电网络中的电缆绝缘出现劣化的原因很多，其中既有电缆本身所固有的问题，也有长期工作在恶劣环境中的环境侵蚀因素，还有可能是由于受到外力造成的损伤，总体来看，造成电缆绝缘劣化的主要原因有以下几种：电缆过热、过电压、绝缘外部受潮、绝缘老化变质、机械损伤、绝缘损伤，当电缆局部绝缘出现劣化，并形成贯穿通道时，都会造成电缆绝缘高、中、低阻接地故障，电缆绝缘击穿是高阻接地故障产生的主要原因，在对电缆绝缘击穿形成的高阻接地故障的判断中，引入了建立在接地线电流二次求导基础上的波形特性，绝缘击穿接地电阻设置为0.10KΩ，当电缆因绝缘击穿形成高阻接地故障时，一般会多次重复出现间歇性电弧的熄灭和导通，故障回路出现动态性的变化，接地电流发生随机性的变化，波形间或出现若干个周期的陡增，对发生因电缆绝缘击穿所形成的高阻接地故障的判断，即可通过故障位置电弧特征的出现来完成。

所述的步骤3中的构建各类绝缘缺陷的等效参数模型具体为：在对电缆绝缘状态下的电缆接地线电流的特征变化关系进行分析的基础上，对电缆绝缘击穿、局部放电、整体均匀劣化、电树枝老化和水树枝老化情况下的电气特征进行系统的分析，然后根据不同类型的电缆绝缘劣化等效参数的变化规律，完成模型的构建，并绘制出不同类型的接地线电流变化曲线。

所述的步骤5中的建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型具体为：对当前的电缆运行状态结合相关度分析和数据库技术，做出劣化类型辨别，相关度分析是指在时域中对2个信号之间的相似之处进行分析，从而找出两者之间的异同的一个分析方法，包含了两个方面的内容：互相关和自相关，自相关函数不对涉及相位方面的信息，而是仅仅反映自身公共成分在整个时间段内的状态；互相关函数不仅能够将完整的相信信息还原，还能够对2个信号中公共的频率成分充分的予以反映；当两个信号的波形比较接近时，将会形成共振现象，将信号大幅扩大；当两个信号的波形相差较大时，信号将会相互抵消，信号将会被缩小；然而用绝对值来对两个信号的关联度进行衡量并不具有简便性和直观性，在将相关函数进行归一化处理之后，所得到的相关系数对这种相似度的反映则要直观的多，相关系数ρ越大，两个信号波形越接近；当ρ＝-1时，两个信号波形完全相反，信号最弱；当ρ＝1时，两个信号的波形完全一致，信号最强；在对信号进行检测时，选用相关系数有效避免了仅仅依靠故障信号检测故障的缺陷，既反映了信号的综合相位关系，又较好的反映了信号中每一个频率分量的幅值关系。

所述的步骤5中的建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型采用基于等离子体-化学的气隙放电混合模型实现电缆接头绝缘材料内部气隙放电造成的绝缘裂化程度表征方法，具体包括以下步骤：

步骤5.1：物理模型：以电缆接头制作过程中屏蔽层导体切剥时刀口过深引入气隙为例，建立电缆接头绝缘内部气隙放电等效电路图，其中，外加交流电压源为Vsin(2πft)，气隙绝缘内部气隙长度为d_g，内部绝缘材料长度为d_s，电缆绝缘材料的相对介电常数ε_r＝2.3；

步骤5.2：控制方程：与电晕放电、辉光放电类似，绝缘内部气隙放电属于冷等离子放电范畴，可采用等离子体-化学模型对其放电物理过程进行描述，电力电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电过程中，气体被电离产生电子、正离子和负离子，根据局域场近似原理，绝缘内部气隙放电空间中的电场分布可用泊松方程描述为：

式中，

为电势；ε₀、ε_r分别为真空介电常数和相对介电常数；ρ为电荷密度；n_p、n_n、n_e分别为正离子数密度、负离子数密度和电子数密度；E为电场；电缆接头固体绝缘介质中不存在空间电荷，则式(1)可改写为拉普拉斯方程：

而电缆接头绝缘内部气隙放电通道的形成和发展过程中涉及粒子的产生、消失以及运动，可用连续性方程描述，具体包括：电子运输方程、电子能量运输方程和重粒子运输方程；

步骤5.3：边界条件：具体边界条件有二次电子发射边界、表面电荷累积边界、外部电压与接地边界条件；

步骤5.4：数值求解：选用基于有限元法的COMSOL软件进行全耦合数值求解，离散方式采用可实现误差预估与自动变步长的时间后向差分格式，并且选用适用于大量稀疏线性方程矩阵的MUMPS求解器进行求解。

所述的步骤5.2中的电子运输方程具体为：气隙放电气体中的电子主要由电离产生，在放电过程中有着举足轻重的地位，基于电子的产生和湮灭机理，可得电子的运输方程为：

式中，Γ_e为电子通量；R_e为电子产生和消失的反应源项；D_e为电子的扩散系数；μ_e为电子在电场中的迁移率；M为电子产生或消失的化学反应类型数量；x_j为化学反应j中目标产物的摩尔分数；k_j为化学反应j的反应速率系数；N_n为中性粒子的总密度；

