CN112147467B - 基于泄露电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于泄露电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法，包括：搭建基于泄露电流积分电荷技术的电树枝检测电路；基于所述电路获取电容电压随时间变化曲线，通过电容值反推电容电荷量随时间变化曲线；对采样500至600秒电容电荷数据进行线性拟合，获得拟合函数；判断电荷量与拟合函数偏差大于等于5％的时间分界点，计算时间分界点点到600秒之间电荷对时间的斜率k；当k大于等于10‑10时，判断有电树枝生成，否则无电树枝生成；当k的值介于10‑10和10‑9时，电树枝劣化水平低，当k大于10‑9时，电树枝劣化严重。
Description
技术领域
本发明涉及电力电缆绝缘材料劣化检测领域，尤其涉及一种基于泄露电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法。
背景技术
电力电缆是新能源并网和城市供电系统中的关键电气设备，在电力电缆服役过程中，电缆绝缘在复杂工况下的老化、劣化和击穿是影响电力电缆可靠运行的重要因素。在长期电热场作用下，电缆内半导电层和绝缘层之间会出现枝状放电通道，在微孔或者通道中局部放电引发的一系列化学与物理反应使得周围的材料不断降解，维持树枝状通道不断发展，严重影响电缆安全稳定运行。如何准确评估电缆绝缘的劣化特征，辨识绝缘老化状态是电力电缆运行和维护的重要内容。
目前，电力电缆在电热复合场下的介电、理化特性演变得到了研究者的广泛研究，并且成为电力电缆运行可靠性评估的理论基础。传统测试方法主要用于实验室分析研究，在实际电缆运行工况下受现场和环境条件的干扰影响较大，严重影响了电力电缆绝缘状态评估的准确性。局部放电特征参量确定绝缘的真实老化状态需要长期在线监测，并且依赖于特征参量和电树枝发展状态的分析手段，诊断正确率有限。因此，未来电力电缆绝缘需要更为先进和准确的检测和诊断技术，以适应未来电力电缆的大规模应用。
发明内容
本发明提供了一种基于泄露电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法，本发明将电力电缆或附件接入泄漏电流积分电荷电路中，对电缆/附件施加直流高电压，利用积分电容反映电荷的动态演变，通过电荷动态演变特性推测绝缘层电树枝发展状态，从而评估电力电缆或附件电树枝化水平，详见下文描述：
一种基于泄露电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法，所述方法包括：
搭建基于泄露电流积分电荷技术的电树枝检测装置，基于所述装置获取电容电压变化曲线，根据所述电容电压变化曲线，结合电容值反算电容充电电荷量的变化，对采样500至600秒电容电荷数据进行线性拟合，获得拟合函数；判断电荷量与拟合函数偏差大于等于5％的时间分界点，计算时间分界点到600秒之间电荷对时间的斜率k，当k大于等于10-10时，判断有电树枝生成，否则无电树枝生成。当k的值介于10-10和10-9时，电树枝劣化水平低，当k大于10-9时，电树枝劣化严重。
其中，所述电树枝检测装置包括：高压直流电源、积分电容、采样装置、保护电阻和瞬态二极管，高压直流电源的高压端和积分电容、保护电阻与电缆/附件绝缘串联；采样装置由运算放大器、模数转换器和处理芯片/信号发射器组成，采样装置与积分电容并联，用以表征电容两端的电压。
其中，所述电缆为35kV及以上电压等级交流电缆或附件或100kV及以上电压等级直流电缆或附件，电缆绝缘材料为交联聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯或者以该三种材料为基体的改性聚合物绝缘；电缆附件绝缘材料为乙丙橡胶、硅橡胶或其他固体聚合物绝缘材料。
进一步地，电压采样时间为5-20分钟，电压表采样率不低于1Hz。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本发明通过自行搭建的基于泄漏电流电荷积分的测试电路，对待测电缆/附件进行试验，能有效检测电缆绝缘电树枝化状态，实现对电树枝劣化水平的方便、无损、准确检测。
附图说明
图1为高压电缆绝缘电树枝化检测试验的原理电路图；
图2为电缆附件绝缘电树枝化检测试验的原理电路图；
图3为数据处理算法流程图；
图4为试验案例中不同电树枝化绝缘的电荷动态变化图；
图5为试验案例中的实际电树枝生长状态示意图。
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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在下文中给出了该发明的简要概述，以提供关于本发明的某些方面的基本理解。本发明是为电缆/附件绝缘电树枝化检测提出的试验装置和方法，包括装置、实验方法和数据处理三个部分。
本检测方法的试验装置为高压直流电源、积分电容、采样装置、保护电阻和瞬态二极管，主要电路原理如图1或图2所示。图1为高压电缆绝缘电树枝劣化检测方法示意图，图2为电缆附件电树枝劣化检测方法示意图。高压直流电源的主要特征为直流高电压产生装置，具有输出直流高电压的能力。高压端和积分电容、保护电阻与电缆/附件绝缘串联，积分电容流过的电流和待测绝缘流过的电流相同。瞬态二极管和积分电容并联，在积分电容两端电压值过大时迅速导通，从而保护积分电容和运算放大器不被高电压损坏。电流流过积分电容时，电流对时间的积分即为电容积累的电荷量。通过并联于电容两端的采样装置可获得电容两端电压信号。采样装置由运算放大器、模数转换器和处理芯片/信号发射器组成，运算放大器可以获得积分电容的电压变化，从而反演电荷动态变化。运算放大器输出的信号经过模数转换器转化为便于处理和传输的数字信号，从而可以对数据进行进一步分析处理和传输。
本发明的实验方法包括以下步骤：
(1)电路搭建：将待测电缆/附件接入试验电路中，导体与保护电阻相接，外屏蔽层接地，检查电路连接是否正确。
