一种基于脉冲电压的高压电缆缓冲层修复效果评价方法

1.本发明属于电力电缆缓冲层修复技术领域，尤其是一种基于脉冲电压的高压电缆缓冲层修复效果评价方法。


背景技术：

2.近年来，北京、天津、广州、上海、南京以及新加坡、澳大利亚等地区发生了多起高压 xlpe电缆本体击穿故障。经过对故障电缆的解剖发现，不同于以往高压电缆绝缘缺陷导致的故障，这些故障电缆绝缘性能并无劣化，而是在其缓冲层(金属护套与绝缘屏蔽之间)中发现有大量“烧蚀”现象，金属护层与绝缘屏蔽上有白色粉末与表面烧伤、放电痕迹。大量研究发现，缓冲层电气性能缺陷是导致该故障发生的根本原因，受外界电、热、水分、压力、腐蚀性液体侵入等因素的综合影响下，高压xlpe电缆缓冲层体积电阻率值异常增加，导致局部场强畸变，从而发生击穿烧蚀事故。
3.为解决该类事故，延长电缆使用寿命，以期减少更换电缆产生的巨额费用及由于电缆故障停电造成的设备损害及其它经济损失，提高电力电缆系统安全运行水平，节省高压电力电缆系统运行和维护成本，目前已提出多种修复手段对电缆缓冲层进行修复，但是，目前尚无缓冲层修复效果的有效评价手段。
4.针对目前应用需求，亟需提出一种准确可靠、易于实现的评价方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于脉冲电压的高压电缆缓冲层修复效果评价方法，通过对修复前、后缓冲层故障电缆整缆进行电容电流测量，得到修复前后缓冲层故障电缆电容电流变化率以及修复后缓冲层电阻率，从而对高压交联聚乙烯电缆缓冲层电气性能缺陷修复效果进行有效评价，其实现方法准确可靠、易于实现，对指导电缆修复工作有重要意义。
6.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
7.一种基于脉冲电压的高压电缆缓冲层修复效果评价方法，包括以下步骤：
8.步骤1、对交联聚乙烯电缆缓冲层运行状态进行检测，判断交联聚乙烯电缆缓冲层是否存在缺陷，若存在缺陷则进行步骤2，否则交联聚乙烯电缆正常；
9.步骤2、获取交联聚乙烯电缆缓冲层故障电缆参数；
10.步骤3、将故障电缆整缆连接到电缆电容电流测量装置上，对修复前交联聚乙烯电缆缓冲层电容电流i1进行测量并记录；
11.步骤4、对故障电缆进行缓冲层修复工作；
12.步骤5、将修复后的故障电缆整缆连接到电缆电容电流测量装置上，对修复后交联聚乙烯电缆缓冲层电容电流i2进行测量并记录；
13.步骤6、计算修复前、后缓冲层故障电缆电容电流变化率，评判修复效果等级；计算修复后缓冲层电阻率，判别修复效果的有效性。
14.而且，所述步骤1中交联聚乙烯电缆缓冲层运行状态的检测方法为：在交联聚乙烯电缆运状态下，运用局部放电或者红外成像技术对交联聚乙烯电缆进行故障排查，并且运用x射线成像手段对交联聚乙烯电缆缓冲层状态进行检测。
15.而且，所述步骤2中冲层故障电缆参数包括电缆长度l、分布电容大小δc、三层共挤绝缘外径d和缓冲层厚度t。
16.而且，所述步骤3中电缆电容电流测量装置包括高压脉冲源、采样电阻和示波器，高压脉冲源的正极连接交联聚乙烯电缆、采样电阻以及高压脉冲源的负极，示波器并联在采样电阻的两端。
17.而且，所述步骤4的具体实现方法为：对交联聚乙烯电缆两端封口进行密封处理，将粉体注入同时抽出通道开孔，之后进行整缆石墨粉体注入修复。
18.而且，所述步骤3和步骤5中测量的具体实现方法为：将交联聚乙烯电缆一端电缆导体线芯与铝护套之间连接高压脉冲源的正极，交联聚乙烯电缆另一端连接采样电阻的一端，稳定高压脉冲源输出电压，通过示波器观察并记录脉冲波形
