一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法及装置与流程

1.本技术涉及电气绝缘检测领域，特别涉及一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法及装置。


背景技术：

2.近几年，随着国家基础建设的日益完善，在输电电网建设中，配电电缆正逐步替代传统的架空电线，越来越广泛的应用于配电网建设中，与驾空电线相比，输电电缆由于埋设于地下，不会与人和物接触，有改善环境，保障电网安全运行等优势。
3.目前输电电缆设计寿命一般为30年，在输电电缆结构中外层绝缘介质是电缆的重要组成部分，起到绝缘防护、支撑定型等作用。但在长时间的使用中，输电电缆的绝缘层随时间老化会导致电流击穿存在损坏的风险，一旦发生这种现象将引起电网线路故障，对各行业日常运营及人民日常生活造成诸多不便。因此在电网的电气绝缘检测领域内对电缆的老化状态评估及电缆绝缘状态的测试判定的研究有着重要的意义。
4.现有的电缆绝缘状态评估只用良好、一般、严重等形容词将电缆绝缘状态按照等级划分，缺乏定量的划分标准，无法明确具体的说明输电电缆绝缘状态的受损程度。另外，目前，输电电缆绝缘状态仅以单参数来衡量，比如采用泄露电流或者电导率等参数，这一种以单参数评估绝缘状态的判定方法并不能准确判定电缆的绝缘状态。目前仍缺乏一种具体的对电缆绝缘状态的判定方法。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法及装置，可根据电缆的多种电学参数准确判断电缆的绝缘老化状态，解决了目前针对大功率输电电缆绝缘老化状态缺乏更专业具体判定方法的问题。
6.第一方面，本技术提供了一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法，包括以下步骤：
7.将待测电缆、电阻、电荷量测试设备和高压直流源串联组成测试电路来测试及验证发明的电缆绝缘老化状态的判断方法。
8.打开高压直流源获取高压直流源电压v
app
和电荷量测试设备内积分电容的电荷量q。
9.所述积分电容的电荷量q计算采用以下公式：
10.q＝v
app
×cint
；
11.式中v
app
为高压直流源电压，c
int
为积分电容的电容值。
12.将积分电容上的电荷量q转换为待测电缆上的电荷量q，待测电缆相当于一个电容，在接通电源时，串联回路中的电流相同，电荷量是电流的积分，那么待测电缆上的电荷量就和积分电容上的电荷量相同，因此，可用积分电容上的电荷量q表示待测电缆上的电荷量q。
13.逐渐加大所述直流电源电压v
app
，计算在不同电压下待测电缆电荷量q，绘制不同电压下待测电缆电荷量q与时间t函数曲线图。
14.根据高压直流源电压v
app
和不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图计算介电常数εr的方法具体为：先根据最终电缆绝缘老化状态判定条件，选取适合的电源电压档位，找出接通电源4s时待测电缆上的电荷量q(4s)；再逐次增加直流电源电压v
app
，计算不同电压下待测电缆上电荷量q，最后通过如下公式计算介电常数εr：
[0015][0016]
式中v
app
为电源电压，ε0为真空介电常数，cs为待测电缆的电容，l为电缆长度，a为电缆内径，b为电缆外径，q(4s)为在4s时待测电缆上的电荷量。
[0017]
由图3一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法电源电压与待测电缆电荷量关系曲线图可知待测电缆的电荷量随高压直流源电压v
app
增加成正比的升高，所以电荷量积累速度随高压直流源电压v
app
增加也是成正比的增加，因此，可按照均匀划分的电压档位绘制不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图。
[0018]
根据介电常数εr计算绝缘介质电导率σ，绝缘介质电导率σ计算采用以下公式：
[0019][0020]
式中，γ为待测电缆的电导率，εr为介电常数。
[0021]
根据不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图计算电荷变化率k，电荷变化率k计算采用以下方法：
[0022][0023]
式中，q(180s)为在180s时待测电缆上的电荷量，q(4s)为在4s时待测电缆上的电荷量，待测电缆上电荷量可用积分电容电荷量q表示。
[0024]
根据介电常数εr、电导率σ、电荷变化率k，判断待测电缆的绝缘性能，包括常温低压判断方法、常温高压判断方法、高温低压判断方法，具体为：
[0025]
常温低压判断方法：设置电源电压v
app
