CN116911068A - 一种电缆接头有效寿命预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电缆接头有效寿命预测方法及系统，涉及电网技术领域，所述方法包括在目标电缆接头上设置温度传感器和贴片拉力传感器；通过所述温度传感器获取目标电缆接头外表皮的温度变化曲线，以及通过贴片拉力传感器获取所述目标电缆接头与电缆连接处的接头‑电缆拉力变化曲线；获得各层结构的参考老化反应速率值和平均拉伸变形率值；建立有效寿命预测模型，将获取的各层结构的老化反应速率值和历史平均拉伸变形率值输入至有效寿命预测模型，得到各层结构的电缆接头有效寿命预测值；判定各层结构的电缆接头有效寿命预测值中的最小值为目标电缆接头的有效寿命值。所述系统用于实现该方法。本发明预测结果准确，具有极强的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及电网设备技术领域，具体是一种电缆接头有效寿命预测方法及系统。
背景技术
电缆接头又称电缆头。电缆铺设好后，为了使其成为一个连续的线路，各段线必须连接为一个整体，这些连接点就称为电缆接头，电缆线路中间部位的电缆接头称为中间接头，而线路两末端的电缆接头称为终端头。
电缆中间接头是连接两根电缆的重要部件，其使用状态好坏直接影响到两根电缆的正常输电，中间接头多以层结构形式存在，从内层到外层多为导体（铜芯或铝芯）、内屏蔽层、主绝缘层、外屏蔽层、外表层（外表皮）结构，部分特殊用途的接头在外表层内外还可能存在阻燃层、阻水层、防腐层等等。
电缆中间接头在使用过程中出现问题的概率较高，属于电力线路中最薄弱的环节之一，其中常常出现的问题包括：高温燃烧、熔断、断裂、拉裂等，这些问题大多都是基于电缆中间接头安装不规范、使用超负荷或结构老化造成的，其中接头安装和使用超负荷是可以人工干预和把控的，但电缆中间接头因安装、使用及环境影响，使得其老化的影响因素较为复杂，更多时候，中间接头在使用过程中，多以设计寿命进行有效寿命折算，例如，电力电缆接头使用寿命标准是15年，在使用过程中，相关企业或人员会根据当前电缆接头的应用环境和使用情况，进行相应计算，最后得出其具体使用的有效寿命，但该折算方式并不准确，并没有找到老化因素和接头损坏程度的关系，从而使得折算的有效寿命存在偏差，导致目前大多中间接头在其有效寿命内的损坏和电力故障时有发生，且损坏和电力故障的基本原因也多为接头相关部分老化造成。
基于此，如何找到接头老化因素与使用寿命的关联性，为电缆中间接头的有效使用寿命提供正确的评估预测是极有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电缆接头有效寿命预测方法，该预测方法能够基于电缆接头结构和使用情况，进行实时的有效使用寿命预测，确保电缆接头的正常连接及电缆的安全使用，并可为电缆接头使用寿命提供准确的数据支持，方便后续更换或检修。同时本发明还基于该电缆接头有效寿命预测方法，提供了一种电缆接头有效寿命预测系统。
基于此，第一方面，本发明提供了一种电缆接头有效寿命预测方法，包括：
在目标电缆接头上设置温度传感器和贴片拉力传感器；
通过所述温度传感器获取所述目标电缆接头外表皮的温度变化曲线，以及通过所述贴片拉力传感器获取所述目标电缆接头与电缆连接处的接头-电缆拉力变化曲线；所述温度变化曲线为所述目标电缆接头外表皮的温度和时间曲线；所述接头-电缆拉力变化曲线为所述目标电缆接头、电缆连接处的拉力和时间曲线；
基于温度变化曲线获取所述目标电缆接头各层结构的温度变化数据，以各层结构的温度变化数据计算所述目标电缆接头各层结构的老化反应速率数据，提取各层结构的老化反应速率数据进行平均计算，获得各层结构的参考老化反应速率值；
基于接头-电缆拉力变化曲线获取相同时段内的拉力变化数据，以拉力变化数据计算所述目标电缆接头导体的平均拉伸变形率值；
采用极限学习机算法，基于各层结构的历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，建立有效寿命预测模型，将获取的各层结构的老化反应速率值和历史平均拉伸变形率值输入至有效寿命预测模型，计算并输出，得到各层结构的电缆接头有效寿命预测值；
判定各层结构的电缆接头有效寿命预测值中的最小值为所述目标电缆接头的有效寿命值。
在该方法中，基于温度变化曲线获取所述目标电缆接头各层结构的温度变化数据，具体为：