19.而且，所述步骤6中修复前、后缓冲层故障电缆电容电流变化率的计算方法为：
[0020][0021]
其中，δi为电缆电容电流变化率，i1为修复前电容电流，i2为修复后电容电流。
[0022]
而且，所述步骤6中修复效果等级包括三级，分别为优、中和差，其中，电缆电容电流变化率高于90％为优，电缆电容电流变化率处于90％至60％为中，电缆电容电流变化率高于小于为60％为差。
[0023]
而且，所述步骤6中修复后缓冲层电阻率的计算方法为：
[0024][0025]
其中，u为交联聚乙烯电缆导体施加电压，ρ为缓冲层体积电阻率，t为缓冲层厚度，d 为主绝缘层、半导电屏蔽层和缓冲层共挤绝缘外径，l为故障电缆长度，ω为施加电压角频率，δc为电缆分布电容大小。
[0026]
而且，所述步骤6中修复效果的有效性的判别方法为：
[0027][0028]
当修复后缓冲层电阻率小于等于修复前、后缓冲层故障电缆电容电流变化率，则修复效果有效，否则修复效果无效。
[0029]
本发明的优点和积极效果是：
[0030]
本发明考虑到高压电缆缓冲层烧蚀故障存在缓冲层体积电阻率异常增大的特点，且整缆的电容电流路径经过该缓冲层，通过对修复前、后缓冲层故障电缆整缆进行电容电流测量，得到修复前后缓冲层故障电缆电容电流变化率以及修复后缓冲层电阻率，从而对
高压交联聚乙烯电缆缓冲层电气性能缺陷修复效果进行有效评价，本发明准确可靠、易于实现，对指导电缆修复工作有重要意义。
附图说明
[0031]
图1为本发明电缆电容电流测量装置结构图；
[0032]
图2为本发明高压脉冲源施加的冲击电压激励波形；
[0033]
图3为电缆内部等效电路图；
[0034]
图4为本发明不同脉冲频率下修复前后电容电流变化率对比图；
[0035]
图5为本发明修复前电容电流波形电压信号图；
[0036]
图6、为本发明实施例的计算参数示意图；
[0037]
图7、为本发明实施例的计算结果示意图。
具体实施方式
[0038]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0039]
一种基于脉冲电压的高压电缆缓冲层修复效果评价方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤1、对交联聚乙烯电缆缓冲层运行状态进行检测，判断交联聚乙烯电缆缓冲层是否存在缺陷，若存在缺陷则进行步骤2，否则交联聚乙烯电缆正常。
[0041]
交联聚乙烯电缆缓冲层运行状态的检测方法为：在交联聚乙烯电缆运状态下，运用局部放电或者红外成像技术对交联聚乙烯电缆进行故障排查，并且运用x射线成像手段对交联聚乙烯电缆缓冲层状态进行检测。
[0042]
步骤2、获取交联聚乙烯电缆缓冲层故障电缆冲层故障电缆参数，包括电缆长度l、分布电容大小δc、三层共挤绝缘外径d和缓冲层厚度t等参数。
[0043]
步骤3、将故障电缆整缆连接到电缆电容电流测量装置上，对修复前交联聚乙烯电缆缓冲层电容电流i1进行测量并记录。
[0044]
如图1所示，电缆电容电流测量装置包括高压脉冲源、采样电阻和示波器，采样电阻为 50ω，高压脉冲源的正极连接交联聚乙烯电缆、采样电阻以及高压脉冲源的负极，示波器并联在采样电阻的两端，交联聚乙烯电缆的型号为yjlw0350/2201200，长度为1m，如图2 所示为高压脉冲源输出的冲击电压激励波形，冲击电压(上升时间为10ns；第一脉冲幅值为 345v)作为激励，加到交联聚乙烯电缆导体线芯与铝护套之间，其中电缆线芯与高压脉冲源高压级连接，电缆铝护套连接脉冲源地电极。
[0045]