所述的电子能量运输方程具体为：与电子运输方程类似，从微观角度由玻耳兹曼方程可推导得到电子能量方程为：

式中，n_ε为电子能量密度；Γ_ε为电子能量通量；R_ε为电子碰撞引起的能量损失源项；D_ε为电子能量扩散系数；μ_ε为电子能量迁移率；P为电子非弹性碰撞的化学反应数量；ε_j为化学反应j的能量损失；

所述的重粒子运输方程具体为：在绝缘内部气隙放电过程中，除了电子之外，还有正离子、负离子重粒子，其运动过程可用重粒子运输方程描述：

式中，ρ_g为气体密度；w_k为第k种粒子的质量分数；u为质量平均的流体速度向量；j_k为第k种粒子的扩散质量通量向量；R_k为第k种粒子的反应源项；v_k为第k种粒子的运动速度。

所述的步骤5.3中的二次电子发射边界具体为：绝缘内部气隙中电子由二次电子发射得到补充，可由电子通量和电子能量通量进行描述，即：

式中，n为外法线方向；v_th为电子热速度；γ_k为粒子k撞击壁面时的二次电子发射系数，金属表面取值为0.1，绝缘介质表面为0.01；Γ_k为粒子k的离子通量；ε_k为粒子k撞击壁面时的二次发射电子的平均能量；

所述的表面电荷累积边界具体为：电荷在电缆接头绝缘介质表面累积，其边界条件为：

式中，D_1n、D_2n分别为界面两侧电通量的法向分量；ρ_es为界面上的电荷密度；J_i,n、J_e,n分别为界面的离子流和电子流密度的法向分量；

所述的外部电压与接地边界具体为：绝缘内部气隙放电模型两端分别为电缆导体和金属屏蔽层，分别对应实时运行电压V₁和地电位V₂，即：

式中，V_p为电缆金属导体上的电压峰值；f为电压频率。

所述的步骤6中的建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台包括前端信号采集传感器、信号调理电路、数据采集卡、通信模块、信息处理模块组成，所述的前端信号采集传感器包括电流传感器和电压传感器。

所述的电流传感器采用WBCT51S901型传感器，所述的电流信号调理电路采用WBCT05B001型电路，所述的数据采集卡采用NI6143型采集卡，所述的信息处理模块采用XD-6203模块。

本发明的有益效果：本发明为电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，在使用中，本发明在现有的电缆绝缘检测方法的基础上，提出了基于线路传导特性的电缆绝缘态势监测技术，通过分布式监测线路的电流、电压变化关系，对数据变化曲线应用相关度的理论分析，诊断线路局部缺陷，能够实现电缆绝缘故障极早期隐患的诊断和预警，避免因绝缘问题造成的故障导致的线路跳闸、火灾等事件发生；本发明能够监测配电网电缆绝缘态势变化，进而发现电缆线路的故障苗头，实现电缆绝缘劣化早期预警，能够辅助运维检修人员及早排除故障隐患，实现配电系统中绝缘事故的快速诊断与处理，大幅提高供电系统运行的质量和效率，很大程度上减轻了工作人员的工作压力；本发明具有实时监测电缆绝缘态势变化、实现电缆绝缘劣化早期预警、实现快速诊断与处理、提高供电系统运行质量和效率的优点。

附图说明

图1为本发明法的绝缘参数变化与电缆老化不同时期对应的变化关系。

图2为本发明的电缆发生水树枝老化的接地电流曲线图。

图3为本发明的电缆发生电树枝老化的接地电流曲线图。

图4为本发明的整体均匀劣化类型的接地电流曲线图。

图5为本发明的电缆绝缘实时监测平台结构示意图。

图6为本发明的绝缘内部气隙放电数值求解流程示意图。

图7为本发明的电缆绝缘内部气隙放电电流脉冲起始和截止相位图。

图8为本发明的不同气隙长度下的放电电流脉冲起始和截止相位分布曲线图。

图9为本发明的不同气隙长度下的单个周期内总放电脉冲次数曲线图。

图10为本发明的不同气隙长度下的单个周期放电电流平均幅值曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1-10所示，电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤1：根据电缆绝缘老化机理，对高压电缆绝缘劣化过程中的参数变化进行监测；

步骤2：不同绝缘劣化类型的电气特性；

步骤3：构建各类绝缘缺陷的等效参数模型；

步骤4：样本数据库识别原理分析；

步骤5：建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型；

步骤6：建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台。

在本实施例中，建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台能够实现实时对电缆线路的绝缘缺陷进行监测，评估电缆线路的绝缘状态，具体为：当在线监测时，在线监测平台会对电缆绝缘状态下的特征量进行采集，将采集到的数据及实际运行参数录入数据库，并进行相关度分析，借以得到电缆的绝缘状态，并以此来决定是否发出预警；由于在线监测平台中有完备的数据库，并可以将采集的相关数据定时录入，同时制作出便于直观读取的时间曲线，所以通过将采集的相关数据和时间曲线进行比对和趋势分析，就可进一步预测电缆绝缘状态的变化，并且，基于相关度理论，通过对电力电缆运行中的各项绝缘参数综合分析，还可以更加全面地评估运行中电力电缆的绝缘状态，从而准确预警，有效排查故障。

