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专利名称：Xlpe电力电缆在线绝缘特性判断方法
技术领域：
本发明涉及一种判断方法，尤其涉及一种XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法。
背景技术：
目前，我国大中城市输配电网逐步使用高压电力电缆代替传统的架空输电网络， 这也是智能电网逐步推进和智慧城市有序实现的前提。如何使电力电缆上安全稳定的传送电能，延长电缆的使用年限就变得极其重要。电力电缆的使用年限主要是指电力电缆绝缘的使用寿命。随着电子、计算机、光电、信号处理和各种传感技术的发展，可对绝缘的可靠性随时做出判断并对绝缘的剩余寿命做出预测，从而能及时发现潜在故障。近年来不少研究者提出了一些新的在线带电检测电力电缆绝缘特性的方法，这些方法对早期发现电力电缆，特别是交联聚乙烯电力电缆存在绝缘缺陷及老化情况很有作用。这些方法包括(1)直流叠加法在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源，使该直流电压与运行中电力电缆的交流电压叠加，检测通过电缆绝缘层的极微弱的直流电流，即可测得整条电缆的绝缘电阻，从而判断电缆的好坏。直流叠加法的特点是抗干扰能力较强，但绝缘电阻与电缆绝缘剩余寿命的相关性并不好，分散性大。(2)直流分量法通过检测电缆芯线与屏蔽层电流中极微弱的直流成分，对电缆中某一点或某一局部存在的树枝化(水树枝、电树枝)绝缘缺陷进行劣化诊断。直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误差。(3)介质损耗因数法将加于电缆上的电压用电压互感器或分压器取出，将流过绝缘中的工频电流用电流互感器取出，然后在自动平衡回路中检测上述信号的相位差，即可测出电缆绝缘的介质损耗因数。该介质损耗因数法操作麻烦、不易实现。(4)局部放电法局部放电法是利用电磁波、超声波等信号来检测缺陷处发生的局部放电，理论上可在线检测，但容易受到背景干扰，在线监测困难较大。(5)接地线电流法该方法通过在检测通过接地线的电容电流的增量，来达到监测目的。该方法简便易行，常在接地线上套以电流传感器即可实现，但另一端电缆头处的接地线在测量时要临时断开。(6)低频重叠法低频低叠加法主要是在电缆的屏蔽层上叠加一定频率的电压信号，放大被测的劣化信号，根据检测劣化信号的强弱来判断电缆劣化的程度。这种方法简单易行，可用一套设备检测多条电缆，但缺点是叠加电信号会对原系统产生一定程度的影响。因此，我们迫切需要一种操作简单、能准确判断电力电缆绝缘特性的XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单、能准确的XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法。本发明所采用的技术方案是一种XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法，它通过建立电力电缆的热路模型，求得绝缘层温度和介质损耗，以及绝缘热阻的关系，从而建立温度参数与绝缘层介电常数的数学关系，通过当前绝缘层的介电常数来判断当前电力电缆绝缘的损坏情况。XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法具体包括如下步骤第一步，获取电力电缆某点处的表皮温度和该点所在区域的环境温度；第二步，根据已知的当前导体中流过的电流和环境温度，计算出当前的导体线芯温度θ C = θ 0+ [T1+ (1+ λ i) *τ2+ (1+ λ i+ λ 2) * (Τ3+Τ4) ] *WC+ (0· 5* \+Τ2+Τ3+Τ4) *Wd式中θ。表示环境温度，θ。表示导体线芯温度，λ工表示金属屏蔽损耗因数，λ 2表示铠装/加强带损耗因数，T3表示等效外护层热阻，W。表示单位长度导体功率损耗，T2表示等效内衬层热阻，Wd表示单位长度的介质损耗，T1表示等效绝缘层热阻，T4表示等效外部环境热阻；第三步，根据电力电缆热路模型计算得到导体线芯与绝缘层温度差Θμ:θ; (Wc + ^Wd) ^T1式中Wc = I2^RWd=a*c*U20*tg5ω = 2* π其中W。表示单位长度导体功率损耗，T1表示等效绝缘层热阻，Wd表示绝缘损耗，单位瓦特每米(W/m)，I表示导体中流过的电流，R表示电缆导体的交流电阻，ω表示电压的角频率，C表示单位长度电缆电容，Ji表示圆周率，f表示电压频率，U0为对地电压(相电压)，单位伏特(V)，