(2)施加电压：打开高压直流电源，缓慢调节电压旋钮直到电压达到设定电压值。
(3)电压采样：打开电压表采集积分电容的电压值变化数据，记录积分电容的电压变化曲线。
(4)试验结束：关闭电压表数据采集功能，将高压直流电源缓慢减小到0，将待测电缆/附件从电路中取出，断开试验电源，处理记录数据。
其中，电压采样时间为5-20分钟，电压表采样率不低于1Hz。
进一步地，电路串联顺序不局限于图1或图2所示电路连接顺序，积分电容、保护电阻和待测电缆/附件接入顺序可任意替换。
其中，待测电缆，为35kV及以上电压等级交流电缆及附件、100kV及以上电压等级直流电缆或附件。电缆绝缘材料为交联聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯或者以该三种材料为基体的改性聚合物绝缘，电缆附件绝缘材料为乙丙橡胶、硅橡胶或其他固体聚合物绝缘。
本发明的数据处理方法包括如下步骤：
(1)电压信号反演电荷量变化：将采集到的电压信号与积分电容量相乘，得到积分电容电荷量演变数据。
(2)电荷分量分解：对采样500秒至600秒数据进行线性拟合，获得拟合函数，判断前期与拟合函数偏差大于等于5％的时间分界点，从而在时间分界点处将电荷变化曲线分为吸收电荷和泄漏电荷两部分。
(3)计算泄漏电流值。时间分界点处对应的电荷量为吸收电荷量，时间分界点后拟合曲线的斜率k即为泄漏电流值。计算获得偏差时间点到600秒之间电荷对时间的斜率k。当k大于等于10-10时，判断有电树枝生成，否则无电树枝生成。当k的值介于10-10和10-9时，电树枝劣化水平较低，当k大于10-9时，电树枝劣化较为严重。
通过运算放大器获得的电压随时间变化数据反推电容的电荷变化。当电压施加于待测电缆/附件时，产生的电流包括吸收电流和泄漏电流两部分。吸收电流由电路中容性等效电路产生，随着容性电流的减小，电导产生的泄漏电流成为电流积分的主要分量，最终积分的斜率逐渐趋于泄漏电流值。通过电荷变化的速率判断电缆/附件绝缘的劣化水平，从而实现对电树枝化的检测和诊断。
一种典型的基于该方法的电树枝化检测应用案例如下：
按照图1所示搭建电路，将待测试样接入电路中，直流电压源输出电压为3kV，加压时间为10分钟。记录10分钟内电压表的读数变化，通过电容值反算电容充电电荷量的变化，得出电荷量随加压时间的动态变化。得到的不同电树枝化绝缘的电荷动态变化图如图4所示。通过数据处理手段算出试样(a)(b)(c)(d)(e)对应的泄漏电流值k为3.04x10-10、2.80x10-10、6.01x10-10、1.08x10-9与1.17x10-9A。
实际的电树枝生长状态如图5所示。可以看出，随着电树枝破坏更为严重，待测试样的泄漏电流增大，电荷增长的速度越为迅速。当k的值介于10-10和10-9时，电树枝劣化水平较低，当k大于10-9时，电树枝劣化较为严重。
本发明所实现的电树枝化检测方法和现有电树枝检测手法相比具有如下优点：
(1)该方法为非破坏性方法，施加的电压和加压时间较小，不会在电缆绝缘中引入新的空间电荷积聚，也不会破坏电缆原有的绝缘状态；
(2)该方法采用的电流积分法受环境干扰的影响较小，测试方法简单且灵敏度高，可方便用于全尺寸电缆及附件上。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于泄漏电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法，其特征在于，所述方法包括：
搭建基于泄漏电流积分电荷技术的电树枝检测电路，其中，积分电容与待测电缆串联，积分电容流过的电流和待测电缆流过的电流相同；
基于所述电路获取电容电压随时间变化曲线，结合电容值反算电容电荷量随时间的变化；
对采样电荷量500至600秒数据进行线性拟合，获得拟合函数；
判断电荷量曲线与拟合函数偏离值大于等于5％的时间分界点，计算偏差时间点到600秒之间电荷对时间的斜率k，当k大于等于10-10时，判断有电树枝生成，否则无电树枝生成；
当k的值介于10-10和10-9时，电树枝劣化水平低，当k大于10-9时，电树枝劣化严重。
2.根据权利要求1所述的一种基于泄漏电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法，其特征在于，所述电树枝检测电路包括：高压直流电源、积分电容、采样装置、保护电阻和瞬态二极管；
高压直流电源的高压端和积分电容、保护电阻与电缆/附件绝缘串联；采样装置由运算放大器、模数转换器和处理芯片/信号发射器组成，采样装置与积分电容并联，用以表征电容两端的电压。
3.根据权利要求1所述的一种基于泄漏电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法，其特征在于，所述电缆为35kV及以上电压等级交流电缆或附件或100kV及以上电压等级直流电缆或附件，电缆绝缘材料为交联聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯或者以该三种材料为基体的改性聚合物绝缘；电缆附件绝缘材料为乙丙橡胶、硅橡胶或其他固体聚合物绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于泄漏电流积分电荷的电缆绝缘电树枝劣化检测方法，其特征在于，电压采样时间为5-20分钟，电压表采样率不低于1Hz。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 基于谐波分量法XLPE电缆水树老化测试系统的研究;魏强;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士) 工程科技Ⅱ辑》;20050315;全文 * |
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| CN112147467A (zh) | 2020-12-29 |
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