本发明为电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，在使用中，本发明在现有的电缆绝缘检测方法的基础上，提出了基于线路传导特性的电缆绝缘态势监测技术，通过分布式监测线路的电流、电压变化关系，对数据变化曲线应用相关度的理论分析，诊断线路局部缺陷，能够实现电缆绝缘故障极早期隐患的诊断和预警，避免因绝缘问题造成的故障导致的线路跳闸、火灾等事件发生；本发明能够监测配电网电缆绝缘态势变化，进而发现电缆线路的故障苗头，实现电缆绝缘劣化早期预警，能够辅助运维检修人员及早排除故障隐患，实现配电系统中绝缘事故的快速诊断与处理，大幅提高供电系统运行的质量和效率，很大程度上减轻了工作人员的工作压力；本发明具有实时监测电缆绝缘态势变化、实现电缆绝缘劣化早期预警、实现快速诊断与处理、提高供电系统运行质量和效率的优点。

实施例2

如图1-10所示，电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤1：根据电缆绝缘老化机理，对高压电缆绝缘劣化过程中的参数变化进行监测；

步骤2：不同绝缘劣化类型的电气特性；

步骤3：构建各类绝缘缺陷的等效参数模型；

步骤4：样本数据库识别原理分析；

步骤5：建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型；

步骤6：建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台。

所述的步骤1具体为：对电缆绝缘劣化程度的在线监测和故障诊断，最关键的问题是获取到变化明显且安全可靠的特征信号，将电缆绝缘的状态充分准确的反映出来，采用以接地线电流为特征信号的检测方法，由于电缆绝缘的劣化并不是瞬时产生的，而是一个因工作环境的不同劣化周期不同的漫长的过程，在电缆绝缘劣化的过程中，通常伴随着绝缘电阻的下降和等效分布电容的增加，通过对电树枝老化形成的分布电容和绝缘电阻变化规律的研究，可以发现：在电缆绝缘劣化的中后期，等效电阻逐渐减小；在劣化的前期，分布电容出现波动并不断增加，通过对电缆金属屏蔽层和电缆线芯之间的接地电流的变化的分析，能够得到接地线电流的波形变化与分布电容和等效电阻的参数变化存在着一定的对应关系，故而可以通过接地线电流的变化来对电缆绝缘的劣化类型进行识别。

所述的步骤2中不同绝缘劣化类型的电气特性是由于电缆受潮和发生绝缘劣化时，电缆的电气特性将发生一系列的变化，具体包括以下方面：

①：出现水树枝后的电气特性：电缆绝缘劣化形成的一个重要标致是水树枝的出现，水树枝的增长与电缆绝缘的劣化程度成正比关系，电缆绝缘层中水树枝的不断扩展，会因水树枝尖部高强度电场的作用，逐步发生演变，并最终形成电树枝，形成间歇性高阻接地故障，出现大面积贯穿，电缆绝缘层出现间歇性高阻接地故障的随机性很强，有些水树枝发展为电树枝的周期很长，最长的水树枝潜伏期甚至长达3年之久；有些水树枝发展为电树枝的周期则很短，水树枝在极短的时间内即发展为电树枝，形成对电缆绝缘层的击穿；

②：发展为电树枝对应的电气特性：电缆的绝缘参数在水树枝发展成为电树枝之后的变化也是呈非线性趋势的，电缆绝缘的等效网络可取电树枝老化后的对地导纳参数的非线性累加，对于等效参数模型而言，电缆处于绝缘劣化的后期，绝缘电阻的非线性下降趋势十分明显，成为最明显的电气特征，绝缘电阻导纳迅速增加；

③：整体均匀劣化的电气特性：电缆绝缘出现均匀劣化的现象是当前配电网络中普遍存在的一个问题，随着配电网络的发展，电缆所处的工作环境也日益复杂，很多电缆长期工作在恶劣的敷设环境中，时刻受到来自于机械、化学、热、电外来因素的影响，劣化周期越来越短，引起整条线路绝缘劣化的可能性也越来越大，从电路参数模型的视角来看，电缆绝缘均匀劣化可以等效为分布电容和绝缘电阻的非线性变化或同时线性变化；

④：发生绝缘击穿后的检测电路：配电网络中的电缆绝缘出现劣化的原因很多，其中既有电缆本身所固有的问题，也有长期工作在恶劣环境中的环境侵蚀因素，还有可能是由于受到外力造成的损伤，总体来看，造成电缆绝缘劣化的主要原因有以下几种：电缆过热、过电压、绝缘外部受潮、绝缘老化变质、机械损伤、绝缘损伤，当电缆局部绝缘出现劣化，并形成贯穿通道时，都会造成电缆绝缘高、中、低阻接地故障，电缆绝缘击穿是高阻接地故障产生的主要原因，在对电缆绝缘击穿形成的高阻接地故障的判断中，引入了建立在接地线电流二次求导基础上的波形特性，绝缘击穿接地电阻设置为0.10KΩ，当电缆因绝缘击穿形成高阻接地故障时，一般会多次重复出现间歇性电弧的熄灭和导通，故障回路出现动态性的变化，接地电流发生随机性的变化，波形间或出现若干个周期的陡增，对发生因电缆绝缘击穿所形成的高阻接地故障的判断，即可通过故障位置电弧特征的出现来完成。