基于温度变化曲线，以规定时间间隔为基准，获取若干所述目标电缆接头外表皮的温度变化数据；
获取所述目标电缆接头从内到外的层结构信息，所述层结构信息包括层数信息、材料属性信息、材料导热系数信息、厚度信息及层结构之间的接触面积信息；
基于层结构信息和温度变化数据，利用傅里叶导热系数方程式反向求解，依次从外层的电缆接头外表皮到电缆接头导体进行温度换算，获得各层结构的温度变化数据。
在该方法中，以各层结构的温度变化数据计算所述目标电缆接头各层结构的老化反应速率数据，提取各层结构的老化反应速率数据进行平均计算，获得各层结构的参考老化反应速率值，具体为：
基于Arrhenius方程，计算各层结构的温度变化数据对应的老化反应速率数据；
以各层结构类别作为基础，将各层结构对应的老化反应速率数据进行平均计算，既得各层结构对应的参考老化反应速率值。
在该方法中，基于接头-电缆拉力变化曲线获取相同时段内的拉力变化数据，以拉力变化数据计算所述目标电缆接头导体的平均拉伸变形率值，具体为：
取与温度变化数据相同时段内的拉力变化数据，并以相同时间间隔为基准，获取若干所述目标电缆接头导体的拉力变化数据；
将若干所述拉力变化数据代入以下公式：
＆=FR/EI
式中，＆为拉伸变形率，F为拉力，R是导体结构直径，E为导体材料弹性模量，I为导体结构惯性矩；
基于上式求取拉力变化数据对应的拉伸变形率数据，将若干所述拉伸变形率数据进行求平均，既得平均拉伸变形率值。
在该方法中，采用极限学习机算法，基于各层结构的历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，建立有效寿命预测模型，具体为：
建立与历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签对应的初步有效寿命预测模型；
采用极限学习机算法，根据历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，训练并验证所述初步有效寿命预测模型，得到有效寿命预测模型。
基于申请人的研究，基于温度变化导致接头老化是最为直接的，导体本体工作产生热量，会使得接头其余层结构产生热传递，进而长期处于一定温度范围内的工作状态，这种状态会使得电缆接头各个层结构老化加速，而各个层结构老化加速，加上各层结构的材料特性差异，会使得各个层结构之间的贴合度、相互应力及电阻率变化，进而反向影响接头处导体的热量变化，导致接头温度异常而出现老化加速甚至发生火灾的情况，基于此，申请人将温度作为影响接头老化的第一因素进行考虑，并以各个层结构的不同老化程度来综合评判整体接头的老化程度，进而预测其有效使用寿命。
并且，申请人同时研究发现，在对电缆接头老化引起的故障分析中，电缆接头高温燃烧、熔断、断裂、拉裂等故障出现前后，其与电缆连接处的连接状态会有所线性关联，也即电缆接头导体与电缆连接处的相互拉力会随着老化逐步增大，并同时反向影响和加速电缆接头的老化，而随着拉力增大，导体自身拉伸变形率也会逐步增大，因此，申请人以电缆接头的导体拉伸率作为第二因素，作为第一因素的修正或补偿参数，进而结合二者整体来对接头老化进行评估，使得该评判方式更为直接准确。
综上，本电缆接头有效寿命预测方法，以老化出现的故障反向推导，进而以接头各层结构的温度变化数据及电缆接头导体的拉伸变形率数据，来进行有效寿命预测，不仅预测结果准确，且由于以电缆层结构作为温度变化数据，进而可适应不同层结构的电缆接头使用，所以对于不同的电缆接头都可以做出相应的准确评估，具有极强的适应性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明电缆接头有效寿命预测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明第一个实施例提供了一种电缆接头有效寿命预测方法，包括：
S1、在目标电缆接头上设置温度传感器和贴片拉力传感器；
S2、通过所述温度传感器获取所述目标电缆接头外表皮的温度变化曲线，以及通过所述贴片拉力传感器获取所述目标电缆接头与电缆连接处的接头-电缆拉力变化曲线；所述温度变化曲线为所述目标电缆接头外表皮的温度和时间曲线；所述接头-电缆拉力变化曲线为所述目标电缆接头、电缆连接处的拉力和时间曲线；
