CN117688811A - 一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，检测电缆运行状态，获取存在故障的电缆的特征参数；构建数字化仿真模型；在数字化仿真模型中添加物理场、材料和边界条件，并在数字化仿真模型中划分网格和设定研究类型；计算并分析结果；根据分析结果给出评估建议。本发明依据实际电缆结构建立数字化二维轴对称模型，并基于有限元法计算了缓冲层内电场强度，通过电场分析对缓冲层状态进行评估，本发明不再局限于对电缆缓冲层故障问题的定性分析，而是基于有限元法建立定量分析模型，并且提出了比较明确的判定依据，让检修人员能够做出准确预判，提前采取措施，避免严重故障出现，对实际工程中电缆的运行与维护有着重要指导意义。
Description
技术领域
本发明属于高压设备技术领域，尤其是一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，电力需求不断提高，同时对输电质量与可靠性要求越来越高。随着城市化进程的加剧，城市用电量逐年上升，传统架空输电线路由于其存在运行故障率较高与输电可靠性差的特点而逐渐被淘汰。目前，城市输电网络基本都采用电缆输电线路，其具有输电性能稳定、安全性高与适应性强的特点。在电缆输电线路中，XLPE电缆由于其良好的物理、化学与机械性能而被广泛采用，其安全可靠性直接关系到城市电力系统的正常运行。
然而，近些年来XLPE电缆线路故障频发，已经严重影响了电力系统的安全稳定运行。针对故障电缆解剖发现，多数电缆的缓冲层结构存在放电烧蚀痕迹，因此寻找电缆缓冲层放电原因并展开故障机理分析至关重要。缓冲层是位于绝缘屏蔽层与内护套之间的部分，其性能会影响电缆的正常运行。但是目前研究主要集中于电缆的主要结构如导体、绝缘层与外护套等，而对缓冲层的研究比较少。主要原因在于目前缓冲层的行业标准尚不规范，各个厂家制造的工艺存在差异，行业内缺少缓冲层的状态评估方法。
初步研究发现，当电缆缓冲层电气性能发生巨大变化，或者缓冲层与内护套的接触状态发生改变时，可以检测到局部放电信号。并且随着放电的发展，会引起缓冲层结构的破坏，测试结束后可以在缓冲层用阻水带上观察到明显的放电痕迹。一般认为，当缓冲层内局部场强发生畸变，其内部最大电场强度超过阈值电场时，会引发放电进而引起烧蚀故障。然而，目前多数研究集中于电缆绝缘部分的电场分析，而对缓冲层内的电场分析较少。因此，根据实际电缆结构建立缓冲层等效模型，并进行缓冲层内电场分布计算，这对于缓冲层状态评定具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，依据实际电缆结构，在保证计算精度的前提下，搭建电缆缓冲层数字化等效模型，通过采用有限元方法进行仿真计算，探究电缆缓冲层在接触条件、性能参数发生较大变化下的电场分布。并根据缓冲层电场分析结果，设计缓冲层内电场分布评定标准，为实际工程提供重要指导意义。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，包括以下步骤：
步骤1、检测电缆运行状态，判断电缆是否健康，若健康则重复步骤1，否则进行步骤2；
步骤2、获取存在故障的电缆的特征参数；
步骤3、构建数字化仿真模型；
步骤4、在数字化仿真模型中添加物理场和材料；
步骤5、在数字化仿真模型中添加边界条件；
步骤6、在数字化仿真模型中划分网格；
步骤7、设定数字化仿真模型的研究类型；
步骤8、根据处理后的数字化仿真模型，计算并分析结果；
步骤9、根据分析结果给出评估建议。
而且，所述步骤1中检测电缆运行状态的具体实现方法为：在运行状态下，运用局部放电、红外成像技术对电缆进行的现场检测，排查出存在问题的电缆。
而且，所述步骤2中特征参数包括电缆的几何尺寸、电缆的内部结构、电缆缓冲层的接触条件与电缆的材料属性。
而且，所述步骤3的具体实现方法为：利用有限元软件COMSOL搭建数字化电缆结构平台，添加二维轴对称组件，并绘制电缆几何结构图。
而且，所述步骤4中物理场涉及泊松方程与电流守恒方程：
D＝εE
J＝σE
其中，E是电场强度矢量，D是电位移矢量，J是电流密度矢量，V是电势，ρ是电荷密度，ε是相对介电常数，σ是电导率。
而且，所述步骤4中材料包括从内向外依次设置导体、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、缓冲层与铝护套的材料属性参数。
而且，所述步骤5中边界条件包括添加终端至电缆内侧导体部分并依据实际工况设置电压，设置铝护套为接地。
本发明的优点和积极效果是：
本发明检测电缆运行状态，获取存在故障的电缆的特征参数；构建数字化仿真模型；在数字化仿真模型中添加物理场、材料和边界条件，并在数字化仿真模型中划分网格和设定研究类型；计算并分析结果；根据分析结果给出评估建议。本发明依据实际电缆结构建立数字化二维轴对称模型，并基于有限元法计算了缓冲层内电场强度，通过电场分析对缓冲层状态进行评估，本发明不再局限于对电缆缓冲层故障问题的定性分析，而是基于有限元法建立定量分析模型，并且提出了比较明确的判定依据，让检修人员能够做出准确预判，提前采取措施，避免严重故障出现，对实际工程中电缆的运行与维护有着重要指导意义。
附图说明
附图1是缓冲层状态评估的流程图；
附图2是220kV XLPE交流电缆的数字化二维剖面结构图；
附图3是220kV XLPE交流电缆的数字化网格剖分图；