≤8kv，在常温下，若电荷变化率k＞2则判断电缆绝缘老化状态为严重老化，若电荷变化率1＜k＜1.2则判断电缆绝缘老化状态为良好，若电荷变化率1.2＜k＜2则需继续分析；当εr＞2.6时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为重度老化，电导率σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为中度老化；当2.1＜εr＜2.6时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为中度老化，电导率σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为轻微老化。
[0026]
常温高压判断方法：设置电源电压8kv＜v
app
＜20kv，在常温下，若电荷变化率k＞2.5则判断电缆绝缘老化状态为严重老化，若电荷变化率1＜k≤2.5，则需继续分析；当εr＞2.6时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为重度老化，若电导率σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为中度老化；当2.1＜εr＜2.6时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为中度老化，若10-14
s/m＞σ＞10-15
s/m则判断电缆绝缘老化状态为轻微老化。
[0027]
高温低压判断方法：设置电源电压v
app
≤8kv，设置温度在40℃＜t≤80℃，若电荷变化率k＞3则判断电缆绝缘老化状态为严重老化，若电荷变化率2＜k≤3，则判断电缆绝缘
老化状态为中度老化，若电荷变化率1＜k≤2，则需继续分析，当εr＞2.4时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为轻微老化，若σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为良好；当2.1＜εr＜2.4时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为轻微老化，若σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为良好。
[0028]
第二方面，本技术提供了一种应用第一方面所述方法的装置。
[0029]
本技术模拟电缆真实工作环境，通过多参数结合的方式，对电缆老化绝缘状态进行系统全面的分析判断，与传统单参数评估电缆绝缘老化性能的方法相比，本技术更具专业性，可为大功率输电领域工作人员提供更准确分析电缆老化的方法，可提高此领域工作人员的工作效率降低事故风险。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本技术一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法流程示意图；
[0032]
图2为本技术一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法接线图；
[0033]
图3为本技术一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法电源电压与待测电缆电荷量关系曲线图；
[0034]
图4为本技术一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法在不同电源电压下待测电缆电荷量与时间关系曲线图。
具体实施方式
[0035]
参见图1为本技术一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法流程示意图。其实施步骤包括：
[0036]
s100：将待测电缆、电阻、电荷量测试设备和高压直流源串联，所述高压直流源外接电脑及接收器，其中高压直流源与待测电缆外层接地。如图2一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法接线图所示，在整个电路中，高压直流源可提供稳定直流电流，起到模仿电缆真实工作负载的作用；积分电容两端的电压等于高压直流源电压v
app
，并且可根据高压直流源电压v
app
和电容值c
int
计算积分电容电荷量；电荷量测试设备内的积分电容连接有信号发送器及天线，可向接收器发送积分电容相关的电学信息；外接的接收器用于接收这些信息并传输给电脑，电脑可调整控制高压直流源电压v
app