所述的步骤3中的构建各类绝缘缺陷的等效参数模型具体为：在对电缆绝缘状态下的电缆接地线电流的特征变化关系进行分析的基础上，对电缆绝缘击穿、局部放电、整体均匀劣化、电树枝老化和水树枝老化情况下的电气特征进行系统的分析，然后根据不同类型的电缆绝缘劣化等效参数的变化规律，完成模型的构建，并绘制出不同类型的接地线电流变化曲线。

所述的步骤5中的建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型具体为：对当前的电缆运行状态结合相关度分析和数据库技术，做出劣化类型辨别，相关度分析是指在时域中对2个信号之间的相似之处进行分析，从而找出两者之间的异同的一个分析方法，包含了两个方面的内容：互相关和自相关，自相关函数不对涉及相位方面的信息，而是仅仅反映自身公共成分在整个时间段内的状态；互相关函数不仅能够将完整的相信信息还原，还能够对2个信号中公共的频率成分充分的予以反映；当两个信号的波形比较接近时，将会形成共振现象，将信号大幅扩大；当两个信号的波形相差较大时，信号将会相互抵消，信号将会被缩小；然而用绝对值来对两个信号的关联度进行衡量并不具有简便性和直观性，在将相关函数进行归一化处理之后，所得到的相关系数对这种相似度的反映则要直观的多，相关系数ρ越大，两个信号波形越接近；当ρ＝-1时，两个信号波形完全相反，信号最弱；当ρ＝1时，两个信号的波形完全一致，信号最强；在对信号进行检测时，选用相关系数有效避免了仅仅依靠故障信号检测故障的缺陷，既反映了信号的综合相位关系，又较好的反映了信号中每一个频率分量的幅值关系。

所述的步骤5中的建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型采用基于等离子体-化学的气隙放电混合模型实现电缆接头绝缘材料内部气隙放电造成的绝缘裂化程度表征方法，具体包括以下步骤：

步骤5.1：物理模型：以电缆接头制作过程中屏蔽层导体切剥时刀口过深引入气隙为例，建立电缆接头绝缘内部气隙放电等效电路图，其中，外加交流电压源为Vsin(2πft)，气隙绝缘内部气隙长度为d_g，内部绝缘材料长度为d_s，电缆绝缘材料的相对介电常数ε_r＝2.3；

步骤5.2：控制方程：与电晕放电、辉光放电类似，绝缘内部气隙放电属于冷等离子放电范畴，可采用等离子体-化学模型对其放电物理过程进行描述，电力电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电过程中，气体被电离产生电子、正离子和负离子，根据局域场近似原理，绝缘内部气隙放电空间中的电场分布可用泊松方程描述为：

式中，

为电势；ε₀、ε_r分别为真空介电常数和相对介电常数；ρ为电荷密度；n_p、n_n、n_e分别为正离子数密度、负离子数密度和电子数密度；E为电场；电缆接头固体绝缘介质中不存在空间电荷，则式(1)可改写为拉普拉斯方程：

而电缆接头绝缘内部气隙放电通道的形成和发展过程中涉及粒子的产生、消失以及运动，可用连续性方程描述，具体包括：电子运输方程、电子能量运输方程和重粒子运输方程；

步骤5.3：边界条件：具体边界条件有二次电子发射边界、表面电荷累积边界、外部电压与接地边界条件；

步骤5.4：数值求解：选用基于有限元法的COMSOL软件进行全耦合数值求解，离散方式采用可实现误差预估与自动变步长的时间后向差分格式，并且选用适用于大量稀疏线性方程矩阵的MUMPS求解器进行求解。

所述的步骤5.2中的电子运输方程具体为：气隙放电气体中的电子主要由电离产生，在放电过程中有着举足轻重的地位，基于电子的产生和湮灭机理，可得电子的运输方程为：

式中，Γ_e为电子通量；R_e为电子产生和消失的反应源项；D_e为电子的扩散系数；μ_e为电子在电场中的迁移率；M为电子产生或消失的化学反应类型数量；x_j为化学反应j中目标产物的摩尔分数；k_j为化学反应j的反应速率系数；N_n为中性粒子的总密度；

所述的电子能量运输方程具体为：与电子运输方程类似，从微观角度由玻耳兹曼方程可推导得到电子能量方程为：

式中，n_ε为电子能量密度；Γ_ε为电子能量通量；R_ε为电子碰撞引起的能量损失源项；D_ε为电子能量扩散系数；μ_ε为电子能量迁移率；P为电子非弹性碰撞的化学反应数量；ε_j为化学反应j的能量损失；

所述的重粒子运输方程具体为：在绝缘内部气隙放电过程中，除了电子之外，还有正离子、负离子重粒子，其运动过程可用重粒子运输方程描述：

式中，ρ_g为气体密度；w_k为第k种粒子的质量分数；u为质量平均的流体速度向量；j_k为第k种粒子的扩散质量通量向量；R_k为第k种粒子的反应源项；v_k为第k种粒子的运动速度。

