一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法及装置与流程

1.本技术为同一申请人与2021年09月02日递交的申请号为202111027302.4，名称为“基于耐压等效分析的电力电缆耐压测试方法、装置及终端”这一中国专利在先申请的后续申请，享有在先申请的优先权。
2.本发明涉及电力电缆技术领域，更具体地，涉及一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法及装置。


背景技术：

3.近几年，随着城市化进程不断提高，加之城市核心区域供电高可靠性的要求，城市电网电缆化率持续攀升。高压电缆设备总量保持年均13％快速增长，配电电缆设备总量更是突破20余万公里。特别是，随着国家对于城市新区快速发展及99.9999％供电可靠性要求对部分新建设的城市区域提出了更高的要求，采用全电缆化线路势在必行，电力电缆规模也迎来爆发式增长。
4.然而，电力电缆在实际应用中大多采取直埋或电缆沟敷设的方式，长期与潮气或水分接触，加之电力电缆本体及附件在长期使用中也会出现一定程度的绝缘老化，从而引发电力电缆的绝缘故障。这不仅可能会引发大面积停电的严重电力故障，也会影响电力系统的可靠运行，造成巨大的经济损失。
5.交联聚乙烯(xlpe，crosslinked polyethylene)电缆绝大多数的击穿事故与电缆系统的主绝缘关系密切。耐压试验是考核电缆绝缘性能的基础试验，可以发现绝缘内部较大的缺陷。耐压试验主要包括采用50hz工频电压的交流耐压试验和0.1hz余弦方波电压的超低频耐压试验。电力电缆容量较大，采用50hz工频电压做耐压试验需要较大的功率，且设备体积庞大，现场施工困难。0.1hz余弦方波电压由于设备体积小、需求功率低、极性转换波接近50hz工频电压，被广泛用于电力电缆的耐压试验。另外，不同于正弦波，余弦方波由于其波形的产生机制，可以较为方便的增加频率，而其功率需求的增加不明显。
6.在线申请cn202111027302.4中公开了一种基于耐压等效分析的电力电缆耐压测试方法、装置及终端，其中公开了将钨针电极旋入电缆压片的方式实现对电缆绝缘缺陷模型的获取。然而，这种单一的方法并不能够对电缆现实使用过程中绝缘层所发生的各类损耗进行准确的模拟，因此，只是采用这一种方式实现的击穿时间测试，也不够准确，据此获得的依据也无法充分的保证电力电缆的安全性。
7.另一方面，现有研究中发现，由于电缆绝缘层外部受损，电缆绝缘层内部在高频高压的作用下将会出现绝缘层未受损区域水树快速生长的问题。这种情况也经常导致电缆在受损后的较短时间内发生击穿，因此危险系数较高。然而，由于水树生长的不确定性，现有技术中，仍然不存在一种准确的故障时间预测方法。
8.针对上述问题，本发明提供了一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法。


技术实现要素：

9.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法，通过多种不同方式对于样品进行缺陷仿真，并通过比较样品的击穿时间和余弦方波电压的特性，准确的获得击穿的影响因素。
10.本发明采用如下的技术方案。
11.本发明第一方面，涉及一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法，其中，方法包括以下步骤：步骤1，对电缆绝缘层进行样品采样，并分别采用针板电极法和水刀电极法及水树培养法对所述样品进行缺陷仿真；步骤2，对仿真后的样品以预设频率的余弦方波电压进行击穿试验，以获得样品的试验击穿时间；步骤3，将样品的试验击穿时间与余弦方波电压进行比较，以获得击穿的相关影响因素。
12.优选的，针板电极法采用针板电极缺陷模型实现对样品的缺陷仿真；水刀电极法采用水刀电极缺陷模型实现对样品的缺陷仿真。
13.优选的，样品为交联聚乙烯电缆绝缘层中厚度1mm、长度50mm、宽度50mm的方形切片；其中，以方形切片的中心为原点扩展直径20mm的圆形区域为水树老化培养区域。
14.优选的，采用水刀电极对水树老化培养区域进行深度0.5mm、长度3mm的切割；对每一个样品进行三次切割，并将切割槽作为所述样品的水树培养基；对样品进行120小时的恒定电压压加压以实现水树的生长；其中，恒定电压为电缆额定相电压的2倍。
15.优选的，对切割后的样品施加余弦方波电压，并预设余弦方波电压的幅值、场强和频率，以获得样品的试验击穿时间。
16.优选的，对样品的试验击穿时间与余弦方波电压的时序信号进行比较，以获得试验击穿时间与余弦方波电压的周期性关联。