；高压直流源与待测电缆外层设置的接地点起到保护电路的作用。需要说明的是，图2一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法接线图给出了一种验证本技术可靠性的测试电路结构，据此结构进行简单升级及添加装置等更改形成的针对本技术内容的测试电路结构也在本技术的保护范围内。
[0037]
s200：打开高压直流源获取高压直流源电压v
app
和电荷量测试设备内积分电容的电荷量q。其中，直流电源电压v
app
通过电脑设置可根据积分电容状态调节；可用积分电容上的电荷量q表示待测电缆上的电荷量q。
[0038]
s300：根据获取的积分电容上的电荷量q，得到待测电缆上的电荷量q。待测电缆相当于一个电容，在接通电源时，串联回路中的电流相同，电荷量是电流的积分，那么待测电
缆上的电荷量就和积分电容上的电荷量相同，因此，可用积分电容上的电荷量q表示待测电缆上的电荷量q。
[0039]
s400：逐渐加大所述直流电源电压v
app
，计算在不同电压下的待测电缆上的电荷量q，绘制不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图。由于积分电容、待测电缆两端并无并联负载，积分电容、待测电缆两端电压均等于直流电源电压v
app
，所以高压直流源电压v
app
的大小会影响积分电容和待测电缆电荷量的积累速度。如图4一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法在不同电源电压下待测电缆电荷量与时间关系曲线图所示，直流电源电压v
app
越大，待测电缆的电荷量随时间的增长斜率越大，待测电缆积累电荷量q的速度越快。
[0040]
s500根据高压直流源电压v
app
、不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图计算介电常数εr。介电常数εr是反映电介质材料在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数，介电常数εr越大，说明待测电缆绝缘老化效果越差；在本技术介电常数εr的计算中，电荷量q取在4s时待测电缆上的电荷量，通过图4一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法在不同电源电压下待测电缆电荷量与时间关系曲线图，可看出在4s后待测电缆电荷量q才开始随时间的延长稳定上升，在4s之前由于测试电路设备延迟等原因收集到的待测电缆电荷量q数据处于不稳定状态，所以取在4s时待测电缆电荷量q(4s)作为待测电缆的起始电荷量用于介电常数εr的计算。
[0041]
s600根据介电常数εr计算绝缘介质电导率σ。电导率σ是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数，若待测电缆外层绝缘介质的电导率σ高，则说明电缆绝缘介质老化程度高，绝缘性能衰减。
[0042]
s700根据不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图计算电荷变化率k。电荷变化率k反应待测电缆积累电荷量的速度，电荷变化率k越大待测电缆积累电荷量速度越快，待测电缆绝缘效果越差。
[0043]
s800根据介电常数εr、电导率σ、电荷变化率k，判断待测电缆的绝缘性能。本技术通过介电常数εr、电导率σ、电荷变化率k判断待测电缆的绝缘老化性能的方法设置为：先通过电荷变化率k数值大致判断待测电缆的老化程度，再通过电导率σ、电荷变化率k对待测电缆进行具体分析。本技术最终把待测电缆老化程度划分为五个等级，分别为严重老化、重度老化、中度老化、轻微老化、良好。
[0044]
在一些实施例中，所述电荷量测试设备包括：积分电容、电压放大器、数模转换器和信号发送器；所述积分电容与外部电路串联，电压放大器并联在积分电容两端，数模转换器和信号发送器与电压放大器串联，信号发送器上设有天线；获取积分电容中电荷量q的方法为：信号发送器通过天线把积分电容电荷量q的信息发送给接收器，并在连接的电脑上显示出来。在本技术设有的电荷量测试设备及外部测试电路中，与积分电容串联的信号发送器和外部测试电路的接收器对于信号的发送接收采用zigbee传输协议，在本技术中信号发送器将实时的直流电源电压vapp、积分电容电荷量q等信息传输到接收器，再通过电脑将传来的信息拟合成函数曲线，并按照设定的公式计算成判断电缆绝缘状态的介电常数εr、电导率σ、电荷变化率k等参数。需要说明的是，在本技术中电荷量测试设备中设有的信号发送器及外部测试电路中的接收器采用的是zigbee协议传输信息，也可以采用其它无线传输协议，或是可以采用有线连接的方式将积分电容与接收器连接在一起，上述均在本发明的保
护范围内。
[0045]