tg δ为绝缘损耗因数；第四步，通过计算得到该点的介电常数ε的变化情况，计算公式为ε=1%Ηθ^~ 2*Κ*Τ^Χη ( *109
Τλ*π*/*υΙ* §δ dc式中θ 表示导体线芯与绝缘层温度差，I表示导体中流过的电流，R表示电缆导体的交流电阻，T1表示等效绝缘层热阻，Ji表示圆周率，f表示电压频率，U0为对地电压(相电压)，单位伏特(V)，tg5为绝缘损耗因数，Di表示绝缘层直径，dc表示导体直径；第五步、将第四步计算得到的介电常数ε与介电常数参考表比较，得出判断结果5. 1当计算得到的介电常数ε减小到介电常数参考表的数字的50%时，表明存在绝缘缺陷，必须对电力电缆进行检修；5. 2当计算得到的介电常数ε大于介电常数参考表的数字的50%时，表明绝缘状态正常。上述方案，第一步中的电力电缆某点处的表皮温度和该点所在区域的环境温度采用光纤光栅温度监测系统的点式测量得到。本发明通过光纤光栅温度监测系统获取电力电缆某点处的表皮温度和该点所在区域的环境温度，然后通过建立电力电缆的热路模型，求得绝缘层温度和介质损耗以及绝缘热阻的关系。从而建立温度参数与绝缘层介电常数的数学关系，通过在线检测电缆温度就能得到当前绝缘层的介电常数，进而来反映当前电缆绝缘的损坏情况，便于采取相应的措施，做到提前发现、提前预防事故的发生。


图1是交联聚乙烯绝缘电力电缆的结构示意图。图2为电力电缆暂态热路模型。图3为电力电缆稳态热路模型。图4为光纤光栅温度监测系统示意图。图中1、导体；2、导体屏蔽；3、绝缘层；4、绝缘屏蔽；5、金属屏蔽；6、内衬层；7、铠装层；8、外护层；9、感温探头，10、连接光缆，11、光连接器，12、传输光缆。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
—种XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法，它的分析基础是电力电缆的热路模型。XLPE电力电缆(交联聚乙烯绝缘电缆电缆)结构如图1所示，该电力电缆包括导体1 和外护层8，在导体1与外护层8之间，从内到外依次设有导体屏蔽2、绝缘层3、绝缘屏蔽 4、金属屏蔽5、内衬层6、铠装层7。电力电缆中主要的发热体是导体，另外，电缆本身的各种损耗最终也以热量的形式散发出去，如介质损耗，金属屏蔽损耗，铠装损耗，所以电力电缆的热路模型中的热源应该包括导体功率损耗，介质损耗，金属屏蔽损耗以及铠装损耗。导体功率损耗为导体产生的损耗，介质损耗为绝缘层产生的损耗，金属屏蔽损耗为金属屏蔽层产生的损耗、铠装损耗表示铠装层产生的损耗)，其他各层所产生的损耗可忽略。导体1发出的热量向外扩散，要经过除导体1以外的所有结构；介质损耗产生的热量则要经过金属屏蔽层，铠装层，外护层等几部分；金属屏蔽损耗产生的热量要经过铠装层和外护层；而铠装损耗所产生的热量则只经过外护层。考虑到导体线芯是采用铜或铝等热的良导体制成的，所以导体线芯的热阻忽略不计，只考虑导体线芯的热容；绝缘层3对既能阻碍热量的传播也能够存储热量，所以应该考虑绝缘层3的热阻和热容；金属屏蔽层5和内衬层6的热阻也可以忽略只考虑其热容；对于外护层8也应该考虑其热阻和热容。考虑到电力电缆中热源的性质，可以将热路模型中热源分成两类。外部环境温度一般情况下认为是恒定不变的，相当于一个恒温源，所以外部环境在热路模型中相当于一个恒压源；而导体线芯损耗，绝缘损耗，金属屏蔽损耗，铠装损耗所产生的是热量，并不是温度(根据传热学知识到热量=温差/导热热阻)，所以这几种热源可以看作是恒流源。