17.优选的，周期性关联为，样品的试验击穿时间在余弦方波电压的整周期中的相位分布。
18.优选的，试验击穿时间的相位分布在余弦方波电压的整周期下降沿位置上具备全局极值；试验击穿时间的相位分布在余弦方波电压的整周期上升沿位置上具备局部极值。
19.优选的，击穿的相关影响因素包括样品的空间合成场强、余弦方波电压的频率；其中，空间合成场强是基于余弦方波电压的极性转换引发的。
20.本发明第二方面，涉及一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测装置，其中，该装置用于实现如本发明第一方面中所述的一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法。
21.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法，能够通过多种不同方式对于样品进行缺陷仿真，并通过比较样品的击穿时间和余弦方波电压的特性，准确的获得击穿的影响因素。本发明方法简单、可操作性强，试验结果准确，更加贴近实际，具有良好的参考价值。
22.本发明的有益效果还包括：
23.1、能够通过多种不同的样品缺陷仿真方法对于实际应用中电缆绝缘层的受损方式进行更加精确的仿真，在此基础上，才通过实验中获取到的数据进行分析，大幅提高了方案的合理性和试验结果的置信度。
24.2、本发明中，对于样品的试验击穿时间进行了充分的分析，并获得试验击穿时间与合成场强、方波突变沿之间的关联关系。因此，以防止样品击穿为目的，本发明的方法可
以提供良好的佐证，用以支持电缆中电能传输方式的改进，并通过这种改进，以最小成本充分的延长电缆绝缘层的击穿时间，提高电缆的安全性。
附图说明
25.图1为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法的步骤流程示意图；
26.图2为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中针板电极缺陷模型的结构示意图；
27.图3为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中水刀电极法的切割示意图；
28.图4为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中实验油箱的结构示意图；
29.图5为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中1hz余弦方波击穿时间的威布尔分布示意图；
30.图6为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中针板电极法实现缺陷仿真的击穿通道形貌示意图；
31.图7为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中水刀电极法实现缺陷仿真的击穿通道形貌示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
33.图1为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法的步骤流程示意图。如图1所示，一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法，其中，方法包括步骤至步骤3。
34.步骤1，对电缆绝缘层进行样品采样，并分别采用针板电极法和水刀电极法及水树培养法对样品进行缺陷仿真。
35.本发明中，电缆绝缘层可以采用现有技术中经常作为电缆绝缘层材料的交联聚乙烯。样品采样的过程，可以是从电缆绝缘层上进行切片，也可以直接采用相同的材料实现切片。完成切片后，就可以对样品进行缺陷仿真。本发明中提供了两种不同的仿真方法。
36.优选的，针板电极法采用针板电极缺陷模型实现对样品的缺陷仿真；水刀电极法采用水刀电极缺陷模型实现对样品的缺陷仿真。
37.图2为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中针板电极缺陷模型的结构示意图。如图2所示，针板电极缺陷是电力电缆中有代表性的一个典型缺陷，也是导致电缆绝缘击穿的主要原因之一。针板电极缺陷会在电力电缆内部形成极不均匀电场，严重降低电力电缆的击穿电压。
38.在一些实施例中，多组不同绝缘剩余厚度的绝缘缺陷模型包括绝缘剩余厚度可以为0.2mm、0.3mm、0.4mm和0.5mm的绝缘缺陷模型。也可以根据实际的电力电缆测试需求，制作其他不同绝缘剩余厚度的绝缘缺陷模型。