具体的，所述积分电容上的电荷量q计算采用以下公式：
[0046]
q＝v
app
×cint
；
[0047]
式中v
app
为高压直流源电压，c
int
为积分电容的电容值。积分电容的电荷量q用高压直流源电压v
app
与积分电容值c
int
的乘积计算；在接通电源时，串联回路中的电流相同，积分电容的电荷量等于待测电缆的电荷量，因此，可用积分电容的电荷量信息表示待测电缆的电荷量信息，所以待测电缆上的电荷量也可用此公式计算。
[0048]
具体的，所述介电常数εr的计算具体为：逐次增加直流电源电压v
app
，计算不同电压下待测电缆上电荷量q，并通过不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图找出q(4s)，并通过如下公式计算介电常数εr：
[0049][0050]
式中v
app
为电源电压，ε0为真空介电常数，cs为待测电缆的电容，l为电缆长度，a为电缆内经，b为电缆外径，q(4s)为在接通电源4s时待测电缆上的电荷量。q(4s)的获取方法为，在不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图中，根据设定的直流电源电压选择对应的曲线，找出接通电源4s时待测电缆上的电荷量q(4s)。cs为待测电缆的电容也表示电源电荷量q与电压v
app
的比值。由图4一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法在不同电源电压下待测电缆电荷量与时间关系曲线图可知，在不同的设定电源电压v
app
下，曲线斜率不同，待测电缆上的电荷量q增长速度不同。需要说明的是，由图3一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法电源电压与待测电缆电荷量关系曲线图可知在图中通过改变高压直流源电压v
app
得到的多个电荷量数据点可拟合成一元函数y＝a bx，待测电缆的电荷量随高压直流源电压v
app
增加成正比的升高，所以电荷量积累速度随高压直流源电压v
app
增加也是成正比的增加，因此，可按照均匀划分的电压档位绘制不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图，本技术根据电缆真实使用条件设定在六个等级的高压直流源电压v
app
下绘制待测电缆电荷量与时间关系曲线图，分别为2.5kv、5kv、7.5kv、10kv、12.5kv、15kv，在一些实施例中可根据实际情况选用更合适的电源电压等级个数和电源电压数值。
[0051]
具体的，所述绝缘介质电导率σ计算采用以下公式：
[0052][0053]
式中，γ为待测电缆的电导率，εr为介电常数。
[0054]
具体的，所述电荷变化率k计算采用以下方法：
[0055][0056]
式中，q(180s)为在180s时待测电缆上的电荷量，计算方法为：先通过积分电容上的电荷量q公式计算积分电容上180s时的电荷量q(180s)，再转换成待测电缆的电荷量q(180s)。由图4一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法在不同电源电压下待测电缆电荷量与时间关系曲线图可知，待测电缆上的电荷量q在4s时开始稳定上升，在180s时开始骤降，为使用于计算及判定的数据可靠，取180s和4s时的待测电缆上的电荷量q比值计算电荷变化率k。
[0057]
具体的，根据介电常数εr、电导率σ、电荷变化率k，判断待测电缆的绝缘性能的方
法包括：常温低压判断方法、常温高压判断方法、高温低压判断方法。需要说明的是，采用本技术的电缆绝缘老化状态判断方法，添加本技术未提及的其它条件也在本技术的保护范围内。
[0058]
进一步的，所述常温低压判断方法具体为：设置电源电压v
app
≤8kv，在常温下，若电荷变化率k＞2则判断电缆绝缘老化状态为严重老化，若电荷变化率1＜k＜1.2则判断电缆绝缘老化状态为良好，若电荷变化率1.2＜k＜2则需继续分析；当εr＞2.6时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为重度老化，电导率σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为中度老化；当2.1＜εr＜2.6时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为中度老化，电导率σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为轻微老化。需要说明的是，根据各参数数值的变化与电缆绝缘老化程度的关系，可自然推断出电荷变化率k＜1时，电缆绝缘老化状态为良好；当电荷变化率1.2＜k＜2时，εr＜2.1电缆绝缘老化状态为良好。