附图4是220kV XLPE交流电缆的数字化电场强度分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、检测电缆运行状态，判断电缆是否健康，若健康则重复步骤1，否则进行步骤2。
在运行状态下，运用局部放电、红外成像等技术对某段220kV XLPE电缆进行的现场检测，发现可能存在故障。
步骤2、获取存在故障的电缆的特征参数。获取疑似故障电缆的特征参数，包括电缆的几何尺寸、电缆的内部结构、电缆缓冲层的接触条件与电缆的材料属性。
步骤3、构建数字化仿真模型。如图1所示，利用有限元软件COMSOL搭建数字化电缆结构平台，主要包括：添加二维轴对称组件，绘制电缆几何结构图。
步骤4、在数字化仿真模型中添加物理场和材料。
其中，物理场包括：添加AC/DC模块中的电流模块，运行电缆几何模型。其中，电流模块中主要包括泊松方程与电流守恒方程。
泊松方程与电流守恒方程：
D＝εE
J＝σE
其中，E是电场强度矢量，D是电位移矢量，J是电流密度矢量，V是电势，ρ是电荷密度，ε是相对介电常数，σ是电导率。
材料包括：从内向外依次设置导体、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、缓冲层与铝护套的材料属性参数。其中材料的属性参数主要包括：相对介电常数与电导率。
步骤5、在数字化仿真模型中添加边界条件。边界条件包括添加终端至电缆内侧导体部分并依据实际工况设置电压，设置铝护套为接地。
步骤6、在数字化仿真模型中划分网格。如图3所示，网格根据需要设置序列类型与单元大小，网格设置为物理场控制网络，单元大小采用较细化。
步骤7、设定数字化仿真模型的研究类型。研究设置为频率50Hz，设置完成后进行有限元计算，并输出计算结果。计算完成后，隐藏除缓冲层外的所有部分，如图4所示，并绘制电缆缓冲层中的电场强度分布图。
步骤8、根据处理后的数字化仿真模型，计算并分析结果。
步骤9、根据分析结果给出评估建议。
根据电场计算结果展开分析，如果最大电场强度不超过3kV/mm(空气击穿场强)，则认为该段电缆缓冲层状态良好，不会影响电缆正常运行。当最大电场强度超过3kV/mm时，认为此处电缆的缓冲层存在故障，应及时更换该段的电缆以减少安全隐患。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、检测电缆运行状态，判断电缆是否健康，若健康则重复步骤1，否则进行步骤2；
步骤2、获取存在故障的电缆的特征参数；
步骤3、构建数字化仿真模型；
步骤4、在数字化仿真模型中添加物理场和材料；
步骤5、在数字化仿真模型中添加边界条件；
步骤6、在数字化仿真模型中划分网格；
步骤7、设定数字化仿真模型的研究类型；
步骤8、根据处理后的数字化仿真模型，计算并分析结果；
步骤9、根据分析结果给出评估建议。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤1中检测电缆运行状态的具体实现方法为：在运行状态下，运用局部放电、红外成像技术对电缆进行的现场检测，排查出存在问题的电缆。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤2中特征参数包括电缆的几何尺寸、电缆的内部结构、电缆缓冲层的接触条件与电缆的材料属性。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：利用有限元软件COMSOL搭建数字化电缆结构平台，添加二维轴对称组件，并绘制电缆几何结构图。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤4中物理场涉及泊松方程与电流守恒方程：
D＝εE
J＝σE
其中，E是电场强度矢量，D是电位移矢量，J是电流密度矢量，V是电势，ρ是电荷密度，ε是相对介电常数，σ是电导率。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤4中材料包括从内向外依次设置导体、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、缓冲层与铝护套的材料属性参数。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字化模型的电缆缓冲层状态评估方法，其特征在于：所述步骤5中边界条件包括添加终端至电缆内侧导体部分并依据实际工况设置电压，设置铝护套为接地。
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|---|---|---|---|---|
| CN117807817A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 国网上海市电力公司 | 基于烧蚀故障机理分析的电缆缓冲层结构优化方法及装置 |
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- 2023-12-11 CN CN202311690138.4A patent/CN117688811A/zh active Pending
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