39.可选的，绝缘缺陷模型可以为针板电极缺陷模型。针板电极缺陷模型是研究极不均匀电场放电的重要模型，传统针板电极缺陷模型的针电极多数采用长针直接插入xlpe试
样的方式。由于xlpe具有一定的硬度，插入的深度和角度都不易控制，尤其是插入的深度，其对电极电场分布影响很大。这导致针电极与板电极间的距离即绝缘剩余厚度控制不理想，针尖位置的电场分布一致性差，导致试验结果的分散性较大。
40.本发明中，针板电极缺陷模型包括：设置在高压电极202和低压电极201之间的交联聚乙烯电缆压片203，其中，高压电极202和低压电极201由黄铜制作而成。钨针电极205，一端穿过高压电极202插入到交联聚乙烯电缆压片203中，另一端设置在旋进式刻度盘204上。旋转旋进式刻度盘204，调节钨针电极205插入到交联聚乙烯电缆压片203中的深度，得到不同绝缘剩余厚度的绝缘缺陷模型。
41.试验过程中，首先，将厚度为2mm，面积为100mm*100mm的交联聚乙烯电缆压片203试样用高压电极202与低压电极201压紧。上述高压电极202与低压电极201均采用gb/t 1408.1-2016所规定的等直径电极，规格为25mm
×
25mm、边缘倒角为3mm的黄铜材料。然后，在高压电极202中置入旋进式的钨针电极205，钨针电极205头部直径为1mm，曲率半径为20μm，尾部为螺距1mm螺丝。最后，通过带有刻度的旋进式刻度盘204控制钨针电极205的插入深度，每旋转36
°
钨针电极205深入0.1mm。由于针尖较短，承受压力减小，其自身形变很小。旋进结构可以有效控制插入深度，绝缘剩余厚度可控性高。通过控制钨针电极205的插入深度，即可制备多组绝缘剩余厚度分别为0.2mm，0.3mm，0.4mm和0.5mm的模型。
42.本发明中可以考虑在针板电极进行刺穿之后，采用水树培养的方式，也就是后文中详细描述的进行120小时的恒定电压加压的方式实现针板电极刺穿后，水树的培养。
43.水刀电极法可以针对1mm厚度的xlpe压片试样进行制备。本发明实施例中，样品可以选择为交联聚乙烯电缆绝缘层中厚度1mm、长度50mm、宽度50mm的方形切片；其中，以方形切片的中心为原点扩展直径20mm的圆形区域为水树老化培养区域。
44.另外，为了提高样品缺陷与实际缺陷，尤其是严重缺陷的相似度，可以采用水刀电极对样品进行缺陷仿真。
45.具体的，采用水刀电极对水树老化培养区域进行深度0.5mm、长度3mm的切割；对每一个样品进行三次切割，并将切割槽作为样品的水树培养基；对样品进行120小时的恒定电压加压以实现水树的生长，其中，恒定电压可以为电缆额定相电压的2倍。
46.当前研究认为，水树的长度是影响击穿的主要因素，因此可以选择合适的长度来判断水树长度和击穿的关系。背景技术文献《用于clpe绝缘水数值引发实验的水刀电极法研究》，张城城等，第15届全国工程电介质学术会议，2015年，279至284页中公开了水刀电极法相对于水针电极法能够促进水树的引发和生长。本发明中采用类似方法实现了水树的生成。
47.本发明中，切割的次数、切割的长度等内容是可以根据实验需求进行调整的。但是，水刀电极对水树老化培养区域进行切割时的切割深度应当是提前设置好的，能够准确的对1mm的试样进行0.5mm深度的切割。
48.另外，在切割后，还需要较长的时间通过恒定电压的加压方式提前实现水树生长后才能进行绝缘击穿检测。本发明中两种不同的刺穿和切割方式都可以首先进行水树的培养，然后再进行绝缘击穿实验。
49.图3为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中水刀电极法的切割示意图。如图4所示，d为刀口至切片另一侧距离，约为0.5mm，d1为水树垂直方向最长点距离刀
口的距离。水树生长具有一定的分散性，无法精确控制其长度占比。通过反复试验摸索，本发明中确定了水树长度占比和对应加压时间的大致对应关系。本发明击穿试验中采用了加压时间为120小时的样品，其水树长度的占比均约为未被切割的样品厚度的90％。
50.步骤2，对仿真后的样品以预设频率的余弦方波电压进行击穿试验，以获得样品的试验击穿时间。
51.图4为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中实验油箱的结构示意图。如图4所示，本发明中在实现击穿实验的过程中，为了防止击穿实验的大电压对试样造成意想不到的影响，可以将击穿实验设置在实验油箱中进行。