S3、基于温度变化曲线获取所述目标电缆接头各层结构的温度变化数据，以各层结构的温度变化数据计算所述目标电缆接头各层结构的老化反应速率数据，提取各层结构的老化反应速率数据进行平均计算，获得各层结构的参考老化反应速率值；
S4、基于接头-电缆拉力变化曲线获取相同时段内的拉力变化数据，以拉力变化数据计算所述目标电缆接头导体的平均拉伸变形率值；
S5、采用极限学习机算法，基于各层结构的历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，建立有效寿命预测模型，将获取的各层结构的老化反应速率值和历史平均拉伸变形率值输入至有效寿命预测模型，计算并输出，得到各层结构的电缆接头有效寿命预测值；
S6、判定各层结构的电缆接头有效寿命预测值中的最小值为所述目标电缆接头的有效寿命值。
在本实施例中，由于温度变化导致接头老化是最为直接的，导体工作产生热量会使得接头其余层结构产生热传递，进而长期处于一定温度范围内的工作状态，这种状态会使得电缆接头各个层结构老化加速，而各个层结构老化加速，加上各层结构的材料特性差异，会使得各个层结构之间的贴合度、相互应力及电阻率变化，进而反向影响接头处导体的热量变化，导致接头温度异常而出现老化加速甚至发生火灾的情况，基于此，申请人将温度作为影响接头老化的第一因素进行考虑，并以各个层结构的不同老化程度来综合评判整体接头的老化程度，进而预测其有效使用寿命。并且，在对电缆接头老化引起的故障分析中，电缆接头高温燃烧、熔断、断裂、拉裂等故障出现前后，其与电缆连接处的连接状态会有所线性关联，也即电缆接头导体与电缆连接处的相互拉力会随着老化逐步增大，并同时反向影响和加速电缆接头的老化，而随着拉力增大，导体自身拉伸变形率也会逐步增大，因此，申请人以电缆接头的导体拉伸率作为第二因素，作为第一因素的修正或补偿参数，进而结合二者整体来对接头老化进行评估，使得该评判方式更为直接准确。
基于以上说明，本实施例的电缆接头有效寿命预测方法，以老化出现的故障反向推导，进而以接头各层结构的温度变化数据及电缆接头导体的拉伸变形率数据，以电缆接头的温度变化作为影响接头使用寿命的第一因素，以电缆接头的导体拉伸率作为第二因素，以二者为关联数据，结合历史数据来进行综合分析和预测，不仅预测结果准确，且由于以电缆层结构作为温度变化数据，进而可适应不同层结构的电缆接头使用，所以对于不同的电缆接头都可以做出相应的准确评估，具有极强的适应性。
在该实施例中，基于温度变化曲线获取所述目标电缆接头各层结构的温度变化数据，具体为：
基于温度变化曲线，以规定时间间隔为基准，获取若干所述目标电缆接头外表皮的温度变化数据；
获取所述目标电缆接头从内到外的层结构信息，所述层结构信息包括层数信息、材料属性信息、材料导热系数信息、厚度信息及层结构之间的接触面积信息；
基于层结构信息和温度变化数据，利用傅里叶导热系数方程式反向求解，依次从外层的电缆接头外表皮到电缆接头导体进行温度换算，获得各层结构的温度变化数据。
在具体实施时，傅里叶导热系数方程式包括：
Q =KA×△T/d （1）
式中:Q为材料导热热量，K为材料导热系数，A为层结构之间的接触面积，d为层结构厚度，△T为层结构之间的温度差。
在反向求解时，设外层温度为T1，外层材料导热系数为K1，内层导热系数为K2，外层和内层接触面积为A1，内层厚度d1，则：
外层导热热量为：
Q1= T1×K1 （2）
式中Q1即为外层材料的导热热量，将其带入式（1）中，得：
T1×K1= K2×A1×△T/d1
△T= T1×K1×d1/ K2×A1
其中△T即为内层和外层之间的温度差，由于导热率影响，内层温度肯定是高于外层温度的，故通过T1+△T计算得到的数值即为内层的温度。
依次类推，即可从外层的电缆接头外表皮到电缆接头导体进行温度换算，获得各层结构的温度变化数据。
在该实施例中，以各层结构的温度变化数据计算所述目标电缆接头各层结构的老化反应速率数据，提取各层结构的老化反应速率数据进行平均计算，获得各层结构的参考老化反应速率值，具体为：
基于Arrhenius方程，计算各层结构的温度变化数据对应的老化反应速率数据；
以各层结构类别作为基础，将各层结构对应的老化反应速率数据进行平均计算，既得各层结构对应的参考老化反应速率值。
在具体实施时，Arrhenius方程为：
式中，k为温度T时的反应速度常数，A0为阿伦尼乌斯常数，E为老化反应活化能，视为与温度T无关的常数，R为理想气体常数，T为温度。