下面采用集中参数法(传热学中，当固体内部单位导热面积上的导热热阻和单位表面积上的换热热阻之比较小时，可把物体中连续分布的质量和热容量视为集中于一点，该点的温度为集总温度)对其进行建模，其热路模型如图2所示。其中，I\，T2，T3，T4分别表示等效绝缘层热阻，等效内衬层热阻，等效外护层热阻，等效外部环境热阻；θ。表示导体线芯温度，θ m 表示绝缘层温度，θ s表示内衬层温度，θ 6表示表皮温度，θ ο表示环境温度；W。表示单位长度导体功率损耗，Wd表示单位长度的介质损耗，X1表示金属屏蔽损耗因数，入2表示铠装 /加强带损耗因数；λ ,Wc表示单位长度金属屏蔽功率损耗；λ 2ffc表示单位长度铠装功率损耗…。，QiAyQc^Cit等分别表示导体热容，绝缘层热容，内衬层热容，铠装热容，外护层热容； P和P'分别表示绝缘层热容分配比例因数和外护层分配比例因数讽表示绝缘层直径，d。 表示导体直径，队表示电缆外径，DS表示外护层内径，(^1为导体线芯和绝缘层之间的等效热容，Q2绝缘层和内衬层之间的等效热容，Q3内衬层和外护层之间的等效热容，Q4外护层等效热容，它们的表达式如下式所示
权利要求
1.一种XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法，其特征在于该判断方法通过建立电力电缆的热路模型，求得绝缘层温度和介质损耗，以及绝缘热阻的关系，从而建立温度参数与绝缘层介电常数的数学关系，通过当前绝缘层的介电常数来判断当前电力电缆绝缘的损坏情况。
2.根据权利要求1所述的XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法，其特征在于包括如下步骤第一步，获取电力电缆某点处的表皮温度和该点所在区域的环境温度； 第二步，根据已知的当前导体中流过的电流和环境温度，计算出当前的导体线芯温度， θ c = θ 0+ [T1+ (1+ λ J *Τ2+ (1+ λ 广 λ 3) * (Τ3+Τ4) ] *WC+ (0· 5* \+Τ2+Τ3+Τ4) *Wd式中θ ο表示环境温度， θ。表示导体线芯温度， X1表示金属屏蔽损耗因数， λ 2表示铠装/加强带损耗因数， T3表示等效外护层热阻， Wc表示单位长度导体功率损耗， T2表示等效内衬层热阻， Wd表示单位长度的介质损耗； T1表示等效绝缘层热阻， T4表示等效外部环境热阻；第三步，根据电力电缆热路模型计算得到导体线芯与绝缘层温度差θ。m，式中 Wc = I2^R Wd=a*c*Ul*tg5 ω = 2* π >l<f其中Wc表示单位长度导体功率损耗， T1表示等效绝缘层热阻， Wd表示绝缘损耗，单位瓦特每米(W/m)， I表示导体中流过的电流， R表示电缆导体的交流电阻， ω表示电压的角频率， C表示单位长度电缆电容， π表示圆周率， f表示电压频率，U。为对地电压(相电压)，单位伏特(V)， tg5为绝缘损耗因数，第四步，通过计算得到该点的介电常数ε的变化情况，计算公式为
3.根据权利要求2所述的XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法，其特征在于第一步中的电力电缆某点处的表皮温度和该点所在区域的环境温度采用光纤光栅温度监测系统的点式测量得到。
全文摘要
本发明涉及一种XLPE电力电缆在线绝缘特性判断方法，它通过建立电力电缆的热路模型，求得绝缘层温度和介质损耗，以及绝缘热阻的关系，从而建立温度参数与绝缘层介电常数的数学关系，通过当前绝缘层的介电常数来判断当前电力电缆绝缘的损坏情况。本发明根据绝缘层的介电常数，进而判断电缆绝缘特性，了解电缆绝缘的损坏情况，便于采取相应的措施，做到提前发现、提前预防事故的发生。
文档编号G01K11/32GK102539964SQ201110432039
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者刘芙蓉, 周次明, 唐爱红, 姜德生, 梁世兴, 潘涵, 龚伟 申请人:武汉理工大学