[0059]
进一步的，所述常温高压判断方法具体为：设置电源电压8kv＜v
app
＜20kv，在常温下，若电荷变化率k＞2.5则判断电缆绝缘老化状态为严重老化，若电荷变化率1＜k≤2.5，则需继续分析；当εr＞2.6时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为重度老化，若电导率σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为中度老化；当2.1＜εr＜2.6时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为中度老化，若10-14
s/m＞σ＞10-15
s/m则判断电缆绝缘老化状态为轻微老化。需要说明的是，根据各参数数值的变化与电缆绝缘老化程度的关系，可自然推断出电荷变化率k＜1时，电缆绝缘老化状态为良好；当电荷变化率1＜k≤2.5时，εr＜2.1可判断电缆绝缘老化状态为良好；当电荷变化率1＜k≤2.5，2.1＜εr＜2.6时，σ＜10-15
s/m可判断电缆绝缘老化状态为良好。
[0060]
进一步的，所述高温低压判断方法具体为：设置电源电压v
app
≤8kv，设置温度在40℃＜t≤80℃，若电荷变化率k＞3则判断电缆绝缘老化状态为严重老化，若电荷变化率2＜k≤3，则判断电缆绝缘老化状态为中度老化，若电荷变化率1＜k≤2，则需继续分析，当εr＞2.4时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为轻微老化，若σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为良好；当2.1＜εr＜2.4时，若电导率σ＞10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为轻微老化，若σ＜10-14
s/m则判断电缆绝缘老化状态为良好。需要说明的是，根据各参数数值的变化与电缆绝缘老化程度的关系，可自然推断出电荷变化率k＜1时，电缆绝缘老化状态为良好；当电荷变化率1＜k≤2时，εr＜2.1可判断电缆绝缘老化状态为良好。
[0061]
综上，在本技术的实施例中，通过将待测电缆、电阻、电荷量测试设备和高压直流源串联组成测试电路来验证本发明提出的一种基于电荷量的多参量电缆绝缘状态诊断方法。具体方法实施步骤为：打开直流电源获取直流电源电压v
app
和积分电容电荷量q并转换为待测电缆上的电荷量q；按照设定方案调整高压直流源电压v
app
绘制不同电压下电荷量q与时间t函数关系曲线图；满足最终电缆绝缘状态判定时任意电源电压条件下均有适用的曲线图谱；先根据不同电压下电荷量q与时间t函数关系曲线图计算电荷变化率k；再根据不同电压下电荷量q与时间t函数关系曲线图及公式计算介电常数εr；接着根据介电常数εr计算电导率σ；最后根据介电常数εr、电导率σ、电荷变化率k，判断待测电缆的绝缘老化状态。
[0062]
对应于上述方法，本技术还提供了一种应用上述方法的装置，包括：
[0063]
待测电缆与电阻、电荷量测试设备和高压直流源串联组成测试电路，所述高压直流源外接电脑及接收器，其中高压直流源与待测电缆外层接地；
[0064]
电荷量测试设备，包括积分电容、电压放大器、数模转换器和信号发送器，所述积分电容与外部电路串联，电压放大器并联在积分电容两端，数模转换器和信号发送器与电压放大器串联，信号发送器上设有天线。
[0065]
所述测试电路被配置为执行下列方法：
[0066]
打开直流电源获取直流电源电压v
app
和积分电容电荷量q；
[0067]
根据获取的积分电容上的电荷量q，得到待测电缆上的电荷量q；
[0068]
逐渐加大所述直流电源电压v
app
，计算在不同电压下的待测电缆上的电荷量q，绘制不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图；
[0069]
根据直流电源电压v
app
和不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图计算介电常数εr；
[0070]
根据介电常数εr计算绝缘介质电导率σ；
[0071]
根据不同电压下待测电缆电荷量q与时间t的函数曲线图计算电荷变化率k；
[0072]
根据介电常数εr、电导率σ、电荷变化率k，判断待测电缆的绝缘性能。
[0073]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0074]
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。