基于该公式，即可获取每个温度数据对应的反应速度常数，将所有的反应速度常数进行求和并平均计算，即可计算得到参考老化反应速率值。
需要说明的是，老化反应活化能与对应层结构的材料本身特性有关，可提前获取，例如，电缆接头的老化为热氧化老化，电缆接头部分常使用的材料中，天然橡胶老化的老化反应活化能为0.93eV，环氧树脂的老化反应活化能为1.2eV，乙丙橡胶的老化反应活化能为0.95eV，硅橡胶的老化反应活化能为0.85eV，聚甲醛的老化反应活化能为1.0eV，涤纶树脂的老化反应活化能为1.0eV。
在该实施例中，基于接头-电缆拉力变化曲线获取相同时段内的拉力变化数据，以拉力变化数据计算所述目标电缆接头导体的平均拉伸变形率值，具体为：
取与温度变化数据相同时段内的拉力变化数据，并以相同时间间隔为基准，获取若干所述目标电缆接头导体的拉力变化数据；
将若干所述拉力变化数据代入以下公式：
＆=FR/EI
式中，＆为拉伸变形率，F为拉力，R是导体结构直径，E为导体材料弹性模量，I为导体结构惯性矩；
需要说明的是，E和I均可通过导体材料信息如材料名称、尺寸来分别提前获得和计算E和I，二者获取或计算方式属于现有技术，本实施例即不再累述，在必要的时候，EI的数值乘积也可代表抗弯刚度，故实际操作过程中，EI也可以直接采用导体材料的抗弯刚度数值来使用。
基于上式求取拉力变化数据对应的拉伸变形率数据，将若干所述拉伸变形率数据进行求平均，既得平均拉伸变形率值。
在该实施例中，基于各层结构的历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，建立有效寿命预测模型，具体为：
建立与历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签对应的初步有效寿命预测模型；
采用极限学习机算法，根据历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，训练并验证所述初步有效寿命预测模型，得到有效寿命预测模型。
本发明第二个实施例提供了一种电缆接头有效寿命预测系统，其特征在于，包括：
采样单元，被配置为设置在目标电缆接头上的温度传感器和贴片拉力传感器；
检测单元，被配置为通过所述温度传感器获取所述目标电缆接头外表皮的温度变化曲线，以及通过所述贴片拉力传感器获取所述目标电缆接头与电缆连接处的接头-电缆拉力变化曲线；所述温度变化曲线为所述目标电缆接头外表皮的温度和时间曲线；所述接头-电缆拉力变化曲线为所述目标电缆接头、电缆连接处的拉力和时间曲线；
处理单元，被配置为基于温度变化曲线获取所述目标电缆接头各层结构的温度变化数据，以各层结构的温度变化数据计算所述目标电缆接头各层结构的老化反应速率数据，提取各层结构的老化反应速率数据进行平均计算，获得各层结构的参考老化反应速率值；
以及被配置为基于接头-电缆拉力变化曲线获取相同时段内的拉力变化数据，以拉力变化数据计算所述目标电缆接头导体的平均拉伸变形率值；
预测单元，被配置为采用极限学习机算法，基于各层结构的历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，建立有效寿命预测模型，将获取的各层结构的老化反应速率值和历史平均拉伸变形率值输入至有效寿命预测模型，计算并输出，得到各层结构的电缆接头有效寿命预测值；
判定单元，被配置为判定各层结构的电缆接头有效寿命预测值中的最小值为所述目标电缆接头的有效寿命值。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电缆接头有效寿命预测方法，其特征在于，包括：
在目标电缆接头上设置温度传感器和贴片拉力传感器；
通过所述温度传感器获取所述目标电缆接头外表皮的温度变化曲线，以及通过所述贴片拉力传感器获取所述目标电缆接头与电缆连接处的接头-电缆拉力变化曲线；所述温度变化曲线为所述目标电缆接头外表皮的温度和时间曲线；所述接头-电缆拉力变化曲线为所述目标电缆接头、电缆连接处的拉力和时间曲线；
基于温度变化曲线获取所述目标电缆接头各层结构的温度变化数据，以各层结构的温度变化数据计算所述目标电缆接头各层结构的老化反应速率数据，提取各层结构的老化反应速率数据进行平均计算，获得各层结构的参考老化反应速率值；
基于接头-电缆拉力变化曲线获取相同时段内的拉力变化数据，以拉力变化数据计算所述目标电缆接头导体的平均拉伸变形率值；