所述的步骤5.3中的二次电子发射边界具体为：绝缘内部气隙中电子由二次电子发射得到补充，可由电子通量和电子能量通量进行描述，即：

式中，n为外法线方向；v_th为电子热速度；γ_k为粒子k撞击壁面时的二次电子发射系数，金属表面取值为0.1，绝缘介质表面为0.01；Γ_k为粒子k的离子通量；ε_k为粒子k撞击壁面时的二次发射电子的平均能量；

所述的表面电荷累积边界具体为：电荷在电缆接头绝缘介质表面累积，其边界条件为：

式中，D_1n、D_2n分别为界面两侧电通量的法向分量；ρ_es为界面上的电荷密度；J_i,n、J_e,n分别为界面的离子流和电子流密度的法向分量；

所述的外部电压与接地边界具体为：绝缘内部气隙放电模型两端分别为电缆导体和金属屏蔽层，分别对应实时运行电压V₁和地电位V₂，即：

式中，V_p为电缆金属导体上的电压峰值；f为电压频率。

所述的步骤6中的建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台包括前端信号采集传感器、信号调理电路、数据采集卡、通信模块、信息处理模块组成，所述的前端信号采集传感器包括电流传感器和电压传感器。

所述的电流传感器采用WBCT51S901型传感器，所述的电流信号调理电路采用WBCT05B001型电路，所述的数据采集卡采用NI6143型采集卡，所述的信息处理模块采用XD-6203模块。

在本实施例中，基于等离子体-化学的气隙放电混合模型实现电缆接头绝缘材料内部气隙放电造成的绝缘裂化程度表征方法具体包括以下步骤：

步骤一：基于放电相位特征的劣化程度表征：为研究不同裂化程度下放电相位的特征，保持气隙通道截面积和施加电压幅值不变，采用参数扫描方式计算得到长度由0.1mm变化到5.2mm时的放电电流脉冲波形以及不同气隙长度放电脉冲波形，并按照图7分别提取放电脉冲正半周放电起始相位φ₁、截止相位φ₂和放电脉冲负半周放电起始相位φ₃和截止相位φ₄，统计数据结果绘制得到绝缘内部气隙放电正半周和负半周的起始和截止相位随气隙长度变化的曲线如图8所示，由图8可以得到，电缆接头绝缘内部气隙放电劣化损伤过程中，气隙通道沿电场方向发展的长度对气隙放电脉冲波形产生影响，使得整个劣化损伤过程中气隙放电图谱出现不同的表现形式，从而对应不同的放电阶段；

①：当绝缘内部气隙长度在0.1～1mm范围时，放电脉冲起始和截止相位分布曲线呈下降趋势，即正、负半周的放电脉冲起始相位φ₁、φ₃和截止相位φ₂、φ₄分布均分别向0°和180°方向扩展，且正、负半周的放电脉冲相位宽度φ₂-f₁、φ₄-f₃均较窄，约为3°～6°；

②：当绝缘内部气隙长度在1.1～3mm范围时，放电脉冲起始相位分布曲线呈继续下降趋势，即正、负半周的放电脉冲起始相位φ₁、φ₃分别继续向0°和180°方向扩展，而放电脉冲截止相位分布曲线呈上升趋势，即正、负半周的放电脉冲截止相位φ₂、φ₄分别继续向90°和270°方向扩展，且正、负半周的放电脉冲相位宽度φ₂-f₁、φ₄-f₃较上一阶段有所增大，约为6°～33°；

③：当绝缘内部气隙长度在3.1～5.2mm范围时，放电脉冲起始相位分布曲线继续呈缓慢下降趋势，即正、负半周的放电脉冲起始相位φ₁、φ₃分别继续向0°和180°方向缓慢扩展，而放电脉冲截止相位分布曲线在气隙长度为3.1mm处跃变到更高的相位区间后呈缓慢增长趋势，即正、负半周的放电脉冲截止相位φ₂、φ₄在气隙长度为3.1mm处分别由49°和234°跃变到170°和349°，并分别继续向0°和360°方向扩展，且正、负半周的放电脉冲相位宽度φ₂-f₁、φ₄-f₃较上一阶段有大幅增加，约为150°～156°；

因此，根据不同气隙长度下的放电脉冲相位分布特征规律分析，将电缆接头绝缘内部气隙放电劣化损伤过程分为表1中所示的三个阶段和等级；

表1基于放电相位特征的电缆接头绝缘内部气隙放电劣化损伤发展过程阶段和等级划分

步骤二：基于放电次数特征放电劣化程度：气隙放电脉冲波形除了具有相位特征外，单位时间内放电次数(也被称为重复率)也是气隙放电脉冲波形的又一特征量，按图9分别统计正半周放电脉冲次数N₁和负半周放电脉冲次数N₂，并将单个周期内的总放电脉冲次数N(N＝N₁+N₂)数据进行记录，绘制得到绝缘内部气隙放电单个周期内总放电脉冲次数N随气隙长度变化的曲线如图9所示，由图9可知：

①：当绝缘内部气隙长度在0.1～1mm范围时，单个周期内的总放电脉冲次数曲线呈下降趋势，如当气隙长度为0.1mm时，单个周期内的总放电脉冲次数为13，而当气隙长度为1mm时，单个周期内的总放电脉冲次数为8；