步骤4、对故障电缆进行缓冲层修复工作。修复工作通过对交联聚乙烯电缆两端封口进行密封处理，将粉体注入同时抽出通道开孔，之后进行整缆石墨粉体注入修复。
[0046]
步骤5、将修复后的故障电缆整缆连接到电缆电容电流测量装置上，对修复后交联聚乙烯电缆缓冲层电容电流i2进行测量并记录。
[0047]
步骤3和步骤5中测量的具体实现方法为：将交联聚乙烯电缆一端电缆导体线芯与铝护套之间连接高压脉冲源的正极，交联聚乙烯电缆另一端连接采样电阻的一端，稳定高压脉冲源输出电压，通过示波器观察并记录脉冲波形。
[0048]
步骤6、计算修复前、后缓冲层故障电缆电容电流变化率，评判修复效果等级；计算修复后缓冲层电阻率，判别修复效果的有效性。
[0049]
如图3所示，在交联聚乙烯电缆中，电容电流路径可等效为主绝缘与缓冲层串联，其中主绝缘可视为电容，缓冲层可视为电阻，则修复前的电容电流i1为：
[0050][0051]
其中，u为交联聚乙烯电缆导体施加电压，ω为施加电压角频率(ω＝2πf)，l为故障电缆长度，δc为电缆分布电容大小，r1为修复前缓冲层电阻大小，为简化计算，按照平滑铝护套与缓冲层为30％面积接触，其计算公式为：
[0052][0053]
式中ρ为缓冲层体积电阻率，t为缓冲层厚度，a为缓冲层与铝护套接触面积，d为三层(主绝缘层、半导电屏蔽层、缓冲层)共挤绝缘外径。
[0054]
考虑到故障电缆中存在高阻特性的白色粉末，导致缓冲层与铝护套连接效果减弱，通过石墨粉体注入修复，缓冲层与铝护套间接触电阻会明显降低，对应式中r1数值发生变化，记录修复后接触电阻为r2，则修复后电容电流i2为：
[0055][0056]
修复前、后缓冲层故障电缆电容电流变化率δi的计算方法为：
[0057][0058]
修复效果等级包括三级，分别为优、中和差，其中，电缆电容电流变化率高于90％为优，电缆电容电流变化率处于90％至60％为中，电缆电容电流变化率高于小于为60％为差。
[0059]
修复后缓冲层电阻率的计算方法为：
[0060][0061]
其中，ρ为缓冲层体积电阻率，t为缓冲层厚度，d为主绝缘层、半导电屏蔽层和缓冲层共挤绝缘外径，l为故障电缆长度，ω为施加电压角频率，δc为电缆分布电容大小。
[0062]
修复效果的有效性的判别方法为：
[0063][0064]
当修复后缓冲层电阻率小于等于修复前、后缓冲层故障电缆电容电流变化率，则修复效果有效，否则修复效果无效。由修复效果的有效性的判别方法可知，输入脉冲频率对
修复前后电容电流变化率由较大影响，为进一步优化评价方法有效性，对50hz～5mhz输入脉冲频率下电容电流变化值进行计算，计算参数图6所示。
[0065]
计算结果如图4所示，输入脉冲频率在1
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105量级以上便可体现修复前后电容电流对比效果，在5mhz可达到最佳测量效果，更高的频率对于电容电流变化率已无明显影响。
[0066]
由于实验室试验电缆长度仅为1m，而实际修复电缆长度至少为50m，因此需要较大的脉冲源瞬时功率，以50m电缆为例，计算不同频率下脉冲源瞬时功率要求，计算结果如图7所示。
[0067]
由计算结果可知，随着测试频率及电缆长度的提高，对脉冲源瞬时功率的要求越大，因此，综合考虑测试效果及仪器性能，建议选用500khz测试频率，具有10kw以上瞬时功率的脉冲源。
[0068]
图5所示为修复前电缆电容电流测试结果，第一脉冲峰反向，并且第一脉冲幅值发生明显衰减，约为120v。
[0069]
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。