采用极限学习机算法，基于各层结构的历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，建立有效寿命预测模型，将获取的各层结构的老化反应速率值和历史平均拉伸变形率值输入至有效寿命预测模型，计算并输出，得到各层结构的电缆接头有效寿命预测值；
判定各层结构的电缆接头有效寿命预测值中的最小值为所述目标电缆接头的有效寿命值。
2.根据权利要求1所述的电缆接头有效寿命预测方法，其特征在于，基于温度变化曲线获取所述目标电缆接头各层结构的温度变化数据，具体为：
基于温度变化曲线，以规定时间间隔为基准，获取若干所述目标电缆接头外表皮的温度变化数据；
获取所述目标电缆接头从内到外的层结构信息，所述层结构信息包括层数信息、材料属性信息、材料导热系数信息、厚度信息及层结构之间的接触面积信息；
基于层结构信息和温度变化数据，利用傅里叶导热系数方程式反向求解，依次从外层的电缆接头外表皮到电缆接头导体进行温度换算，获得各层结构的温度变化数据。
3.根据权利要求2所述的电缆接头有效寿命预测方法，其特征在于，以各层结构的温度变化数据计算所述目标电缆接头各层结构的老化反应速率数据，提取各层结构的老化反应速率数据进行平均计算，获得各层结构的参考老化反应速率值，具体为：
基于Arrhenius方程，计算各层结构的温度变化数据对应的老化反应速率数据；
以各层结构类别作为基础，将各层结构对应的老化反应速率数据进行平均计算，既得各层结构对应的参考老化反应速率值。
4.根据权利要求2所述的电缆接头有效寿命预测方法，其特征在于，基于接头-电缆拉力变化曲线获取相同时段内的拉力变化数据，以拉力变化数据计算所述目标电缆接头导体的平均拉伸变形率值，具体为：
取与温度变化数据相同时段内的拉力变化数据，并以相同时间间隔为基准，获取若干所述目标电缆接头导体的拉力变化数据；
将若干所述拉力变化数据代入以下公式：
＆=FR/EI
式中，＆为拉伸变形率，F为拉力，R是导体结构直径，E为导体材料弹性模量，I为导体结构惯性矩；
基于上式求取拉力变化数据对应的拉伸变形率数据，将若干所述拉伸变形率数据进行求平均，既得平均拉伸变形率值。
5.根据权利要求1所述的电缆接头有效寿命预测方法，其特征在于，采用极限学习机算法，基于各层结构的历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，建立有效寿命预测模型，具体为：
建立与历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签对应的初步有效寿命预测模型；
采用极限学习机算法，根据历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，训练并验证所述初步有效寿命预测模型，得到有效寿命预测模型。
6.一种电缆接头有效寿命预测系统，其特征在于，包括：
采样单元，被配置为设置在目标电缆接头上的温度传感器和贴片拉力传感器；
检测单元，被配置为通过所述温度传感器获取所述目标电缆接头外表皮的温度变化曲线，以及通过所述贴片拉力传感器获取所述目标电缆接头与电缆连接处的接头-电缆拉力变化曲线；所述温度变化曲线为所述目标电缆接头外表皮的温度和时间曲线；所述接头-电缆拉力变化曲线为所述目标电缆接头、电缆连接处的拉力和时间曲线；
处理单元，被配置为基于温度变化曲线获取所述目标电缆接头各层结构的温度变化数据，以各层结构的温度变化数据计算所述目标电缆接头各层结构的老化反应速率数据，提取各层结构的老化反应速率数据进行平均计算，获得各层结构的参考老化反应速率值；
以及被配置为基于接头-电缆拉力变化曲线获取相同时段内的拉力变化数据，以拉力变化数据计算所述目标电缆接头导体的平均拉伸变形率值；
预测单元，被配置为采用极限学习机算法，基于各层结构的历史参考老化反应速率值、历史平均拉伸变形率值及对应的样本类别标签，建立有效寿命预测模型，将获取的各层结构的老化反应速率值和历史平均拉伸变形率值输入至有效寿命预测模型，计算并输出，得到各层结构的电缆接头有效寿命预测值；
判定单元，被配置为判定各层结构的电缆接头有效寿命预测值中的最小值为所述目标电缆接头的有效寿命值。
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