②：当绝缘内部气隙长度在1.1～3mm范围时，单个周期内的总放电脉冲次数曲线呈小幅上升变化趋势，如当气隙长度为1.1mm时，单个周期内的总放电脉冲次数为10，而当气隙长度为3mm时，单个周期内的总放电脉冲次数为36；

③：当绝缘内部气隙长度在3.1～4.2mm范围时，单个周期内的总放电脉冲次数曲线首先在气隙长度为3.1mm处骤然升高到100，然后逐渐下降到气隙长度为4.2mm时的68；

④：当绝缘内部气隙长度在4.3～5.2mm范围时，单个周期内的总放电脉冲次数呈指数函数迅速增大，即开始出现连续密集的放电脉冲；

根据不同气隙长度下的单个周期内总放电脉冲次数特征规律分析，将电缆接头绝缘内部气隙放电劣化损伤过程分为表2中所示的4个阶段和等级；

表2基于放电次数特征的电缆接头绝缘内部气隙放电劣化损伤发展过程阶段和等级划分

步骤三：基于放电幅值特征的劣化程度表征：幅值是放电脉冲波形的重要特征量，为了获取电缆接头绝缘内部气隙放电脉冲幅值特征规律，在计算得到绝缘内部不同气隙长度下随时间变化的放电电流脉冲波形后，按式(10)求取图7所示的单个周期内放电电流平均幅值I_avg，并记录相关数据结果，绘制得到绝缘内部气隙放电单个周期内放电电流平均幅值随气隙长度变化的曲线如图10所示，

式中，i(t)为随时间变化的放电电流；由图10可知：

①：当绝缘内部气隙长度在0.1～1mm范围内时，单个周期内的放电电流平均幅值曲线呈水平趋势，上升速率约为0.6pA/mm；

②：当绝缘内部气隙长度在1.1～3mm范围内时，单个周期内的放电电流平均幅值曲线近似呈线性上升趋势，上升速率约为1.65pA/mm；

③：当绝缘内部气隙长度在3.1～5.2mm范围内时，单个周期内的放电电流平均幅值呈指数函数迅速增大，即绝缘气隙内部放电愈来愈剧烈；

④：与绝缘内部气隙放电脉冲的相位特征和单周期内总放电脉冲次数相比，单周期内的放电电流平均幅值特征的灵敏性相对较弱；

根据不同气隙长度下的单个周期放电电流平均幅值特征规律分析，可将电缆接头绝缘内部气隙放电劣化损伤过程划分为表3中所示的三个阶段和等级，在工程实际中，可以根据放电不同劣化阶段所具有的特征明显的放电脉冲幅值特征，对电缆接头绝缘内部气隙放电所处的劣化阶段进行评估；

表3基于放电幅值特征的电缆绝缘内部气隙放电劣化损伤发展过程阶段和等级划分

步骤四：结论：建立了电缆接头绝缘内部气隙放电等离子-化学模型，利用有限元方法对内部气隙放电过程进行数值求解，得到电缆接头内部绝缘气隙放电过程中电场强度和电子密度分布的时空特性，并进一步计算得到电缆接头气隙放电过程中放电电压与电流波形，根据电缆接头内部劣化过程中气隙长度的不同，统计分析得到在工频周期下不同长度的气隙放电的相位、放电次数以及放电幅值特征，对其进行绝缘程度划分。

本发明为电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，在使用中，本发明在现有的电缆绝缘检测方法的基础上，提出了基于线路传导特性的电缆绝缘态势监测技术，通过分布式监测线路的电流、电压变化关系，对数据变化曲线应用相关度的理论分析，诊断线路局部缺陷，能够实现电缆绝缘故障极早期隐患的诊断和预警，避免因绝缘问题造成的故障导致的线路跳闸、火灾等事件发生；本发明能够监测配电网电缆绝缘态势变化，进而发现电缆线路的故障苗头，实现电缆绝缘劣化早期预警，能够辅助运维检修人员及早排除故障隐患，实现配电系统中绝缘事故的快速诊断与处理，大幅提高供电系统运行的质量和效率，很大程度上减轻了工作人员的工作压力；本发明具有实时监测电缆绝缘态势变化、实现电缆绝缘劣化早期预警、实现快速诊断与处理、提高供电系统运行质量和效率的优点。

Claims (10)

1.电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

步骤1：根据电缆绝缘老化机理，对高压电缆绝缘劣化过程中的参数变化进行监测；

步骤2：不同绝缘劣化类型的电气特性；

步骤3：构建各类绝缘缺陷的等效参数模型；

步骤4：样本数据库识别原理分析；

步骤5：建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型；

步骤6：建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台。

2.如权利要求1所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的步骤1具体为：对电缆绝缘劣化程度的在线监测和故障诊断，最关键的问题是获取到变化明显且安全可靠的特征信号，将电缆绝缘的状态充分准确的反映出来，采用以接地线电流为特征信号的检测方法，由于电缆绝缘的劣化并不是瞬时产生的，而是一个因工作环境的不同劣化周期不同的漫长的过程，在电缆绝缘劣化的过程中，通常伴随着绝缘电阻的下降和等效分布电容的增加，通过对电树枝老化形成的分布电容和绝缘电阻变化规律的研究，可以发现：在电缆绝缘劣化的中后期，等效电阻逐渐减小；在劣化的前期，分布电容出现波动并不断增加，通过对电缆金属屏蔽层和电缆线芯之间的接地电流的变化的分析，能够得到接地线电流的波形变化与分布电容和等效电阻的参数变化存在着一定的对应关系，故而可以通过接地线电流的变化来对电缆绝缘的劣化类型进行识别。