52.在一些实施例中，为了防止绝缘耐压试验在空气中进行时，xlpe绝缘试样可能发生沿面闪络的影响，将上述制作的多组不同绝缘剩余厚度的绝缘缺陷模型放置在试验油箱中的绝缘油中。并且，试验油箱中的绝缘油的液面高度高于绝缘缺陷模型的高度，试验油箱顶部带有泄压阀，防止击穿瞬间压力突然增大可能引起的爆炸。
53.优选的，对切割后的样品施加余弦方波电压，并预设余弦方波电压的幅值、场强和频率，以获得样品的试验击穿时间。
54.本发明中，可以在多组不同绝缘剩余厚度的绝缘缺陷模型上分别施加预设幅值的工频电压和预设幅值的0.1hz余弦方波电压。具体的，对于10kv电力电缆，采用60min进行耐压测试考核时，可采用预设幅值为2u0的工频电压，和预设幅值为2.5u0的0.1hz余弦方波电压。为此，以10kv电力电缆u0为基准，对上述不同绝缘剩余厚度的绝缘缺陷模型分别施加工频电压2u0电压和0.1hz余弦方波电压2.5u0电压。其中，u0为10kv电缆的标准相电压，本发明实施例中为30.7kv。
55.当分别达到上述预设幅值的工频电压和预设幅值的0.1hz余弦方波电压时，保持电压不变，测试目标组绝缘剩余厚度的绝缘缺陷模型的耐压时间。具体的，当电压达到预设幅值时，保持预设电压幅值不变，开始计时，当测试电压瞬间变为0伏，即绝缘缺陷模型被击穿，停止计时，即为相应模型在相应预设电压下的耐压时间。
56.另外，本发明中还根据耐压试验得到的多组击穿时间和击穿时间的概率分布，分别得到不同绝缘剩余厚度的工频电压和0.1hz余弦方波电压的威布尔分布。
57.在一些实施例中，对于固态绝缘电击穿试验数据分布最常见的是威布尔分布，它具有广泛的应用性，并且对于最薄弱点出现故障的极值分布类型具有很重要的价值。本发明以双参数威布尔分布来对耐压试验数据进行处理。
[0058][0059]
其中，t为击穿时间，f(t)为击穿时间的概率分布，α为尺度参数，β为形状参数。α指概率为0.632时的击穿时间，β为上式的斜率，表示试验数据的分散性，β越大，击穿时间的变化范围越小。
[0060]
图5为本发明1hz余弦方波击穿时间的威布尔分布示意图一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中。如图5所示，本发明方法在在先申请的基础上，除了采用0.1hz和0.5hz的余弦方波电压进行了样品测试，还对1hz频率的余弦方波电压情况下的击穿时间进行了测试。这一情况下，最短的试验击穿时间为10.5min，最长的时间也只是30.2min。可见
电压频率越高，相同概率下击穿的时间越短，或相同时间下发生击穿的概率大幅上升。另外，在1hz的电压频率下，经过威布尔分布算法求解得到的尺度参数α的取值为21.7min，小于相同条件下0.1hz和0.5hz情况下的尺度参数，而形状参数β的取值为2.9，大于相同情况下0.1hz和0.5hz情况下的形状参数。
[0061]
另外，对于采用水刀电极实现缺陷仿真的样品，由于缺陷相对较大，此次选用的样品较薄，因此，样品的击穿时间较短。为了对余弦方波电压的频率特性进行良好的分析，采用原有的电压参数，则可能导致击穿时间过小，分析不能实现。如果采用较厚的样品则可能导致试验耗时过长。
[0062]
为此，本发明中采用了7.5kv的电压对样品进行了击穿测试。为了保证其他参数的一致性，本发明将测试样品放置于平均等效场强与10kv电缆在3u0下平均场强一致的环境中。由于本发明实施例中的测试样品的厚度是确定的，且样品的形状较为规律，因此通过采用合适的方式施加规定大小的电压，可以使得测试样品内部各个位置上具有相对一致的平均场强。本发明的方法中，可以将片状的样品404中20mm直径的位置上下压置在用于加压的正负电极403、405之间。可以将加压电极设置为圆柱状结构，从而使得样品中20mm直径内部的部分位置之间具有较为一致的平均场强。两个电极分别通过绝缘电缆402、406密闭的连接至油箱401的上下表面，并从油箱瞳孔407穿出油箱表面。需要注意的是，油箱401中的油的液面408应当至少高于测试样品的上表面或者上电极的一定距离，以保证加压过程中，样品和电极的安全性。
[0063]
表1为不同频率余弦方波电压下水刀电极缺陷的击穿试验结果表。如表1所示，随着频率的增加，击穿时间大幅降低。在0.1hz余弦方波电压的作用下，样品击穿时间均不超过15min，在0.5hz余弦方波电压的作用下，样品击穿时间均不超过5min，在1hz余弦方波电压作用下，样品击穿时间则均不超过2min。
[0064][0065][0066]
表1不同频率余弦方波电压下水刀电极缺陷的击穿试验结果表
[0067]
步骤3，将样品的试验击穿时间与余弦方波电压进行比较，以获得击穿的相关影响因素。
[0068]