3.如权利要求1所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的步骤2中不同绝缘劣化类型的电气特性是由于电缆受潮和发生绝缘劣化时，电缆的电气特性将发生一系列的变化，具体包括以下方面：

①：出现水树枝后的电气特性：电缆绝缘劣化形成的一个重要标致是水树枝的出现，水树枝的增长与电缆绝缘的劣化程度成正比关系，电缆绝缘层中水树枝的不断扩展，会因水树枝尖部高强度电场的作用，逐步发生演变，并最终形成电树枝，形成间歇性高阻接地故障，出现大面积贯穿，电缆绝缘层出现间歇性高阻接地故障的随机性很强，有些水树枝发展为电树枝的周期很长，最长的水树枝潜伏期甚至长达3年之久；有些水树枝发展为电树枝的周期则很短，水树枝在极短的时间内即发展为电树枝，形成对电缆绝缘层的击穿；

②：发展为电树枝对应的电气特性：电缆的绝缘参数在水树枝发展成为电树枝之后的变化也是呈非线性趋势的，电缆绝缘的等效网络可取电树枝老化后的对地导纳参数的非线性累加，对于等效参数模型而言，电缆处于绝缘劣化的后期，绝缘电阻的非线性下降趋势十分明显，成为最明显的电气特征，绝缘电阻导纳迅速增加；

③：整体均匀劣化的电气特性：电缆绝缘出现均匀劣化的现象是当前配电网络中普遍存在的一个问题，随着配电网络的发展，电缆所处的工作环境也日益复杂，很多电缆长期工作在恶劣的敷设环境中，时刻受到来自于机械、化学、热、电外来因素的影响，劣化周期越来越短，引起整条线路绝缘劣化的可能性也越来越大，从电路参数模型的视角来看，电缆绝缘均匀劣化可以等效为分布电容和绝缘电阻的非线性变化或同时线性变化；

④：发生绝缘击穿后的检测电路：配电网络中的电缆绝缘出现劣化的原因很多，其中既有电缆本身所固有的问题，也有长期工作在恶劣环境中的环境侵蚀因素，还有可能是由于受到外力造成的损伤，总体来看，造成电缆绝缘劣化的主要原因有以下几种：电缆过热、过电压、绝缘外部受潮、绝缘老化变质、机械损伤、绝缘损伤，当电缆局部绝缘出现劣化，并形成贯穿通道时，都会造成电缆绝缘高、中、低阻接地故障，电缆绝缘击穿是高阻接地故障产生的主要原因，在对电缆绝缘击穿形成的高阻接地故障的判断中，引入了建立在接地线电流二次求导基础上的波形特性，绝缘击穿接地电阻设置为0.10KΩ，当电缆因绝缘击穿形成高阻接地故障时，一般会多次重复出现间歇性电弧的熄灭和导通，故障回路出现动态性的变化，接地电流发生随机性的变化，波形间或出现若干个周期的陡增，对发生因电缆绝缘击穿所形成的高阻接地故障的判断，即可通过故障位置电弧特征的出现来完成。

4.如权利要求1所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的步骤3中的构建各类绝缘缺陷的等效参数模型具体为：在对电缆绝缘状态下的电缆接地线电流的特征变化关系进行分析的基础上，对电缆绝缘击穿、局部放电、整体均匀劣化、电树枝老化和水树枝老化情况下的电气特征进行系统的分析，然后根据不同类型的电缆绝缘劣化等效参数的变化规律，完成模型的构建，并绘制出不同类型的接地线电流变化曲线。

5.如权利要求1所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的步骤5中的建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型具体为：对当前的电缆运行状态结合相关度分析和数据库技术，做出劣化类型辨别，相关度分析是指在时域中对2个信号之间的相似之处进行分析，从而找出两者之间的异同的一个分析方法，包含了两个方面的内容：互相关和自相关，自相关函数不对涉及相位方面的信息，而是仅仅反映自身公共成分在整个时间段内的状态；互相关函数不仅能够将完整的相信信息还原，还能够对2个信号中公共的频率成分充分的予以反映；当两个信号的波形比较接近时，将会形成共振现象，将信号大幅扩大；当两个信号的波形相差较大时，信号将会相互抵消，信号将会被缩小；然而用绝对值来对两个信号的关联度进行衡量并不具有简便性和直观性，在将相关函数进行归一化处理之后，所得到的相关系数对这种相似度的反映则要直观的多，相关系数ρ越大，两个信号波形越接近；当ρ＝-1时，两个信号波形完全相反，信号最弱；当ρ＝1时，两个信号的波形完全一致，信号最强；在对信号进行检测时，选用相关系数有效避免了仅仅依靠故障信号检测故障的缺陷，既反映了信号的综合相位关系，又较好的反映了信号中每一个频率分量的幅值关系。

6.如权利要求5所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的步骤5中的建立基于样本数据识别的绝缘劣化诊断模型采用基于等离子体-化学的气隙放电混合模型实现电缆接头绝缘材料内部气隙放电造成的绝缘裂化程度表征方法，具体包括以下步骤：

步骤5.1：物理模型：以电缆接头制作过程中屏蔽层导体切剥时刀口过深引入气隙为例，建立电缆接头绝缘内部气隙放电等效电路图，其中，外加交流电压源为Vsin(2πft)，气隙绝缘内部气隙长度为d_g，内部绝缘材料长度为d_s，电缆绝缘材料的相对介电常数ε_r＝2.3；

步骤5.2：控制方程：与电晕放电、辉光放电类似，绝缘内部气隙放电属于冷等离子放电范畴，可采用等离子体-化学模型对其放电物理过程进行描述，电力电缆接头绝缘内部气隙缺陷放电过程中，气体被电离产生电子、正离子和负离子，根据局域场近似原理，绝缘内部气隙放电空间中的电场分布可用泊松方程描述为：

式中，

为电势；ε₀、ε_r分别为真空介电常数和相对介电常数；ρ为电荷密度；n_p、n_n、n_e分别为正离子数密度、负离子数密度和电子数密度；E为电场；电缆接头固体绝缘介质中不存在空间电荷，则式(1)可改写为拉普拉斯方程：

而电缆接头绝缘内部气隙放电通道的形成和发展过程中涉及粒子的产生、消失以及运动，可用连续性方程描述，具体包括：电子运输方程、电子能量运输方程和重粒子运输方程；

步骤5.3：边界条件：具体边界条件有二次电子发射边界、表面电荷累积边界、外部电压与接地边界条件；

步骤5.4：数值求解：选用基于有限元法的COMSOL软件进行全耦合数值求解，离散方式采用可实现误差预估与自动变步长的时间后向差分格式，并且选用适用于大量稀疏线性方程矩阵的MUMPS求解器进行求解。

7.如权利要求6所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的步骤5.2中的电子运输方程具体为：气隙放电气体中的电子主要由电离产生，在放电过程中有着举足轻重的地位，基于电子的产生和湮灭机理，可得电子的运输方程为：

式中，Γ_e为电子通量；R_e为电子产生和消失的反应源项；D_e为电子的扩散系数；μ_e为电子在电场中的迁移率；M为电子产生或消失的化学反应类型数量；x_j为化学反应j中目标产物的摩尔分数；k_j为化学反应j的反应速率系数；N_n为中性粒子的总密度；

所述的电子能量运输方程具体为：与电子运输方程类似，从微观角度由玻耳兹曼方程可推导得到电子能量方程为：

式中，n_ε为电子能量密度；Γ_ε为电子能量通量；R_ε为电子碰撞引起的能量损失源项；D_ε为电子能量扩散系数；μ_ε为电子能量迁移率；P为电子非弹性碰撞的化学反应数量；ε_j为化学反应j的能量损失；

所述的重粒子运输方程具体为：在绝缘内部气隙放电过程中，除了电子之外，还有正离子、负离子重粒子，其运动过程可用重粒子运输方程描述：

式中，ρ_g为气体密度；w_k为第k种粒子的质量分数；u为质量平均的流体速度向量；j_k为第k种粒子的扩散质量通量向量；R_k为第k种粒子的反应源项；v_k为第k种粒子的运动速度。

8.如权利要求6所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的步骤5.3中的二次电子发射边界具体为：绝缘内部气隙中电子由二次电子发射得到补充，可由电子通量和电子能量通量进行描述，即：

式中，n为外法线方向；v_th为电子热速度；γ_k为粒子k撞击壁面时的二次电子发射系数，金属表面取值为0.1，绝缘介质表面为0.01；Γ_k为粒子k的离子通量；ε_k为粒子k撞击壁面时的二次发射电子的平均能量；

所述的表面电荷累积边界具体为：电荷在电缆接头绝缘介质表面累积，其边界条件为：

式中，D_1n、D_2n分别为界面两侧电通量的法向分量；ρ_es为界面上的电荷密度；J_i,n、J_e,n分别为界面的离子流和电子流密度的法向分量；

所述的外部电压与接地边界具体为：绝缘内部气隙放电模型两端分别为电缆导体和金属屏蔽层，分别对应实时运行电压V₁和地电位V₂，即：

式中，V_p为电缆金属导体上的电压峰值；f为电压频率。

9.如权利要求1所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的步骤6中的建立基于等效电气特性的配电网电缆绝缘态势在线监测平台包括前端信号采集传感器、信号调理电路、数据采集卡、通信模块、信息处理模块组成，所述的前端信号采集传感器包括电流传感器和电压传感器。

10.如权利要求9所述的电缆绝缘劣化等效参数模型的样本数据库识别诊断方法，其特征在于：所述的电流传感器采用WBCT51S901型传感器，所述的电流信号调理电路采用WBCT05B001型电路，所述的数据采集卡采用NI6143型采集卡，所述的信息处理模块采用XD-6203模块。

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