另外，本发明在获得了上述数据之后，对于数据和样品被击穿后的形态均进行了分析。
[0069]
图6为本发明一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法中针板电极法实现缺陷仿真的击穿通道形貌示意图。如图6所示，尽管击穿通道的直径没有显著差异，但0.1hz余弦方波下击穿通道较为清晰，说明击穿的气化过程较为充分，击穿瞬间注入的能量较为充分。而在0.5hz和1hz余弦方波下击穿通道则都呈现细而密集的状态，击穿瞬间注入能量小于0.1hz。
[0070]
而对于水刀电极缺陷来说，0.1hz、0.5hz、1hz等三种频率余弦方波电压作用的击
穿通道均呈现出细而密集的状态，未发现显著区别。
[0071]
优选的，对样品的试验击穿时间与余弦方波电压的时序信号进行比较，以获得试验击穿时间与余弦方波电压的周期性关联。
[0072]
本发明中，对于样品的试验击穿时间与电压的特性进行了分析，由于电压是周期性信号，因此针对电压的周期性，本发明中，实现了击穿时间与电压的周期性关联。
[0073]
具体来说，周期性关联为，样品的试验击穿时间在余弦方波电压的整周期中的相位分布。
[0074]
在余弦方波电压的每个周期上，在不同的相位上，方波电压的幅值是不同的，且呈现周期性变化的。因此，可以统计击穿时间在不同相位上的概率情况。
[0075]
本发明中，对于0度相位和180度相位分别进行了统计，且在这两个相位上得到了击穿时间分布的最大概率。换言之，通过对余弦方波击穿电压波形的统计发现，绝大多数击穿发生在电压的极性变换阶段也就是余弦方波的上升沿或下降沿位置。对于0.1hz的余弦方波电压，上升沿或下降沿位置都观测到有发生击穿，极少部分试样击穿发生在正直流阶段。
[0076]
优选的，试验击穿时间的相位分布在余弦方波电压的整周期下降沿位置上具备全局极值；试验击穿时间的相位分布在余弦方波电压的整周期上升沿位置上具备局部极值。
[0077]
本发明一实施例中，对于0.5hz和1hz的余弦方波电压，试验击穿均发生在正极性转换为负极性的下降沿位置。这种现象是由于缺陷在在极性变换阶段电压发生瞬间反转，增大了缺陷中的实际电场，因而容易导致击穿。对于上升沿来说，虽然电场强度发生了变化，但在一定程度上，实际电场是向相对减小的方向发生变化的，因而相对下降沿来说不容易导致击穿。
[0078]
优选的，击穿的相关影响因素包括样品的空间合成场强、余弦方波电压的频率；其中，空间合成场强是基于余弦方波电压的极性转换引发的。
[0079]
具体来说，空间合成场强的基本取值可以与样品所在空间的电荷注入数量和极性相关。在余弦方波电压发生变化时，会向样品所在空间中注入电荷。负电荷的注入会降低缺陷位置的实际电场强度，而正电荷的注入则会升高实际电场强度。然而，对于电缆绝缘缺陷位置的场强来说，由于正电荷的注入速度和数量都较负电荷少，因此在长期的加压过程中，实际电场强度是小于0的。因此，在下降沿过程中，进一步瞬间大量的向缺陷位置注入负电荷，相比于上升沿过程中注入的正电荷来说，其总的合成场强相对更大，更容易出现瞬间击穿。
[0080]
本发明的方法充分分析了击穿特性，并得到以下结论：
[0081]
1、在所试验的频率范围内，随着余弦方波电压频率的增加，电缆典型绝缘缺陷的击穿时间显著降低，击穿点的聚集程度更高。
[0082]
2、绝大多数击穿发生在电压的极性变换阶段也就是余弦方波的上升沿或下降沿位置，0.5hz和1hz余弦方波电压的击穿更多的集中发生在由正极性转换为负极性的下降沿。空间电荷注入导致的极性转换过程中合成场强的增大和单位时间内极性转换次数的增加是引起上述现象的主要原因。
[0083]
3、适当提高余弦方波试验电压频率可有效加强耐压考核的强度，提高耐压试验的效率。
[0084]
本发明第二方面，涉及一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测装置，该装置用于实现本发明第一方面中所述的一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法。
[0085]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种基于余弦方波的电缆绝缘击穿检测方法，能够通过多种不同方式对于样品进行缺陷仿真，并通过比较样品的击穿时间和余弦方波电压的特性，准确的获得击穿的影响因素。本发明方法简单、可操作性强，试验结果准确，更加贴近实际，具有良好的参考价值。
[0086]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。